Identifying the direct effects of ammonia on the brain.

Elevated concentrations of ammonia in the brain as a result of hyperammonemia leads to cerebral dysfunction involving a spectrum of neuropsychiatric and neurological symptoms (impaired memory, shortened attention span, sleep-wake inversions, brain edema, intracranial hypertension, seizures, ataxia and coma). Many studies have demonstrated ammonia as a major player involved in the neuropathophysiology associated with liver failure and inherited urea cycle enzyme disorders. Ammonia in solution is composed of a gas (NH(3)) and an ionic (NH(4) (+)) component which are both capable of crossing plasma membranes through diffusion, channels and transport mechanisms and as a result have a direct effect on pH. Furthermore, NH(4) (+) has similar properties as K(+) and, therefore, competes with K(+) on K(+) transporters and channels resulting in a direct effect on membrane potential. Ammonia is also a product as well as a substrate for many different biochemical reactions and consequently, an increase in brain ammonia accompanies disturbances in cerebral metabolism. These direct effects of elevated ammonia concentrations on the brain will lead to a cascade of secondary effects and encephalopathy.

Mild hypothermia prevents brain edema and attenuates up-regulation of the astrocytic benzodiazepine receptor in experimental acute liver failure.

BACKGROUND/AIMS: Mild hypothermia has proven useful in the clinical management of patients with acute liver failure. Acute liver failure in experimental animals results in alterations in the expression of genes coding for astrocytic proteins including the "peripheral-type" (astrocytic) benzodiazepine receptor (PTBR), a mitochondrial complex associated with neurosteroid synthesis. To gain further insight into the mechanisms whereby hypothermia attenuates the neurological complications of acute liver failure, we investigated PTBR expression in the brains of hepatic devascularized rats under normothermic (37 degrees C) and hypothermic (35 degrees C) conditions. METHODS: PTBR mRNA was measured using semi-quantitative RT-PCR in cerebral cortical extracts and densities of PTBR sites were measured by quantitative receptor autoradiagraphy. Brain pregnenolone content was measured by radioimmunoassay. RESULTS: At coma stages of encephalopathy, animals with acute liver failure manifested a significant increase of PTBR mRNA levels. Brain pregnenolone content and [(3)H]PK 11195 binding site densities were concomitantly increased. Mild hypothermia prevented brain edema and significantly attenuated the increased receptor expression and pregnenolone content. CONCLUSIONS: These findings suggest that an attenuation of PTBR up-regulation resulting in the prevention of increased brain neurosteroid content represents one of the mechanisms by which mild hypothermia exerts its protective effects in ALF.

