SOURCE, FATE AND FUNCTION OF EARLY GLIAL CELLS EXPRESSING NKX2.1 IN MOUSE EMBRYONIC BRAINS

The brain tissue is made of neuronal and glial cells generated in the germinal layer bordering the ventricles. These cells divide, differentiate and migrate following specific pathways. The specification of GABAergic interneurons and glutamatergic neurons has been broadly studied but little is known about the origin, the fate and the function of early glial cells in the embryonic telencephalon. It has been commonly accepted since long that the glial cells and more particularly the astrocytes were generated after neurogenesis from the dorsal telencephalon. However, our work shows that, unlike what was previously thought, numerous glial cells (astroglia and polydendrocytes) are generated during neurogenesis in the early embryonic stages from E14.5 to E16.5, and originate from the ventral Nkx2.1-expressing precursors instead. NK2 homeobox 1 (Nkx2.1) is a member of the NK2 family of homeodomaincontaining transcription factors. The specification of the MGE precursors requires the expression of the Nkx2.1 homeobox gene. Moreover, Nkx2.1 is previously known to regulate the specification of GABAergic interneurons and early oligodendrocytes in the ventral telencephalon. Here, in my thesis work, I have discovered that, in addition, Nkx2.1 also regulates astroglia and polydendrocytes differentiation. The use of Nkx2.1 antibody and Nkx2.1 riboprobe have revealed the presence of numerous Nkx2.1-positive cells that express astroglial markers (like GLAST and GFAP) in the entire embryonic brain. Thus, to selectively fate map MGE-derived GABAergic interneurons and glia, we crossed Nkx2.1-Cre mice, Glast-Cre ERT+/- inducible mice and NG2-Cre mice with the Cre reporter Rosa26-lox-STOP-lox-YFP (Rosa26-YFP) mice. The precise origin of Nkx2.1-positive astroglia has been directly ascertained by combining glial immunostaining and focal electroporation of the pCAG-GS-EGFP plasmids into the subpallial domains of organotypic slices, as well as, by using in vitro neurosphere experiments and in utero electroporation of the pCAG-GS-tomato plasmid into the ventral pallium of E14.5 Nkx2.1-Cre+/Rosa-YFP+/- embryos. We have, thus, confirmed that the three germinal regions of the ventral telencephalon i.e. the MGE, the AEP/POA and the triangular septal nucleus are able to generate early astroglial cells. Moreover, immunohistochemistry for several astroglial cells and polydendrocyte markers, both in the Nkx2.1-/- and control embryos and in the neurospheres, has revealed a severe loss of both glial cell types in the Nkx2.1 mutants. We found that the loss of glia corresponded to a decrease of Nkx2.1-derived precursor division capacity and glial differentiation. There was a drastic decrease of BrdU+ dividing cells labeled for Nkx2.1 in the MGE*, the POA* and the septal nucleus* of Nkx2.1 mutants. In addition, we noticed that while some remaining Nkx2.1+ precursors still succeeded to give rise to post-mitotic neurons in vitro and in vivo in the Nkx2.1-/-, they completely lost the capacity to differentiate in astrocytes. Altogether, these observations indicate for the first time that the transcription factor Nkx2.1 regulates the proliferation and differentiation of precursors in three subpallial domains that generate early embryonic astroglia and polydendrocytes. Furthermore, in order to investigate the potential function of these early Nkx2.1- derived glia, we have performed multiple immunohistochemical stainings on Nkx2.1-/- and wild-type animals, and Nkx2.1-Cre mice that were crossed to Rosa-DTA+/- mice in which the highly toxic diphtheria toxin aided to selectively deplete a majority of the Nkx2.1-derived cells. Interestingly, in these two mutants, we observed a drastic and significant loss of GFAP+, GLAST+, NG2+ and S100ß+ astroglial cells at the telencephalic midline and in the medial cortical areas. This cells loss could be directly correlated with severe axonal guidance defects observed in the corpus callosum (CC), the hippocampal commissure (HIC), the fornix (F) and the anterior commissure (AC). Axonal guidance is a key step allowing neurons to form specific connections and to become organized in a functional network. The contribution of guidepost cells inside the CC and the AC in mediating the growth of commissural axons have until now been attributed to specialized midline guidepost astroglia. Previous published results in our group have unravelled that, during embryonic development, the CC is populated in addition to astroglia by numerous glutamatergic and GABAergic guidepost neurons that are essential for the correct midline crossing of callosal axons. Therefore, the relative contribution of individual neuronal or glial populations towards the guidance of commissural axons remains largely to be investigated to understand guidance mechanisms further. Thus, we crossed Nkx2.1-Cre mice with NSE-DTA+/- mice that express the diphtheria toxin only in neurons and allowed us to selectively deplete Nkx2.1-derived GABAergic neurons. Interestingly, in the Nkx2.1-/- mice, the CC midline was totally disorganized and the callosal axons partly lost their orientation, whereas in the Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- and the Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice, the axonal organization of the CC was not affected. In the three types of mice, hippocampal axons of the fornix were not properly fasciculated and formed disoriented bundles through the septum. Additionally, the AC formation was completely absent in Nkx2.1-/- mice and the AC was divided into two/three separate paths in the Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- mice that project in wrong territories. On the