Développement d'une méthode de quantification des varicosités synaptiques et asynaptiques établies par les neurones dopaminergiques

Les neurones dopaminergiques (DA) de la substance noire compacte (SNc) et de l’aire tegmentaire ventrale (ATV) développent des contacts de type synaptique et non synaptique. Malgré de nombreux travaux sur la synaptogénèse en général, aucune méthode autre que la microscopie électronique, n’a été développée pour quantifier les varicosités synaptiques et asynaptiques issues des neurones DA. L’objectif principal de ce projet était de développer une méthode d’analyse et de quantification des varicosités synaptiques et asynaptiques des neurones DA. L’hypothèse proposée est qu’il devait être possible de détecter la présence de synapses en visualisant la colocalisation d’une protéine présynaptique telle que synaptotagmine 1 (SYT1) avec un marqueur post-synaptique tel que la postsynaptic density protein 95 (PSD95). Pour ce faire, nous avons préparé des cultures primaires de neurones DA à l’aide d’une lignée de souris transgéniques exprimant la protéine fluorescente verte (GFP) sous le contrôle du promoteur de la tyrosine hydroxyalse (TH). Nous avons ensuite visualisé les terminaisons axonales à l'aide de marquages immunocytochimiques de protéines pré et post-synaptiques. L’analyse quantitative des images a été effectuée avec le logiciel de traitement d’image Image-J. Nos résultats montrent que, via l’association d’un marqueur présynaptique tel que SYT1 avec un marqueur postsynaptique tel que PSD95, seule une minorité des terminaisons établies par les neurones DA sont de type synaptique. En contraste, des neurones glutamatergiques du cortex, établissent une majorité de terminaisons associées à un marqueur postsynaptique. Nos résultats valident donc la mise en place d'une technique d'analyse permettant de quantifier la proportion de terminaisons synaptiques et asynaptiques établies par les neurones DA.

Implication de Syngap1 dans la transmission GABAergique et la plasticité synaptique

La déficience intellectuelle affecte de 1 à 3% de la population mondiale, ce qui en fait le trouble cognitif le plus commun de l’enfance. Notre groupe à découvert que des mutations dans le gène SYNGAP1 sont une cause fréquente de déficience intellectuelle non-syndromique, qui compte pour 1-3% de l’ensemble des cas. À titre d’exemple, le syndrome du X fragile, qui est la cause monogénique la plus fréquente de déficience intellectuelle, compte pour environ 2% des cas. Plusieurs patients affectés au niveau de SYNGAP1 présentent également des symptômes de l’autisme et d’une forme d’épilepsie. Notre groupe a également montré que SYNGAP1 cause la déficience intellectuelle par un mécanisme d’haploinsuffisance. SYNGAP1 code pour une protéine exprimée exclusivement dans le cerveau qui interagit avec la sous-unité GluN2B des récepteurs glutamatergique de type NMDA (NMDAR). SYNGAP1 possède une activité activatrice de Ras-GTPase qui régule négativement Ras au niveau des synapses excitatrices. Les souris hétérozygotes pour Syngap1 (souris Syngap1+/-) présentent des anomalies de comportement et des déficits cognitifs, ce qui en fait un bon modèle d’étude. Plusieurs études rapportent que l’haploinsuffisance de Syngap1 affecte le développement cérébral en perturbant l’activité et la plasticité des neurones excitateurs. Le déséquilibre excitation/inhibition est une théorie émergente de l’origine de la déficience intellectuelle et de l’autisme. Cependant, plusieurs groupes y compris le nôtre ont rapporté que Syngap1 est également exprimé dans au moins une sous-population d’interneurones GABAergiques. Notre hypothèse était donc que l’haploinsuffisance de Syngap1 dans les interneurones contribuerait en partie aux déficits cognitifs et au déséquilibre d’excitation/inhibition observés chez les souris Syngap1+/-. Pour tester cette hypothèse, nous avons généré un modèle de souris transgéniques dont l’expression de Syngap1 a été diminuée uniquement dans les interneurones dérivés des éminences ganglionnaires médianes qui expriment le facteur de transcription Nkx2.1 (souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1). Nous avons observé une diminution des courants postsynaptiques inhibiteurs miniatures (mIPSCs) au niveau des cellules pyramidales des couches 2/3 du cortex somatosensoriel primaire (S1) et dans le CA1 de l’hippocampe des souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1. Ces résultats supportent donc l’hypothèse selon laquelle la perte de Syngap1 dans les interneurones contribue au déséquilibre d’excitation/inhibition. De manière intéressante, nous avons également observé que les courants postsynaptiques excitateurs miniatures (mEPSCs) étaient augmentés dans le cortex S1, mais diminués dans le CA1 de l’hippocampe. Par la suite, nous avons testé si les mécanismes de plasticité synaptique qui sous-tendraient l’apprentissage étaient affectés par l’haploinsuffisance de Syngap1 dans les interneurones. Nous avons pu montrer que la potentialisation à long terme (LTP) NMDAR-dépendante était diminuée chez les souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1, sans que la dépression à long terme (LTD) NMDAR-dépendante soit affectée. Nous avons également montré que l’application d’un bloqueur des récepteurs GABAA renversait en partie le déficit de LTP rapporté chez les souris Syngap1+/-, suggérant qu’un déficit de désinhibition serait présent chez ces souris. L’ensemble de ces résultats supporte un rôle de Syngap1 dans les interneurones qui contribue aux déficits observés chez les souris affectées par l’haploinsuffisance de Syngap1.