Régulation moléculaire de la barrière hémo-encéphalique

La Sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-immune inflammatoire démyélinisante du système nerveux central (SNC), lors de laquelle des cellules inflammatoires du sang périphérique infiltrent le SNC pour y causer des dommages cellulaires. Dans ces réactions neuroinflammatoires, les cellules immunitaires traversent le système vasculaire du SNC, la barrière hémo-encéphalique (BHE), pour avoir accès au SNC et s’y accumuler. La BHE est donc la première entité que rencontrent les cellules inflammatoires du sang lors de leur migration au cerveau. Ceci lui confère un potentiel thérapeutique important pour influencer l’infiltration de cellules du sang vers le cerveau, et ainsi limiter les réactions neuroinflammatoires. En effet, les interactions entre les cellules immunitaires et les parois vasculaires sont encore mal comprises, car elles sont nombreuses et complexes. Différents mécanismes pouvant influencer la perméabilité de la BHE aux cellules immunitaires ont été décrits, et représentent aujourd’hui des cibles potentielles pour le contrôle des réactions neuro-immunes. Cette thèse a pour objectif de décrire de nouveaux mécanismes moléculaires opérant au niveau de la BHE qui interviennent dans les réactions neuroinflammatoires et qui ont un potentiel thérapeutique pour influencer les interactions neuro-immunologiques. Ce travail de doctorat est séparé en trois sections. La première section décrit la caractérisation du rôle de l’angiotensine II dans la régulation de la perméabilité de la BHE. La seconde section identifie et caractérise la fonction d’une nouvelle molécule d’adhérence de la BHE, ALCAM, dans la transmigration de cellules inflammatoires du sang vers le SNC. La troisième section traite des propriétés sécrétoires de la BHE et du rôle de la chimiokine MCP-1 dans les interactions entre la BHE et les cellules souches. Dans un premier temps, nous démontrons l’importance de l’angiotensinogène (AGT) dans la régulation de la perméabilité de la BHE. L’AGT est sécrété par les astrocytes et métabolisé en angiotensine II pour pouvoir agir au niveau des CE de la BHE à travers le récepteur à l’angiotensine II, AT1 et AT2. Au niveau de la BHE, l’angiotensine II entraîne la phosphorylation et l’enrichissement de l’occludine au sein de radeaux lipidiques, un phénomène associé à l’augmentation de l’étanchéité de la BHE. De plus, dans les lésions de SEP, on retrouve une diminution de l’expression de l’AGT et de l’occludine. Ceci est relié à nos observations in vitro, qui démontrent que des cytokines pro-inflammatoires limitent la sécrétion de l’AGT. Cette étude élucide un nouveau mécanisme par lequel les astrocytes influencent et augmentent l’étanchéité de la BHE, et implique une dysfonction de ce mécanisme dans les lésions de la SEP où s’accumulent les cellules inflammatoires. Dans un deuxième temps, les techniques établies dans la première section ont été utilisées afin d’identifier les protéines de la BHE qui s’accumulent dans les radeaux lipidiques. En utilisant une technique de protéomique nous avons identifié ALCAM (Activated Leukocyte Cell Adhesion Molecule) comme une protéine membranaire exprimée par les CE de la BHE. ALCAM se comporte comme une molécule d’adhérence typique. En effet, ALCAM permet la liaison entre les cellules du sang et la paroi vasculaire, via des interactions homotypiques (ALCAM-ALCAM pour les monocytes) ou hétérotypiques (ALCAM-CD6 pour les lymphocytes). Les cytokines inflammatoires augmentent le niveau d’expression d’ALCAM par la BHE, ce qui permet un recrutement local de cellules inflammatoires. Enfin, l’inhibition des interactions ALCAM-ALCAM et ALCAM-CD6 limite la transmigration des cellules inflammatoires (monocytes et cellules T CD4+) à travers la BHE in vitro et in vivo dans un modèle murin de la SEP. Cette deuxième partie identifie ALCAM comme une cible potentielle pour influencer la transmigration de cellules inflammatoires vers le cerveau. Dans un troisième temps, nous avons pu démontrer l’importance des propriétés sécrétoires spécifiques à la BHE dans les interactions avec les cellules souches neurales (CSN). Les CSN représentent un potentiel thérapeutique unique pour les maladies du SNC dans lesquelles la régénération cellulaire est limitée, comme dans la SEP. Des facteurs qui limitent l’utilisation thérapeutique des CSN sont le mode d’administration et leur maturation en cellules neurales ou gliales. Bien que la route d’administration préférée pour les CSN soit la voie intrathécale, l’injection intraveineuse représente la voie d’administration la plus facile et la moins invasive. Dans ce contexte, il est important de comprendre les interactions possibles entre les cellules souches et la paroi vasculaire du SNC qui sera responsable de leur recrutement dans le parenchyme cérébral. En collaborant avec des chercheurs de la Belgique spécialisés en CSN, nos travaux nous ont permis de confirmer, in vitro, que les cellules souches neurales humaines migrent à travers les CE humaines de la BHE avant d’entamer leur différenciation en cellules du SNC. Suite à la migration à travers les cellules de la BHE les CSN se différencient spontanément en neurones, en astrocytes et en oligodendrocytes. Ces effets sont notés préférentiellement avec les cellules de la BHE par rapport aux CE non cérébrales. Ces propriétés spécifiques aux cellules de la BHE dépendent de la chimiokine MCP-1/CCL2 sécrétée par ces dernières. Ainsi, cette dernière partie suggère que la BHE n’est pas un obstacle à la migration de CSN vers le SNC. De plus, la chimiokine MCP-1 est identifiée comme un facteur sécrété par la BHE qui permet l’accumulation et la différentiation préférentielle de cellules souches neurales dans l’espace sous-endothélial. Ces trois études démontrent l’importance de la BHE dans la migration des cellules inflammatoires et des CSN vers le SNC et indiquent que de multiples mécanismes moléculaires contribuent au dérèglement de l’homéostasie du SNC dans les réactions neuro-immunes. En utilisant des modèles in vitro, in situ et in vivo, nous avons identifié trois nouveaux mécanismes qui permettent d’influencer les interactions entre les cellules du sang et la BHE. L’identification de ces mécanismes permet non seulement une meilleure compréhension de la pathophysiologie des réactions neuroinflammatoires du SNC et des maladies qui y sont associées, mais suggère également des cibles thérapeutiques potentielles pour influencer l’infiltration des cellules du sang vers le cerveau