other hand, the AC didn't form or was reduced to a relatively narrower tract in the Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice as compared to wild-type AC. These results clearly indicate that midline Nkx2.1-derived cells play a major role in commissural axons pathfinding and that both Nkx2.1-derived guidepost neurons and glia are necessary elements for the correct development of these commissures. Furthermore, during our investigations on Nkx2.1-/- and Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- mice, we noticed similar and severe defects in the erythrocytes distribution and the blood vessels network morphology in the embryonic brain of both mutants. As the Cre-mediated recombination was never observed to occur in the blood vessels of Nkx2.1-Cre mice, we inferred that the vessels defects observed were due to the loss of Nkx2.1-derived cells and not to the cells autonomous effects of Nkx2.1 in regulating endothelial cell precursors. Thereafter, the respective contribution of individual Nkx2.1-regulated neuronal or glial populations in the blood vessels network building were studied with the use of transgenic mice strains. Indeed, the use of Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice indicated that the Nkx2.1-derived neurons were not implicated in this process. Finally, to discriminate between the two Nkx2.1-derived glial cell populations, the GLAST+ astroglia and the NG2+ polydendrocytes, an NG2-Cre mouse strain crossed to the Rosa-DTA+/- mice was used. In that mutant, the blood vessel network and the erythrocytes distribution were similarly affected as observed in Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- animals. Therefore, this result indicates that most probably, the NG2+ polydendrocytes are involved in helping to build the vessels network in the brain. Taken altogether, these observations show that during brain development, Nkx2.1- derived embryonic glial cells act as guidepost cells on the guidance of axons as well as forming vessels. Both Nkx2.1-regulated guidepost GABAergic neurons and glia collaborate to guide growing commissural axons, while polydendrocytes are implicated in regulating brain angiogenesis. - Le tissu cérébral est composé de cellules neuronales et gliales générées dans les couches germinales qui bordent les ventricules. Ces cellules se divisent, se différencient et migrent selon des voies particulières. La spécification des interneurones GABAergiques et des neurones glutamatergiques a été largement étudiée, par contre, l'origine, le destin et la fonction des cellules gliales précoces du télencéphale embryonnaire restent peu élucidées. Depuis longtemps, il était communément accepté que les cellules gliales, et plus particulièrement les astrocytes, sont générés après la neurogénèse à partir du télencéphale dorsal. Toutefois, notre travail montre que de nombreuses cellules gliales sont générées à partir de précurseurs ventraux qui expriment le gène Nkx2.1, entre E14.5 et E16.5, c'est-à dire,à des stades embryonnaires très précoces. Le gène NK2 homéobox 1 (Nkx2.1) appartient à une famille de facteurs de transcription appelée NK2. Il s'agit de protéines qui contiennent un homéo-domaine. La spécification des précurseurs de la MGE requiert l'expression du gène homéobox Nkx2.1. De plus, la fonction du gène Nkx2.1 dans la régulation de la spécification des interneurones GABAergiques et des oligodendrocytes dans le télencéphale ventral était déjà connue. Au cours de mon travail de thèse, j'ai également mis en évidence que, Nkx2.1 régule aussi les étapes de prolifération et de différenciation de divers sous-types de cellules gliales soit de type astrocytes ou bien polydendrocytes. L'utilisation d'un anticorps contre la protéine Nkx2.1 ainsi qu'une sonde à ribonucléotides contre l'ARN messager du gène Nkx2.1 ont révélé la présence de nombreuses cellules positives pour Nkx2.1 qui exprimaient des marqueurs astrocytaires (comme GLAST et GFAP) dans le télencéphale embryonnaire. Afin de déterminer de manière sélective le sort des interneurones GABAergiques, des polydendrocytes et des astrocytes dérivés de la MGE, nous avons croisé soit des souris Nkx2.1-Cre, des souris Glast-Cre ERT+/- inductibles ou bien des souris NG2-Cre avec des souris Rosa26-lox-STOP-lox-YFP (Rosa26-YFP) Cre rapportrices. L'origine précise des astroglies positives pour Nkx2.1 a été directement établie en combinant une coloration immunologique pour les glies et une électroporation focale d'un plasmide pCAG-GS-EGFP dans les domaines subpalliaux de tranches organotypiques, puis également, par des cultures de neurosphères in vitro et des expériences d'électroporation in utero d'un plasmide pCAG-GS-tomato dans le pallium ventral d'embryons Nkx2.1-Cre+/Rosa- YFP+/- au stade E14.5. Nous avons donc confirmé que les trois régions germinales du télencéphale ventral, c'est-à-dire, la MGE, l'AEP/POA et le noyau triangulaire septal sont capables de générer des cellules astrogliales. D'autre part, l'immunohistochimie pour plusieurs marqueurs d'astrocytes ou de polydendrocytes, dans les embryons Nkx2.1-/- et contrôles ainsi que dans les neurosphères, a révélé une sévère perte de ces deux types gliaux chez les mutants. Nous avons trouvé que la perte de glies correspondait à une diminution de la capacité de division des précurseurs dérivés de Nkx2.1, ainsi que l'incapacité de ces précurseurs de se différencier en cellules gliales. Nous avons en effet observé une diminution importante des cellules BrdU+ en division exprimant Nkx2.1dans la MGE*, la POA* et le noyau septal* des mutants pour Nkx2.1. D'autre part, nous avons pu mettre en évidence aussi bien in vitro, qu'in vivo, que certains précurseurs Nkx2.1+ chez le mutant gardent la capacité à se différencier