Contribution différentielle de Neuroligine‐1 et d’EphA4 à la régulation du sommeil

Le sommeil est un besoin vital et le bon fonctionnement de l’organisme dépend de la quantité et de la qualité du sommeil. Le sommeil est régulé par deux processus : un processus circadien qui dépend de l’activité des noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus et qui régule le moment durant lequel nous allons dormir, et un processus homéostatique qui dépend de l’activité neuronale et se reflète dans l’intensité du sommeil. En effet, le sommeil dépend de l’éveil qui le précède et plus l’éveil dure longtemps, plus le sommeil est profond tel que mesuré par des marqueurs électroencéphalographiques (EEG). Des études ont montré que le bon fonctionnement de ces deux processus régulateurs du sommeil dépend de la plasticité synaptique. Ainsi, les éléments synaptiques régulant la communication et la force synaptique sont d’importants candidats pour agir sur la physiologie de la régulation du sommeil. Les molécules d’adhésion cellulaire sont des acteurs clés dans les mécanismes de plasticité synaptique. Elles régulent l’activité et la maturation des synapses. Des études ont montré que leur absence engendre des conséquences similaires au manque de sommeil. Le but de ce projet de thèse est d’explorer l’effet de l’absence de deux familles de molécule d’adhésion cellulaire, les neuroligines et la famille des récepteur Eph et leur ligand les éphrines dans les processus régulateurs du sommeil. Notre hypothèse est que l’absence d’un des membres de ces deux familles de molécule affecte les mécanismes impliqués dans le processus homéostatique de régulation du sommeil. Afin de répondre à notre hypothèse, nous avons étudié d’une part l’activité EEG chez des souris mutantes n’exprimant pas Neuroligine‐1 (Nlgn1) ou le récepteur EphA4 en condition normale et après une privation de sommeil. D’autre part, nous avons mesuré les changements moléculaires ayant lieu dans ces deux modèles après privation de sommeil. Au niveau de l’activité EEG, nos résultats montrent que l’absence de Nlgn1 augmente la densité des ondes lentes en condition normale et augment l’amplitude et la pente des ondes lentes après privation de sommeil. Nlgn1 est nécessaire au fonctionnement normal de la synchronie corticale, notamment après une privation de sommeil, lui attribuant ainsi un rôle clé dans l’homéostasie du sommeil. Concernant le récepteur EphA4, son absence affecte la durée du sommeil paradoxal ainsi que l’activité sigma qui dépendent du processus circadien. Nos résultats suggèrent donc que ce récepteur est un élément important dans la régulation circadienne du sommeil. Les changements transcriptionnels en réponse à la privation de sommeil des souris n’exprimant pas Nlgn1 et EphA4 ne sont pas différents des souris sauvages. Toutefois, nous avons montré que la privation de sommeil affectait la distribution des marques épigénétiques sur le génome, tels que la méthylation et l’hydroxyméthylation, et que l’expression des molécules régulant ces changements est modifiée chez les souris mutantes pour le récepteur EphA4. Nos observations mettent en évidence que les molécules d’adhésion cellulaire, Nlgn1 et le récepteur EphA4, possèdent un rôle important dans les processus homéostatique et circadien du sommeil et contribuent de manière différente à la régulation du sommeil.