Mechanisms of translation regulation in long-term synaptic plasticity

Les souvenirs sont encodés dans le cerveau grâce aux configurations uniques de vastes réseaux neuronaux. Chaque connexion dans ces circuits est apte à être modifiée. Ces changements durables s’opèrent au niveau des synapses grâce à une synthèse de protéines de novo et génèrent ce qu’on nomme des traces mnésiques. Plusieurs preuves indiquent que, dans certaines formes de plasticité synaptique à long terme, cette synthèse a lieu dans les dendrites près des synapses activées plutôt que dans le corps cellulaire. Cependant, les mécanismes qui régulent cette traduction de protéines demeurent encore nébuleux. La phase d’initiation de la traduction est une étape limitante et hautement régulée qui, selon plusieurs chercheurs, constitue la cible principale des mécanismes de régulation de la traduction dans la plasticité synaptique à long terme. Le présent projet de recherche infirme cette hypothèse dans une certaine forme de plasticité synaptique, la dépression à long terme dépendante des récepteurs métabotropiques du glutamate (mGluR-LTD). À l’aide d’enregistrements électrophysiologiques de neurones hippocampiques en culture couplés à des inhibiteurs pharmacologiques, nous montrons que la régulation de la traduction implique les étapes de l’élongation et de la terminaison et non celle de l’initiation. De plus, nous démontrons grâce à des stratégies de knockdown d’expression d’ARN que la protéine de liaison d’ARNm Staufen 2 joue un rôle déterminant dans la mGluR-LTD induite en cultures. Dans leur ensemble, les résultats de la présente étude viennent appuyer un modèle de régulation de la traduction locale de protéines qui est indépendante de l’initiation.

Where there's smoke, there's fire : the brain reactivity of chronic smokers to anti-smoking stimuli