en neurones tandis qu'ils perdent celle de se différencier en cellules gliales. Prises dans leur ensemble, ces observations indiquent pour la première fois que le facteur de transcription Nkx2.1 régule les étapes de prolifération et de différentiation des précurseurs des trois domaines subpalliaux qui génèrent les astroglies et polydendrocytes embryonnaires précoces. Par la suite, dans le but de comprendre la fonction potentielle de ces glies précoces, nous avons procédé à de multiples colorations immunohistochimiques sur des animaux Nkx2.1-/- et sauvages, ainsi que sur des souris Nkx2.1-Cre croisées à des souris Rosa-DTA+/- dans lesquelles la toxine diphthérique hautement toxique a permis de supprimer sélectivement la majorité des cellules dérivées de Nkx2.1. De manière intéressante, nous avons observé dans ces deux mutants, une perte drastique et significative de cellules astrogliales GFAP+, GLAST+ et polydendrocytaires NG2+ et S100ß+ dans le télencéphale, à la midline et dans les aires corticales médianes. Ces pertes ont pu être directement corrélées avec des défauts de guidage axonal observés dans le corps calleux (CC), la commissure hippocampique (HIC), le fornix (F) et la commissure antérieure (AC). Le guidage axonal est une étape clé permettant aux neurones de former des connections spécifiques et de s'organiser dans un réseau fonctionnel. La contribution des cellules « guidepost » dans le CC et dans la AC comme médiateurs de la croissance des axones commissuraux à jusqu'à aujourd'hui été attribuée spécifiquement à des astroglies « guidepost » de la midline. Des résultats publiés précédemment dans notre groupe, ont permis de montrer que, pendant le développement embryonnaire, le CC est peuplé en plus de la glie par de nombreux neurones « guidepost » glutamatergiques et GABAergiques qui sont essentiels pour le croisement correct des axones callosaux à la midline. Ainsi, la contribution relative des populations individuelles neuronales ou gliales pour le guidage des axones commissuraux demande à être approfondie afin de mieux comprendre les mécanismes de guidage. A ces fins, nous avons croisé des souris Nkx2.1-Cre avec des souris NSE-DTA+/- qui expriment la toxine diphthérique uniquement dans les neurones et ainsi, nous avons pu sélectivement supprimer les neurones dérivés de domaines Nkx2.1+. Dans les souris Nkx2.1-/-,nous avons découvert que le CC était désorganisé avec des axones callosaux perdant partiellement leur orientation, alors que dans les souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- et Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/-, l'organisation axonale n'était pas affectée. De plus, les faisceaux hippocampiques du fornix étaient défasciculés dans les trois types de mutants. Par ailleurs, la formation de la commissure antérieure (AC) était complètement absente dans les souris Nkx2.1-/- d'une part, et d'autre part, celle-ci était divisée en deux à trois voies séparées dans les souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-. Finalement, la AC était soit absente, soit réduite de manière ne former plus qu'un faisceau relativement plus étroit dans les souris Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- en comparaison avec la AC sauvage. Ces derniers résultats indiquent clairement que les cellules dérivées de Nkx2.1 à la midline, jouent un rôle majeur dans le guidage des axones commissuraux et que, autant les neurones, que les astrocytes « guidepost » dérivés de Nkx2.1, sont des éléments nécessaires au développement correct de ces commissures. En outre, lors de nos investigations sur les souris Nkx2.1-/- et Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-, nous avons remarqués des défauts sévères et similaires dans la distribution des erythrocytes et dans la morphologie du réseau de vaisseaux sanguins dans le cerveau embryonnaire des deux mutants précités. Puisque nous n'avons jamais observé de recombinaison de la Cre recombinase dans les vaisseaux sanguins des souris Nkx2.1Cre, nous en avons déduit que les défauts de vaisseaux observés étaient dus à la perte de cellules dérivées de Nkx2.1. Il existerait donc en plus de la fonction cellulaire autonome de Nkx2.1 reconnue pour régulée directement la spécification des cellules endothéliales, une fonction indirecte de Nkx2.1. Afin de déterminer la contribution respective des populations individuelles neuronales ou gliales régulées par Nkx2.1 dans la construction du réseau de vaisseaux sanguins, nous avons utilisé diverses lignées de souris transgéniques. L'utilisation de souris Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- a indiqué que les neurones dérivés de Nkx2.1 n'étaient pas impliqués dans ce processus. Finalement, afin de discriminer entre les deux populations de cellules gliales dérivées de Nkx2.1, les astroglies et les polydendrocytes, nous avons croisé une lignée de souris NG2-Cre avec des souris Rosa-DTA+/-. Dans ce dernier mutant, le réseau de vaisseaux sanguins du cortex ainsi que la distribution des erythrocytes étaient affectés de la même manière que dans le cortex des souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-. Par conséquent, ce résultat indique que très probablement, les polydendrocytes NG2+ sont impliqués dans la mise en place du réseau de vaisseaux dans le cerveau. Prises dans leur ensemble, ces observations montrent que durant le développement embryonnaire du cerveau, des sous-populations de glies régulées par Nkx2.1 jouent un rôle de cellules « guidepost » dans le guidage des axones, ainsi que des vaisseaux. Les polydendrocytes sont impliquées dans la régulation de l'angiogenèse tandis que, autant les neurones GABAergiques que les astrocytes collaborent dans le guidage des axones commissuraux en croissance.