Bases moléculaires et cellulaires d’un trouble neurodéveloppemental causé par l’haploinsuffisance de SYNGAP1.

La déficience intellectuelle est la cause d’handicap la plus fréquente chez l’enfant. De nombreuses évidences convergent vers l’idée selon laquelle des altérations dans les gènes synaptiques puissent expliquer une fraction significative des affections neurodéveloppementales telles que la déficience intellectuelle ou encore l’autisme. Jusqu’à récemment, la majorité des mutations associées à la déficience intellectuelle a été liée au chromosome X ou à la transmission autosomique récessive. D’un autre côté, plusieurs études récentes suggèrent que des mutations de novo dans des gènes à transmission autosomique dominante, requis dans les processus de la plasticité synaptique peuvent être à la source d’une importante fraction des cas de déficience intellectuelle non syndromique. Par des techniques permettant la capture de l’exome et le séquençage de l’ADN génomique, notre laboratoire a précédemment reporté les premières mutations pathogéniques dans le gène à transmission autosomique dominante SYNGAP1. Ces dernières ont été associées à des troubles comportementaux tels que la déficience intellectuelle, l’inattention, des problèmes d’humeur, d’impulsivité et d’agressions physiques. D’autres patients sont diagnostiqués avec des troubles autistiques et/ou des formes particulières d’épilepsie généralisée. Chez la souris, le knock-out constitutif de Syngap1 (souris Syngap1+/-) résulte en des déficits comme l’hyperactivité locomotrice, une réduction du comportement associée à l’anxiété, une augmentation du réflexe de sursaut, une propension à l’isolation, des problèmes dans le conditionnement à la peur, des troubles dans les mémoires de travail, de référence et social. Ainsi, la souris Syngap1+/- représente un modèle approprié pour l’étude des effets délétères causés par l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur le développement de circuits neuronaux. D’autre part, il est de première importance de statuer si les mutations humaines aboutissent à l’haploinsuffisance de la protéine. SYNGAP1 encode pour une protéine à activité GTPase pour Ras. Son haploinsuffisance entraîne l’augmentation des niveaux d’activité de Ras, de phosphorylation de ERK, cause une morphogenèse anormale des épines dendritiques et un excès dans la concentration des récepteurs AMPA à la membrane postsynaptique des neurones excitateurs. Plusieurs études suggèrent que l’augmentation précoce de l’insertion des récepteurs AMPA au sein des synapses glutamatergiques contribue à certains phénotypes observés chez la souris Syngap1+/-. En revanche, les conséquences de l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur les circuits neuronaux GABAergiques restent inconnues. Les enjeux de mon projet de PhD sont: 1) d’identifier l’impact de mutations humaines dans la fonction de SYNGAP1; 2) de déterminer si SYNGAP1 contribue au développement et à la fonction des circuits GABAergiques; 3) de révéler comment l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux circuits GABAergiques affecte le comportement et la cognition. Nous avons publié les premières mutations humaines de type faux-sens dans le gène SYNGAP1 (c.1084T>C [p.W362R]; c.1685C>T [p.P562L]) ainsi que deux nouvelles mutations tronquantes (c.2212_2213del [p.S738X]; c.283dupC [p.H95PfsX5]). Ces dernières sont toutes de novo à l’exception de c.283dupC, héritée d’un père mosaïque pour la même mutation. Dans cette étude, nous avons confirmé que