Contexte: Plusieurs études ont démontré que les indices environnementaux associés à la cigarette peuvent provoquer des envies de consommer (« cravings ») chez les fumeurs, ce qui nuit aux efforts d’abandon de la substance et favorise le maintien du tabagisme. Un bon nombre d’études en imagerie cérébrale ont examiné les bases neurophysiologiques de cette caractéristique clinique. Le tabagisme se caractérise aussi par l’incapacité des représentations négatives de la consommation (méfaits médicaux et sociaux) d’influencer la consommation des fumeurs. Étonnamment toutefois, très peu de travaux de recherche se sont intéressés à examiner les bases neurophysiologiques de cette insouciance envers les méfaits de la cigarette chez les fumeurs. En utilisant l'imagerie cérébrale fonctionnelle, l'objectif de cette étude était: d’examiner la réponse neurophysiologique des fumeurs chroniques à des images qui illustrent les effets négatifs de la cigarette (campagne anti-tabac); d’examiner le caractère affectif de cette réactivité utilisant des conditions contrôles (c.-à-d., images aversives non-liées au tabac et appétitives liées au tabac); d'examiner la connectivité fonctionnelle durant cette tâche entre les systèmes affectifs et exécutifs (une interaction qui peut favoriser ou entraver l'impact des évènements aversifs). Méthodes: 30 fumeurs chroniques ont passé une session de neuroimagerie durant laquelle ils devaient regarder des images appétitives et aversives de cigarettes, des images aversives non-reliées au tabac et des images neutres. Résultats: Les images aversives liés au tabagisme suscitent une plus grande activation dans le cortex médial préfrontal, l'amygdale, le gyrus frontal inférieur et le cortex orbitofrontal latéral en comparaison avec les images neutres, mais une moins grande activation dans des structures médiaux / sous-corticales comparé aux images aversives non-reliés et images appétitives reliées aux tabac. L’activité du système exécutif présente une connectivité fonctionnelle négative avec le système affectif lorsque les images aversives sont liées au tabac, mais pas quand elles ne le sont pas. Conclusions: Le modèle d'activation du cerveau observé suggère qu’il y a un biais dans la réactivité des fumeurs chroniques lorsqu’ils observent des représentations négatives de la consommation du tabac. L’activité du système exécutif cérébral semble promouvoir chez les fumeurs une baisse d’activité dans des régions impliquées dans la genèse d’une réponse physiologique affective; il s’agit d’un mécanisme qui permettrait de réduire l’impact persuasif de ces représentations des méfaits de la cigarette sur la consommation des fumeurs.

Early adversity, brain development and emotion processing in monozygotic twins

Il existe actuellement de nombreuses preuves démontrant que des facteurs génétiques et environnementaux interagissent pendant des périodes spécifiques du développement pour rendre une personne vulnérable aux troubles psychologiques via diverses adaptations physiologiques. Cette thèse porte sur l'impact de l’adversité prénatale (représentée par le petit poids à la naissance, PPN) et de l’adversité postnatale précoce (symptômes dépressifs maternels et comportements maternels négatifs), sur le développement du cerveau, particulièrement les régions fronto-limbiques impliquées dans le traitement des émotions, pendant l'enfance et l'adolescence. Des jumeaux monozygotes (MZ) sont utilisés, lorsque possible, afin de contrôler pour les effets génétiques. Les chapitres 1 et 2 présentent les résultats de la vérification de l'hypothèse que l’adversité prénatale et postnatale précoce sont associées à une altération du fonctionnement des régions fronto-limbique tels que l’amygdale, l’hippocampe, l’insula, le cortex cingulaire antérieur et le cortex préfrontal, en réponse à des stimuli émotifs chez des enfants et des adolescents. On observe que les symptômes dépressifs maternels sont associés à une activation plus élevée des régions fronto-limbiques des enfants en réponse à la tristesse. Les résultats de l’étude avec des adolescents suggèrent que le PPN, les symptômes dépressifs et les comportements maternels négatifs sont associés à une fonction altérée des régions fronto-limbiques en réponse à des stimuli émotionnels. Chez les jumeaux MZ on observe également que la discordance intra-paire de PPN et de certains comportements maternels est associée à une discordance intra-paire du fonctionnement du cerveau et que ces altérations diffèrent selon le sexe. Le chapitre 3 présente les résultats de la vérification de l'hypothèse que l’adversité prénatale et postnatale précoce sont associées à un volume total réduit du cerveau et de l’hypothèse que les comportements maternels peuvent servir de médiateur ou de modérateur de l'association entre le PPN et le volume du cerveau. Avec des jumeaux MZ à l’adolescence on observe a) que le PPN est effectivement associé à une diminution du volume total du cerveau et b) que la discordance intra-paire de PPN est associée à une discordance du volume du cerveau. En somme, cette thèse présente un ensemble de résultats qui soutiennent deux hypothèses importantes pour comprendre les effets de l’environnement sur le développement du cerveau : que l’environnement prénatal et postnatal précoce ont un impact sur le développement du cerveau indépendamment du code génétique et que les mécanismes impliqués peuvent différer entre les garçons et les filles. Finalement, l’ensemble de ces résultats sont discutés à la lumière des autres travaux de recherche dans ce domaine et des avenues à explorer pour de la recherche ultérieure sont proposées.