Qualitative and quantitative analysis of thalamo-cortical axons in the somatosensory cortex of normal and barrelless mice

Résumé Les rongeurs utilisent leurs moustaches (vibrisses) pour explorer le milieu environnant. Chaque moustache est mue par un système des muscles. Les récepteurs situés à sa base transmettent les informations au système nerveux central. La transmission vers l'écorce se fait via trois neurones de relais qui se trouvent au niveau du ganglion trigéminé, du tronc cérébral et du thalamus. La représentation corticale d'une vibrisse est une concentration des axones thalamo-corticaux (ATC) autour desquelles s'organisent leurs cibles, les cellules de la couche IV. La structure peut être identifiée histologiquement en coupes tangentielles et porte le nom de « barrel » (« tonneau »). Cette correspondance vibrisse - barrel fait de ce système un model idéal pour étudier l'influence de l'activité périphérique sur l'établissement et le maintien des cartes somatotopiques. Notre laboratoire dispose d'une souche de souris qui a subi une mutation spontanée pour le gène codant l'adenylyl cyclase I (ACI). Cette enzyme membranaire catalyse la formation de l'AMPc et joue un rôle important dans le guidage axonal, la libération des neurotransmetteurs et l'intégration des signaux postsynaptiques. Nous avons démontré dans un premier temps que cette souris adulte ne développe pas de barrels. Cela est dû à un manque d'organisation des ATC et aussi des cellules de la couche IV. De plus, les résultats électrophysiologiques montrent que les informations venant des vibrisses adjacentes ne sont pas intégrées d'une manière normale. Dans ce travail de thèse, j'ai analysé la morphologie des ATC révélés individuellement avec de la biocytine. L'analyse quantitative des ATC a mis en évidence les points suivants: 1. Les axones de la souris normale (NOR) quittent le thalamus, traversent la capsule interne et la substance blanche sous-corticale et pénètrent dans le cortex somato-sensoriel primaire. A l'intérieur de l'écorce ils traversent au maximum 3 colonnes corticales adjacentes dont une contient le barrel cible. En passant à travers les couches VI et V, ces axones arborisent et convergent progressivement vers le barrel dans lequel ils forment une riche arborisation. Un petit nombre des branches « errantes », pleines de boutons synaptiques, pénètrent dans les barrels voisins. Deux axones NOR provenant de corps cellulaires très proches dans le thalamus peuvent avoir un cheminement très divergent lors de la traversée de la capsule interne et de la substance blanche sous-corticale mais, à leur entrée dans le cortex, ils sont distants d'au maximum 2 colonnes corticales de la colonne qui contient le barrel cible et ils convergent progressivement vers ce barrel. 2. Les axones de la souris mutante (BRL) ont le même trajet sous-cortical que les axones NOR, mais leur entrée dans le cortex somato-sensoriel primaire est aléatoire. A l'interface entre la substance blanche sous-corticale et le cortex, l'axone principal se divise rapidement en troncs axonaux qui traversent les couches VI et V d'une manière divergente pour arriver dans la couche IV. Cela contraste beaucoup avec la trajectoire des NOR qui convergent graduellement vers leur barrel cible. Le nombre de branches radiales que les axones BRL utilisent pour entrer dans le cortex et dans la couche IV est double par rapport aux axones NOR. Parmi ces branches, seules quelques-unes donnent des arborisations, les autres ne sont pas développées et leur morphologie est semblable à celle des branches formées par les axones de la souris normale lors du développement. Deux axones BRL issus de corps cellulaires proches dans le thalamus peuvent avoir une trajectoire très divergente jusqu'à leur entrée dans la couche IV, mais à ce niveau ils sont réorientés pour se retrouver et faire un nombre maximal de branches et boutons synaptiques dans la même région corticale. Dans un cas extrême, un des axones observés est entré dans le cortex à la limite entre l'aire somatosensorielle primaire et secondaire et a parcouru une distance de 2 mm pour retrouver son partenaire thalamique et donner avec celui-ci un nombre maximal de branches dans la même région de la couche IV. 3. Les mesures quantitatives ont montré que les arborisations corticales des axones NOR ont une longueur moyenne de 18mm et sont formées par 200 segments qui portent 1200 boutons synaptiques. Par rapport à la souris NOR, les axones BRL ont en moyenne la même longueur, le même nombre de segments et boutons synaptiques, mais donnent deux fois plus de branches radiales. La surface tangentielle occupée par les arborisations BRL dans la couche IV est 2 fois plus grande que celle des NOR. Cela signifie que les 1000 boutons synaptiques qui caractérisent les arborisations NOR et BRL dans la couche IV sont disséminés sur une surface tangentielle double chez les derniers, et donc que la densité des boutons par unité de surface corticale est en moyenne plus faible. En effet, l'augmentation de la surface corticale tangentielle des BRL est due aux surfaces de faible et moyenne densité synaptique (0 - 8 boutons / 400pn2) qui augmentent 2 fois tandis que les surfaces de haute densité synaptiques (8 - 64 boutons / 4001.tm2) sont les mêmes. Nous émettons l'hypothèse selon laquelle, durant le développement, les ATC de la souris BRL divergent et forment un nombre exubérant de branches. Grâce à cette divergence et aux branches supranuméraires, ils trouvent l'endroit de l'écorce où se trouvent leurs voisins thalamiques et arborisent abondamment dans cette région. Cependant, le déficit en AGI ne leurs permet pas par la suite, sous influence de l'activité périphérique, de retirer les branches qui se trouvent dans les endroits inappropriés de l'écorce, avec de possibles conséquences sur la discrimination tactile.