les patients pourvus de mutations dans SYNGAP1 présentent, entre autre, des phénotypes associés à des troubles comportementaux relatifs à la déficience intellectuelle. En culture organotypique, la transfection biolistique de l’ADNc de Syngap1 wild-type dans des cellules pyramidales corticales réduit significativement les niveaux de pERK, en fonction de l’activité neuronale. Au contraire les constructions plasmidiques exprimant les mutations W362R, P562L, ou celle précédemment répertoriée R579X, n’engendre aucun effet significatif sur les niveaux de pERK. Ces résultats suggèrent que ces mutations faux-sens et tronquante résultent en la perte de la fonction de SYNGAP1 ayant fort probablement pour conséquences d’affecter la régulation du développement cérébral. Plusieurs études publiées suggèrent que les déficits cognitifs associés à l’haploinsuffisance de SYNGAP1 peuvent émerger d’altérations dans le développement des neurones excitateurs glutamatergiques. Toutefois, si, et auquel cas, de quelle manière ces mutations affectent le développement des interneurones GABAergiques résultant en un déséquilibre entre l’excitation et l’inhibition et aux déficits cognitifs restent sujet de controverses. Par conséquent, nous avons examiné la contribution de Syngap1 dans le développement des circuits GABAergiques. A cette fin, nous avons généré une souris mutante knockout conditionnelle dans laquelle un allèle de Syngap1 est spécifiquement excisé dans les interneurones GABAergiques issus de l’éminence ganglionnaire médiale (souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+). En culture organotypique, nous avons démontré que la réduction de Syngap1 restreinte aux interneurones inhibiteurs résulte en des altérations au niveau de leur arborisation axonale et dans leur densité synaptique. De plus, réalisés sur des coupes de cerveau de souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+, les enregistrements des courants inhibiteurs postsynaptiques miniatures (mIPSC) ou encore de ceux évoqués au moyen de l’optogénétique (oIPSC) dévoilent une réduction significative de la neurotransmission inhibitrice corticale. Enfin, nous avons comparé les performances de souris jeunes adultes Syngap1+/-, Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ à celles de leurs congénères contrôles dans une batterie de tests comportementaux. À l’inverse des souris Syngap1+/-, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ ne présentent pas d’hyperactivité locomotrice, ni de comportement associé à l’anxiété. Cependant, elles démontrent des déficits similaires dans la mémoire de travail et de reconnaissance sociale, suggérant que l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux interneurones GABAergiques dérivés de l’éminence ganglionnaire médiale récapitule en partie certains des phénotypes cognitifs observés chez la souris Syngap1+/-. Mes travaux de PhD établissent pour la première fois que les mutations humaines dans le gène SYNGAP1 associés à la déficience intellectuelle causent la perte de fonction de la protéine. Mes études dévoilent, également pour la première fois, l’influence significative de ce gène dans la régulation du développement et de la fonction des interneurones. D’admettre l’atteinte des cellules GABAergiques illustre plus réalistement la complexité de la déficience intellectuelle non syndromique causée par l’haploinsuffisance de SYNGAP1. Ainsi, seule une compréhension raffinée de cette condition neurodéveloppementale pourra mener à une approche thérapeutique adéquate.

A pattern recognition approach to complex networks

Complex networks exist in many areas of science such as biology, neuroscience, engineering, and sociology. The growing development of this area has led to the introduction of several topological and dynamical measurements, which describe and quantify the structure of networks. Such characterization is essential not only for the modeling of real systems but also for the study of dynamic processes that may take place in them. However, it is not easy to use several measurements for the analysis of complex networks, due to the correlation between them and the difficulty of their visualization. To overcome these limitations, we propose an effective and comprehensive approach for the analysis of complex networks, which allows the visualization of several measurements in a few projections that contain the largest data variance and the classification of networks into three levels of detail, vertices, communities, and the global topology. We also demonstrate the efficiency and the universality of the proposed methods in a series of real-world networks in the three levels.

Dimensões e universo das representações sociais de educação ambiental por discentes em Garanhuns-PE

The research aimed at investigating the dimensions and the universe of social representations of environmental education, as well as identifying the senses and meanings Environmental Education. This study admitted as presumption the education and environment dimensions. In this investigation was adopted as reference the dimension or representation scope of Moscovici. One hundred and twenty (120) students from Public Schools of Basic Education participated of this study and moreover three hundred and twenty-three (323) from Higher Education in the area of the UPE-FACETEG. The following questions were admitted: 1) What are the dimensions/categories that exist in the semantic scope of social representations of the environmental education? 2) What are the senses and meanings of environmental education? 3) The student s representations of Basic Education are similar or different from the Higher Education? The software EVOC helped in the organization of semantic scope for construction of the categories, with support of the contents analysis. The justifications are sorted on lexical classes using the software ALCESTE, through of the speech analyses. The free association of words answered the question dimension/categories and its semantic scope, being: a) Nature/Environment; b) values; c) Attitudes; d) Actions; e) Implications; f) Mediation. Six lexical classes were found with its meanings enumerated in this way: 1.Awareness, as a factor of belief for the preservation of nature and society. The students are clamoring for environmental education in the school, emphasizing the importance of awareness in the development of the respect to the environment linking the education and family; 2. The consciousness-knowledge relationship for the environment-nature preservation. 3. The environment and human interventions, in search of indicators of solutions. 4. Nature /background/ environment and its constituting elements, a thinking of values and an acting for mediation. 5. The human-nature interaction in social representations of environmental education and the symbolic-life size. 6. Nature / environment /, values, attitudes, actions, implications, and mediation in nature-man relationships. The groups more representatives according to these lexical classes were, the Basic Education in the class-4, represented exclusively by the Primary and Secondary Education and the class-6 represented by both two the Basic Education (47,37%) and the Higher Education (52,63%) - History, Pedagogy, Psychology, Mathematics, Language and Literature. The classes 4 and 6 are related to the class-3 which in turn is formed by students of Higher Education (Mathematics, Biology, Pedagogy, Psychology, Language and Literature) and Basic Education (Primary and Secondary Education). The Higher Education is most represented by the lexical classes (1, 2 and 5). The class 2 corresponded to 80% of the researched groups. In the class-1 the biggest representation was concerning to the Psychology, Geography, Biology and Language and Literature courses, whereas the class-5 was best represented by Psychology, Biology, Pedagogy, Language and Literature, Geography and History. From the results, one may conclude that the imagery is nature/environment; that life is the symbolic dimension that permeates the whole imaginary, and that preservation, awareness and respect are inserted in the speech that circulate to protect life

A concepção de criança e desenvolvimento infantil e a coleção Biblioteca de Educação: uma análise das obras escritas pelos psicólogos funcionalistas franco-genebrinos e por Lourenço Filho

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Abordagens bio-inspiradas aplicadas ao estudo da cognição: um encontro entre biologia, psicologia e filosofia

Pós-graduação em Filosofia - FFC

Age, Sex, and Telomere Dynamics in a Long-Lived Seabird with Male-Biased Parental Care

The examination of telomere dynamics is a recent technique in ecology for assessing physiological state and age-related traits from individuals of unknown age. Telomeres shorten with age in most species and are expected to reflect physiological state, reproductive investment, and chronological age. Loss of telomere length is used as an indicator of biological aging, as this detrimental deterioration is associated with lowered survival. Lifespan dimorphism and more rapid senescence in the larger, shorter-lived sex are predicted in species with sexual size dimorphism, however, little is known about the effects of behavioral dimorphism on senescence and life history traits in species with sexual monomorphism. Here we compare telomere dynamics of thick-billed murres (Uria lomvia), a species with male-biased parental care, in two ways: 1) cross-sectionally in birds of known-age (0-28 years) from one colony and 2) longitudinally in birds from four colonies. Telomere dynamics are compared using three measures: the telomere restriction fragment (TRF), a lower window of TRF (TOE), and qPCR. All showed age-related shortening of telomeres, but the TRF measure also indicated that adult female murres have shorter telomere length than adult males, consistent with sex-specific patterns of ageing. Adult males had longer telomeres than adult females on all colonies examined, but chick telomere length did not differ by sex. Additionally, inter-annual telomere changes may be related to environmental conditions; birds from a potentially low quality colony lost telomeres, while those at more hospitable colonies maintained telomere length. We conclude that sex-specific patterns of telomere loss exist in the sexually monomorphic thick-billed murre but are likely to occur between fledging and recruitment. Longer telomeres in males may be related to their homogamous sex chromosomes (ZZ) or to selection for longer life in the care-giving sex. Environmental conditions appeared to be the primary drivers of annual changes in adult birds.