Roles of transient guidepost neurons in corpus callosum formation and guidance

RESUMENeurones transitoires jouant un rôle de cibles intermédiaires dans le guidage des axones du corps calleuxLe guidage axonal est une étape clé permettant aux neurones d'établir des connexions synaptiques et de s'intégrer dans un réseau neural fonctionnel de manière spécifique. Des cellules-cibles intermédiaires appelées « guidepost » aident les axones à parcourir de longues distances dans le cerveau en leur fournissant des informations directionnelles tout au long de leur trajet. Il a été démontré que des sous-populations de cellules gliales au niveau de la ligne médiane guident les axones du corps calleux (CC) d'un hémisphère vers l'autre. Bien qu'il fût observé que le CC en développement contenait aussi des neurones, leur rôle était resté jusqu'alors inconnu.La publication de nos résultats a montré que pendant le développement embryonnaire, le CC contient des glies mais aussi un nombre considérable de neurones glutamatergiques et GABAergiques, nécessaires à la formation du corps calleux (Niquille et al., PLoS Biology, 2009). Dans ce travail, j'ai utilisé des techniques de morphologie et d'imagerie confocale 3D pour définir le cadre neuro-anatomique de notre modèle. De plus, à l'aide de transplantations sur tranches in vitro, de co-explants, d'expression de siRNA dans des cultures de neurones primaires et d'analyse in vivo sur des souris knock-out, nous avons démontré que les neurones du CC guident les axones callosaux en partie grâce à l'action attractive du facteur de guidage Sema3C sur son récepteur Npn- 1.Récemment, nous avons étudié l'origine, les aspects dynamiques de ces processus, ainsi que les mécanismes moléculaires impliqués dans la mise en place de ce faisceau axonal (Niquille et al., soumis). Tout d'abord, nous avons précisé l'origine et l'identité des neurones guidepost GABAergiques du CC par une étude approfondie de traçage génétique in vivo. J'ai identifié, dans le CC, deux populations distinctes de neurones GABAergiques venant des éminences ganglionnaires médiane (MGE) et caudale (CGE). J'ai ensuite étudié plus en détail les interactions dynamiques entre neurones et axones du corps calleux par microscopie confocale en temps réel. Puis nous avons défini le rôle de chaque sous-population neuronale dans le guidage des axones callosaux et de manière intéressante les neurones GABAergic dérivés de la MGE comme ceux de la CGE se sont révélés avoir une action attractive pour les axones callosaux dans des expériences de transplantation. Enfin, nous avons clarifié la base moléculaire de ces mécanismes de guidage par FACS sorting associé à un large criblage génétique de molécules d'intérêt par une technique très sensible de RT-PCR et ensuite ces résultats ont été validés par hybridation in situ.Nous avons également étudié si les neurones guidepost du CC étaient impliqués dans son agénésie (absence de CC), présente dans nombreux syndromes congénitaux chez 1 humain. Le gène homéotique Aristaless (Arx) contrôle la migration des neurones GABAergiques et sa mutation conduit à de nombreuses pathologies humaines, notamment la lissencéphalie liée à IX avec organes génitaux anormaux (XLAG) et agénésie du CC. Fait intéressant, nous avons constaté qu'ARX est exprimé dans toutes les populations GABAergiques guidepost du CC et que les embryons mutant pour Arx présentent une perte drastique de ces neurones accompagnée de défauts de navigation des axones (Niquille et al., en préparation). En outre, nous avons découvert que les souris déficientes pour le facteur de transcription ciliogenic RFX3 souffrent d'une agénésie du CC associé avec des défauts de mise en place de la ligne médiane et une désorganisation secondaire des neurones glutamatergiques guidepost (Benadiba et al., submitted). Ceci suggère fortement l'implication potentielle des deux types de neurones guidepost dans l'agénésie du CC chez l'humain.Ainsi, mon travail de thèse révèle de nouvelles fonctions pour ces neurones transitoires dans le guidage axonal et apporte de nouvelles perspectives sur les rôles respectifs des cellules neuronales et gliales dans ce processus.ABSTRACTRole of transient guidepost neurons in corpus callosum development and guidanceAxonal guidance is a key step that allows neurons to build specific synaptic connections and to specifically integrate in a functional neural network. Intermediate targets or guidepost cells act as critical elements that help to guide axons through long distance in the brain and provide information all along their travel. Subpopulations of midline glial cells have been shown to guide corpus callosum (CC) axons to the contralateral cerebral hemisphere. While neuronal cells are also present in the developing corpus callosum, their role still remains elusive.Our published results unravelled that, during embryonic development, the CC is populated in addition to astroglia by numerous glutamatergic and GABAergic guidepost neurons that are essential for the correct midline crossing of callosal axons (Niquille et al., PLoS Biology, 2009). In this work, I have combined morphological and 3D confocal imaging techniques to define the neuro- anatomical frame of our system. Moreover, with the use of in vitro transplantations in slices, co- explant experiments, siRNA manipulations on primary neuronal culture and in vivo analysis of knock-out mice we have been able to demonstrate that CC neurons direct callosal axon outgrowth, in part through the attractive action of Sema3C on its Npn-1 receptor.Recently, we have studied the origin, the dynamic aspects of these processes as well as the molecular mechanisms involved in the establishment of this axonal tract (Niquille et al., submitted). First, we have clarified the origin and the identity of the CC GABAergic guidepost neurons using extensive in vivo cell fate-mapping experiments. We identified two distinct GABAergic neuronal subpopulations, originating from the medial (MGE) and caudal (CGE) ganglionic eminences. I then studied in more details the dynamic interactions between CC neurons and callosal axons by confocal time-lapse video microscopy and I have also further characterized the role of each guidepost neuronal subpopulation in callosal guidance. Interestingly, MGE- and CGE-derived GABAergic neurons are both attractive for callosal axons in transplantation experiments. Finally, we have dissected the molecular basis of these guidance mechanisms by using FACS sorting combined with an extensive genetic screen for molecules of interest by a sensitive RT-PCR technique, as well as, in situ hybridization.I have also investigated whether CC guidepost neurons are involved in agenesis of the CC which occurs in numerous human congenital syndromes. Aristaless-related homeobox gene (Arx) regulates GABAergic neuron migration and its mutation leads to numerous human pathologies including X-linked lissencephaly with abnormal genitalia (XLAG) and severe CC agenesis. Interestingly, I found that ARX is expressed in all the guidepost GABAergic neuronal populations of the CC and that Arx-/- embryos exhibit a drastic loss of CC GABAergic interneurons accompanied by callosal axon navigation defects (Niquille et al, in preparation). In addition, we discovered that mice deficient for the ciliogenic transcription factor RFX3 suffer from CC agenesis associated with early midline patterning defects and a secondary disorganisation of guidepost glutamatergic neurons (Benadiba et al., submitted). This strongly points out the potential implication of both types of guidepost neurons in human CC agenesis.Taken together, my thesis work reveals novel functions for transient neurons in axonal guidance and brings new perspectives on the respective roles of neuronal and glial cells in these processes.

Expression of SCG10 and stathmin proteins in the rat olfactory system during development and axonal regeneration.

The membrane-associated protein SCG10 is expressed specifically by neuronal cells. Recent experiments have suggested that it promotes neurite outgrowth by increasing microtubule dynamics in growth cones. SCG10 is related to the ubiquitous but neuron-enriched cytosolic protein stathmin. To better understand the role played by SCG10 and stathmin in vivo, we have analyzed the expression and localization of these proteins in both the olfactory epithelium and the olfactory bulb in developing and adult rats, as well as in adult bulbectomized rats. The olfactory epithelium is exceptional in that olfactory receptor neurons constantly regenerate and reinnervate the olfactory bulb throughout animal life-span. SCG10 and stathmin expression in the olfactory receptor neurons was found to be regulated during embryonic and postnatal development and to correlate with neuronal maturation. Whereas SCG10 expression was restricted to immature olfactory receptor neurons (GAP-43-positive, olfactory marker protein-negative), stathmin was also expressed by the basal cells. In the olfactory bulb of postnatal and adult rats, a moderate to strong SCG10 immunoreactivity was present in the olfactory nerve layer, whereas no labeling was detected in the glomerular layer. Olfactory glomeruli also showed no apparent immunoreactivity for several cytoskeletal proteins such as tubulin and microtubule-associated proteins. In unilaterally bulbectomized rats, SCG10 and stathmin were seen to be up-regulated in the regenerating olfactory epithelium at postsurgery stages corresponding to olfactory axon regeneration. Our data strongly suggest that, in vivo, both SCG10 and stathmin may play a role in axonal outgrowth during ontogenesis as well as during axonal regeneration.

Phosphorylated MAP1b, alias MAP5 and MAP1x, is involved in axonal growth and neuronal mitosis.

Microtubule-associated protein 1b, also named MAP5 and MAP1x, is essential for neuronal differentiation. In kitten cerebellum, this protein is partially phosphorylated. During early postnatal development, a phosphorylated form was localized prominently in growing parallel fibres and in mitotic spindles of neuroblasts in the germinal layer, whereas a non-phosphorylated MAP1b form was found in dendrites, perikarya and axons. The MAP1x epitope showed the same immunohistochemical distribution, as seen for phosphorylated MAP1b, while its recognition on immunoblots was independent of phosphorylation. It is concluded that post-translational modifications and conformation of MAP1b influence the immunological detection of MAP1b, and are essential in the neuronal growth processes and mitosis. The antibody against the phosphorylated MAP1b may represent a good marker to identify dividing neurones.

Thyroid hormone enhances transected axonal regeneration and muscle reinnervation following rat sciatic nerve injury.

Improvement of nerve regeneration and functional recovery following nerve injury is a challenging problem in clinical research. We have already shown that following rat sciatic nerve transection, the local administration of triiodothyronine (T3) significantly increased the number and the myelination of regenerated axons. Functional recovery is a sum of the number of regenerated axons and reinnervation of denervated peripheral targets. In the present study, we investigated whether the increased number of regenerated axons by T3-treatment is linked to improved reinnervation of hind limb muscles. After transection of rat sciatic nerves, silicone or biodegradable nerve guides were implanted and filled with either T3 or phosphate buffer solution (PBS). Neuromuscular junctions (NMJs) were analyzed on gastrocnemius and plantar muscle sections stained with rhodamine alpha-bungarotoxin and neurofilament antibody. Four weeks after surgery, most end-plates (EPs) of operated limbs were still denervated and no effect of T3 on muscle reinnervation was detected at this stage of nerve repair. In contrast, after 14 weeks of nerve regeneration, T3 clearly enhanced the reinnervation of gastrocnemius and plantar EPs, demonstrated by significantly higher recovery of size and shape complexity of reinnervated EPs and also by increased acetylcholine receptor (AChRs) density on post synaptic membranes compared to PBS-treated EPs. The stimulating effect of T3 on EP reinnervation is confirmed by a higher index of compound muscle action potentials recorded in gastrocnemius muscles. In conclusion, our results provide for the first time strong evidence that T3 enhances the restoration of NMJ structure and improves synaptic transmission.

Synergistic effect of GDNF and NGF on axonal branching and elongation in vitro.

There is a clinical need to enhance functional recovery of injured peripheral nerves. Local administration of neurotrophic factors (NTFs) after surgical repair has been proposed for this purpose. Little is known, however, on the optimal local dose and dosing frequency of NTFs in a peripheral nerve defect. For increasing our knowledge on biologically relevant local NTFs concentrations and for making available an in vitro assay for assessing the bioactivity of NTFs in connection with implantable localized delivery systems, we developed in this study a bioassay for NTFs, which is based on dorsal root ganglion (DRG) explants from E9 (9 days old) chicken embryos. Axonal elongation and extent of axonal branching was analyzed microscopically after addition of glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) and nerve growth factor (NGF), each alone and in combination. GDNF significantly promoted axonal elongation, but only little axonal branching, whereas NGF induced extensive axonal branching with modest axonal elongation. The combination of GDNF and NGF exerted a synergistic effect on the axonal elongation, axonal branching and growth kinetics. GDNF and NGF also enhanced the expression of their respective functional receptors Ret and TrkA on the DRG neurons. This information should be relevant for the development of implants containing NTFs and on drug therapy of damaged peripheral nerves.