CONFORMATIONAL CHANGES IN THE EXTRACELLULAR DOMAIN OF GLUTAMATE RECEPTORS

The family of membrane protein called glutamate receptors play an important role in the central nervous system in mediating signaling between neurons. Glutamate receptors are involved in the elaborate game that nerve cells play with each other in order to control movement, memory, and learning. Neurons achieve this communication by rapidly converting electrical signals into chemical signals and then converting them back into electrical signals. To propagate an electrical impulse, neurons in the brain launch bursts of neurotransmitter molecules like glutamate at the junction between neurons, called the synapse. Glutamate receptors are found lodged in the membranes of the post-synaptic neuron. They receive the burst of neurotransmitters and respond by fielding the neurotransmitters and opening ion channels. Glutamate receptors have been implicated in a number of neuropathologies like ischemia, stroke and amyotrophic lateral sclerosis. Specifically, the NMDA subtype of glutamate receptors has been linked to the onset of Alzheimer’s disease and the subsequent degeneration of neuronal cells. While crystal structures of AMPA and kainate subtypes of glutamate receptors have provided valuable information regarding the assembly and mechanism of activation; little is known about the NMDA receptors. Even the basic question of receptor assembly still remains unanswered. Therefore, to gain a clear understanding of how the receptors are assembled and how agonist binding gets translated to channel opening, I have used a technique called Luminescence Resonance Energy Transfer (LRET). LRET offers the unique advantage of tracking large scale conformational changes associated with receptor activation and desensitization. In this dissertation, LRET, in combination with biochemical and electrophysiological studies, were performed on the NMDA receptors to draw a correlation between structure and function. NMDA receptor subtypes GluN1 and GluN2A were modified such that fluorophores could be introduced at specific sites to determine their pattern of assembly. The results indicated that the GluN1 subunits assembled across each other in a diagonal manner to form a functional receptor. Once the subunit arrangement was established, this was used as a model to further examine the mechanism of activation in this subtype of glutamate receptor. Using LRET, the correlation between cleft closure and activation was tested for both the GluN1 and GluN2A subunit of the NMDA receptor in response to agonists of varying efficacies. These investigations revealed that cleft closure plays a major role in the mechanism of activation in the NMDA receptor, similar to the AMPA and kainate subtypes. Therefore, suggesting that the mechanism of activation is conserved across the different subtypes of glutamate receptors.

Intracellular chemical messengers and neuronal function: Two examples

Two distinct classes of neurons have been examined in the nervous system of Aplysia. The membrane properties of these neurons are regulated by intracellular signalling molecules in both a short-term and a long-term fashion.^ The role of the phosphatidylinositol cycle in the control of neuronal properties was studied in a class of bursting pacemaker cells, the left upper-quadrant bursting neurons (cells L2, L3, L4, and L6) of the abdominal ganglion of Aplysia. These cells display a regular burst-firing pattern that is controlled by cyclic changes of intracellular Ca$\sp{2+}$ that occur during the bursting rhythm. The characteristic bursting pattern of these neurons occurs within a range of membrane potentials ($-35$ to $-50$ mV) called the pacemaker range. Intracellular pressure injection of inositol 1,4,5-trisphosphate (IP$\sb3$) altered the bursting rhythm of the bursting cells. Injection of IP$\sb3$ induced a brief depolarization that was followed by a long-lasting (2-15 min) hyperpolarization. When cells were voltage-clamped at potentials within the pacemaker range, injection of IP$\sb3$ generally induced a biphasic response that had a total duration of 2-15 min. An initial inward shift in holding current (I$\sb{\rm in}$), which lasted 5-120 sec, was followed by a slow outward shift in holding current (I$\sb{\rm out}$). At membrane potentials more negative than $-40$ mV, I$\sb{\rm in}$ was associated with a small and relatively voltage-independent increase in membrane conductance. I$\sb{\rm in}$ was not blocked by bath application of TTX or Co$\sp{2+}$. Although I$\sb{\rm in}$ was activated by injection of IP$\sb3$, it was not blocked by iontophoretic injection of ethyleneglycol-bis-(beta-aminoethyl ether), N, N$\sp\prime$-tetraacetic acid (EGTA) sufficient to block the Ca$\sp{2+}$-activated inward tail current (I$\sb{\rm B}$).^ Long-term (lasting at least 24 hours) effects of adenylate cyclase activation were examined in a well characterized class of mechanosensory neurons in Aplysia. The injected cells were analyzed 24 hours later by two-electrode voltage-clamp techniques. We found that K$\sp+$ currents of these cells were reduced 24 hours after injection of cAMP. The currents that were reduced by cAMP were very similar to those found to be reduced 24 hours after behavioral sensitization. These results suggest that cAMP is part of the intracellular signal that induces long-term sensitization in Aplysia. (Abstract shortened with permission of author.) ^