Evoked axonal oxytocin release in the central amygdala attenuates fear response.

The hypothalamic neuropeptide oxytocin (OT), which controls childbirth and lactation, receives increasing attention for its effects on social behaviors, but how it reaches central brain regions is still unclear. Here we gained by recombinant viruses selective genetic access to hypothalamic OT neurons to study their connectivity and control their activity by optogenetic means. We found axons of hypothalamic OT neurons in the majority of forebrain regions, including the central amygdala (CeA), a structure critically involved in OT-mediated fear suppression. In vitro, exposure to blue light of channelrhodopsin-2-expressing OT axons activated a local GABAergic circuit that inhibited neurons in the output region of the CeA. Remarkably, in vivo, local blue-light-induced endogenous OT release robustly decreased freezing responses in fear-conditioned rats. Our results thus show widespread central projections of hypothalamic OT neurons and demonstrate that OT release from local axonal endings can specifically control region-associated behaviors.

Thyroid hormone enhances transected axonal regeneration and muscle reinnervation following rat sciatic nerve injury.

Improvement of nerve regeneration and functional recovery following nerve injury is a challenging problem in clinical research. We have already shown that following rat sciatic nerve transection, the local administration of triiodothyronine (T3) significantly increased the number and the myelination of regenerated axons. Functional recovery is a sum of the number of regenerated axons and reinnervation of denervated peripheral targets. In the present study, we investigated whether the increased number of regenerated axons by T3-treatment is linked to improved reinnervation of hind limb muscles. After transection of rat sciatic nerves, silicone or biodegradable nerve guides were implanted and filled with either T3 or phosphate buffer solution (PBS). Neuromuscular junctions (NMJs) were analyzed on gastrocnemius and plantar muscle sections stained with rhodamine alpha-bungarotoxin and neurofilament antibody. Four weeks after surgery, most end-plates (EPs) of operated limbs were still denervated and no effect of T3 on muscle reinnervation was detected at this stage of nerve repair. In contrast, after 14 weeks of nerve regeneration, T3 clearly enhanced the reinnervation of gastrocnemius and plantar EPs, demonstrated by significantly higher recovery of size and shape complexity of reinnervated EPs and also by increased acetylcholine receptor (AChRs) density on post synaptic membranes compared to PBS-treated EPs. The stimulating effect of T3 on EP reinnervation is confirmed by a higher index of compound muscle action potentials recorded in gastrocnemius muscles. In conclusion, our results provide for the first time strong evidence that T3 enhances the restoration of NMJ structure and improves synaptic transmission.

Glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP) and its receptor (GIPR): cellular localization, lesion-affected expression, and impaired regenerative axonal growth.

Glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP) was initially described to be rapidly regulated by endocrine cells in response to nutrient ingestion, with stimulatory effects on insulin synthesis and release. Previously, we demonstrated a significant up-regulation of GIP mRNA in the rat subiculum after fornix injury. To gain more insight into the lesion-induced expression of GIP and its receptor (GIPR), expression profiles of the mRNAs were studied after rat sciatic nerve crush injury in 1) affected lumbar dorsal root ganglia (DRG), 2) spinal cord segments, and 3) proximal and distal nerve fragments by means of quantitative RT-PCR. Our results clearly identified lesion-induced as well as tissue type-specific mRNA regulation of GIP and its receptor. Furthermore, comprehensive immunohistochemical stainings not only confirmed and exceeded the previous observation of neuronal GIP expression but also revealed corresponding GIPR expression, implying putative modulatory functions of GIP/GIPR signaling in adult neurons. In complement, we also observed expression of GIP and its receptor in myelinating Schwann cells and oligodendrocytes. Polarized localization of GIPR in the abaxonal Schwann cell membranes, plasma membrane-associated GIPR expression of satellite cells, and ependymal GIPR expression strongly suggests complex cell type-specific functions of GIP and GIPR in the adult nervous system that are presumably mediated by autocrine and paracrine interactions, respectively. Notably, in vivo analyses with GIPR-deficient mice suggest a critical role of GIP/GIPR signal transduction in promoting spontaneous recovery after nerve crush, insofar as traumatic injury of GIPR-deficient mouse sciatic nerve revealed impaired axonal regeneration compared with wild-type mice.

Several neuronal and axonal types form long intrinsic connections in the cat primary auditory cortical field (AI).