Evidence for glutamatergic ganglion cells in the avian retina

This dissertation presents structural, immunochemical and neurochemical evidence for glutamatergic retinotectal synaptic transmission, augmenting and extending previous physiological and anatomical studies. The evidence is especially striking when the laminar patterns of ($\sp3$H) L-glutamate receptor binding, ($\sp3$H) L-glutamate high affinity uptake (HAU) and glutamate immunoreactivity (GLIR) of the dorsal tectum are compared. All show high activity in the tectal SGFS, with a peak in the most superficial laminae of SGFS followed by dip in the b-c region, and a second broad peak in deeper SGFS. Uptake and immunoreactivity bear a stronger resemblance to one another than either does to receptor binding, consistent with the fact that HAU and GLIR are localized in the same structures: glutamatergic terminals, intrinsic cell bodies and their processes. Receptor binding, as attested by the lack of enucleation effects, is a marker of postsynaptic receptors. In summary, these results are consistent with the hypothesis that most of the retinal projection to the optic tectum is glutamatergic: (1) A glutamate/aspartate HAU system exists in the superficial laminae, and it is dependent upon an intact retinal input, as shown developmentally and by retinal ablation; (2) Glutamate-like immunoreactivity appears in retinorecipient tectal regions (partially responsive to enucleation), in cell bodies of retinal ganglion cells and displaced ganglion cells, and in a non-tectal ganglion cell projection, the ectomammilary nucleus; (3) Sodium-independent glutamate receptor binding (which remains unchanged by enucleation) is most intense in the retinorecipient regions of the tectum and the ectomammilary nucleus. This binding is pharmacologically typical of a CNS sensory structure, being dominated by the quisqualate/kainate receptor subclass. Thus, as with other sensory systems, a portion of the retinotectal projection has been shown to include glutamatergic afferents with the distribution and properties expected of the primary projection ^

A pharmacological investigation of noradrenergic receptor mechanisms in neophobia

The dorsal noradrenergic bundle (DB) is a major ascending pathway which originates in the locus coeruleus of the brainstem and projects to the forebrain. The behavioral role of the DB remains unclear, despite a great deal of effort. Selective attention and anxiety are two areas which have been the focus of recent research. Some studies of the DB utilize the neurotoxin 6-hydroxydopamine (6-OHDA), since 6-OHDA injection into this pathway results in greater than 90 percent depletion of cortical and hippocampal norepinephrine (NE). Neophobia, the fear of novelty, has been reported to be either increased or decreased by 6-OHDA lesions of the DB, depending on conditions. The selective attention hypothesis would be supported by increased neophobia after 6-OHDA lesions, while the anxiety hypothesis would be supported by decreased neophobia. We have examined the effects of 6-OHDA DB lesions on neophobia under conditions in which the test environment and/or the test food were novel. We found that the lesion attenuates neophobia, defined as an increased preference for novel food, when both the environment and food were novel. The lesion had no effect on neophobia when only the environment or food was novel.^ We examined the effects of chronic intraventricular NE infusions on behavior in our neophobia test, in sham and 6-OHDA DB lesioned animals. We found that chronic NE infusions into lesioned animals significantly reversed the lesion-induced attenuation of neophobia. Sham/NE infused animals demonstrated a 40 percent greater preference for familiar food compared to sham/saline infused animals. These data suggest that infusions of NE have an effect opposite to lesion-induced attenuation of neophobia. Chronic infusions of the alpha adrenoceptor agonists had no consistent effects on neophobia. The beta adrenoceptor agonist, isoproterenol reversed the lesion-induced attenuation of neophobia but not to a statistically significant degree. Isoproterenol increased neophobia in sham animals. Forskolin, an adenylate cyclase activator, mimicked the effects of NE infusion by significantly reversing the lesion-induced attenuation of neophobia, while increasing neophobia in sham animals. These results suggest that increased release of NE during stress increases neophobia in part by stimulating beta adrenoceptors which activate adenylate cyclase. ^

Multiple site phosphorylation of tyrosine hydroxylase: A potential role for protein kinase C in the regulation of catecholamine synthesis

Tyrosine hydroxylase (TH), the initial and rate limiting enzyme in the catecholaminergic biosynthetic pathway, is phosphorylated on multiple serine residues by multiple protein kinases. Although it has been demonstrated that many protein kinases are capable of phosphorylating and activating TH in vitro, it is less clear which protein kinases participate in the physiological regulation of catecholamine synthesis in situ. These studies were designed to determine if protein kinase C (PK-C) plays such a regulatory role.^ Stimulation of intact bovine adrenal chromaffin cells with phorbol esters results in stimulation of catecholamine synthesis, tyrosine hydroxylase phosphorylation and activation. These responses are both time and concentration dependent, and are specific for those phorbol ester analogues which activate PK-C. RP-HPLC analysis of TH tryptic phosphopeptides indicate that PK-C phosphorylates TH on three putative sites. One of these (pepetide 6) is the same as that phosphorylated by both cAMP-dependent protein kinase (PK-A) and calcium/calmodulin-dependent protein kinase (CaM-K). However, two of these sites (peptides 4 and 7) are unique, and, to date, have not been shown to be phosphorylated by any other protein kinase. These peptides correspond to those which are phosphorylated with a slow time course in response to stimulation of chromaffin cells with the natural agonist acetylcholine. The activation of TH produced by PK-C is most closely correlated with the phosphorylation of peptide 6. But, as evident from pH profiles of tyrosine hydroxylase activity, phosphorylation of peptides 4 and 7 affect the expression of the activation produced by phosphorylation of peptide 6.^ These data support a role for PK-C in the control of TH activity, and suggest a two stage model for the physiological regulation of catecholamine synthesis by phosphorylation in response to cholinergic stimulation. An initial fast response, which appears to be mediated by CaM-K, and a slower, sustained response which appears to be mediated by PK-C. In addition, the multiple site phosphorylation of TH provides a mechanism whereby the regulation of catecholamine synthesis appears to be under the control of multiple protein kinases, and allows for the convergence of multiple, diverse physiological and biochemical signals. ^

Ca++/calmodulin-dependent protein kinase II: Messenger RNA in developing rat brain

Ca$\sp{++}$/calmodulin-dependent protein kinase II (CaM-KII) is highly concentrated in mammalian brain, comprising as much as 2% of the total protein in some regions. In forebrain, CaM-KII has been shown to be enriched in postsynaptic structures where it has been implicated in maintaining cytoskeletal structure, and more recently in signal transduction mechanisms and processes underlying learning and memory. CaM-KII appears to exist as a holoenzyme composed of two related yet distinct subunits, alpha and beta. The ratio of the subunits in the holoenzyme varies with different brain regions and to some degree with subcellular fractions. The two subunits also display distinct developmental profiles. Levels of alpha subunit are not evident at birth but increase dramatically during postnatal development, while levels of beta subunit are readily detected at birth and only gradual increase postnatally. The distinct regional, subcellular and developmental distribution of the two subunits of CaM-KII have prompted us to examine factors involved in regulating the synthesis of the subunit proteins.^ This dissertation addresses the regional and developmental expression of the mRNAs for the individual subunits using in situ hybridization histochemistry and northern slot-blot analysis. By comparing the developmental profile of each mRNA with that of its respective protein, we have determined that initiation of gene transcription is likely the primary site for regulating CaM-KII protein levels. Furthermore, the distinct cytoarchitecture of the hippocampus has allowed us to demonstrate that the alpha, but not beta subunit mRNA is localized in dendrites of certain forebrain neurons. The localization of alpha subunit mRNA at postsynaptic structures, in concert with the accumulation of subunit protein, suggests that dendritic synthesis of CaM-KII alpha subunit may be important for maintaining postsynaptic structure and/or function. ^