Intrinsic connections in the cat primary auditory field (AI) as revealed by injections of Phaseolus vulgaris leucoagglutinin (PHA-L) or biocytin, had an anisotropic and patchy distribution. Neurons, labelled retrogradely with PHA-L were concentrated along a dorsoventral stripe through the injection site and rostral to it; the spread of rostrally located neurons was greater after injections into regions of low rather than high characteristic frequencies. The intensity of retrograde labelling varied from weak and granular to very strong and Golgi-like. Out of 313 Golgi like retrogradely labelled neurons 79.6% were pyramidal, 17.2% multipolar, 2.6% bipolar, and 0.6% bitufted; 13.4% were putatively inhibitory, i.e. aspiny or sparsely spiny multipolar, or bitufted. Individual anterogradely labelled intrinsic axons were reconstructed for distances of 2 to 7 mm. Five main types were distinguished on the basis of the branching pattern and the location of synaptic specialisations. Type 1 axons travelled horizontally within layers II to VI and sent collaterals at regular intervals; boutons were only present in the terminal arborizations of these collaterals. Type 2 axons also travelled horizontally within layers II to VI and had rather short and thin collateral branches; boutons or spine-like protrusions occurred in most parts of the axon. Type 3 axons travelled obliquely through the cortex and formed a single terminal arborization, the only site where boutons were found. Type 4 axons travelled for some distance in layer I; they formed a heterogeneous group as to their collaterals and synaptic specializations. Type 5 axons travelled at the interface between layer VI and the white matter; boutons en passant, spine-like protrusions, and thin short branches with boutons en passant were frequent all along their trajectory. Thus, only some axonal types sustain the patchy pattern of intrinsic connectivity, whereas others are involved in a more diffuse connectivity.

Ammonium-induced impairment of axonal growth is prevented through glial creatine.

Hyperammonemia in neonates and infants affects brain development and causes mental retardation. We report that ammonium impaired cholinergic axonal growth and altered localization and phosphorylation of intermediate neurofilament protein in rat reaggregated brain cell primary cultures. This effect was restricted to the phase of early maturation but did not occur after synaptogenesis. Exposure to NH4Cl decreased intracellular creatine, phosphocreatine, and ADP. We demonstrate that creatine cotreatment protected axons from ammonium toxic effects, although this did not restore high-energy phosphates. The protection by creatine was glial cell-dependent. Our findings suggest that the means to efficiently sustain CNS creatine concentration in hyperammonemic neonates and infants should be assessed to prevent impairment of axonogenesis and irreversible brain damage.

Infiltrations épiduro-foraminales versus foraminales sous guidage scanner.

Objectifs: Evaluer l'intérêt d'une double infiltration sous guidage scanner épiduro-foraminale versus foraminale seule dans les conflits disco -radiculaires. Matériels et méthodes: Etude randomisée prospective monocentrique portant sur 110 patients évaluant à J1, J7 et J30 l'évolution clinique par EVA, ODI et prise antalgiques. L'ensembledes interventions est réalisé sous guidage scanner avec opacification de la zone traitée pour confirmer le bon positionnement des corticoïdes . Résultats: Une différence significative (p<0,04) est montrée pour les hernies postéro-latérales avec une meilleure efficacité de l'injection double épidurale et foraminale.Aucune complication majeure n'a été constatée sur les 400 patients eligibles. Conclusion: Les infiltrations sous scanner sont des interventions efficaces et sûres . Le double abord épidural et foraminal présente un intérêt dans les herniespostéro-latérales.

Thyroid hormone enhances transected axonal regeneration and muscle reinnervation following rat sciatic nerve injury.

Improvement of nerve regeneration and functional recovery following nerve injury is a challenging problem in clinical research. We have already shown that following rat sciatic nerve transection, the local administration of triiodothyronine (T3) significantly increased the number and the myelination of regenerated axons. Functional recovery is a sum of the number of regenerated axons and reinnervation of denervated peripheral targets. In the present study, we investigated whether the increased number of regenerated axons by T3-treatment is linked to improved reinnervation of hind limb muscles. After transection of rat sciatic nerves, silicone or biodegradable nerve guides were implanted and filled with either T3 or phosphate buffer solution (PBS). Neuromuscular junctions (NMJs) were analyzed on gastrocnemius and plantar muscle sections stained with rhodamine alpha-bungarotoxin and neurofilament antibody. Four weeks after surgery, most end-plates (EPs) of operated limbs were still denervated and no effect of T3 on muscle reinnervation was detected at this stage of nerve repair. In contrast, after 14 weeks of nerve regeneration, T3 clearly enhanced the reinnervation of gastrocnemius and plantar EPs, demonstrated by significantly higher recovery of size and shape complexity of reinnervated EPs and also by increased acetylcholine receptor (AChRs) density on post synaptic membranes compared to PBS-treated EPs. The stimulating effect of T3 on EP reinnervation is confirmed by a higher index of compound muscle action potentials recorded in gastrocnemius muscles. In conclusion, our results provide for the first time strong evidence that T3 enhances the restoration of NMJ structure and improves synaptic transmission.

Extraction sous guidage scopique et scanner des fuites de ciment para-vertebrale lors des cimentoplasties.

Objectifs: Exposer une nouvelle technique permettant le retrait de ciment extra-vertebral par fuite accidentelle lors du retrait du matériel. Matériels et méthodes: Nous injectons le ciment lorsque sa densité est celle d'une pâte dentifrice pour éviter les passages vasculaires. Lorsque la vertèbre est parfaitement remplie,nous patientons quelques minutes pour éviter la fuite de ciment le long du trajet (environ 4 a 6 cc en moyenne par vertèbre sont injectés). Malgré ces précautions,une fuite de ciment peut survenir lors du retrait du trocart. Cette complication est rare lorsque l'on prend les précautions nécessaires. Cependant, si la pressionintra-vertébrale est importante, le ciment peut être aspiré en dehors de la vertèbre. Résultats: L'aiguille du trocart est retirée pour être remplacée par une pince d'endoscopie 13 gauges. Sous guidage scopique, l'extraction se fait sous contrôle continu ; lapince retirant la fuite de ciment. Conclusion: La connaissance de cette intervention peut être très utile pour les équipes de radiologie interventionnelle , d'orthopédie et de neurochirurgie réalisant desvertébroplasties, pouvant être confrontées à ce type de problèmes.