Astroglial cells derived from lateral and medial midbrain sectors differ in their synthesis and secretion of sulfated glycosaminoglycans

Astroglial cells derived from lateral and medial midbrain sectors differ in their abilities to support neuritic growth of midbrain neurons in cocultures. These different properties of the two types of cells may be related to the composition of their extracellular matrix. We have studied the synthesis and secretion of sulfated glycosaminoglycans (GAGs) by the two cell types under control conditions and ß-D-xyloside-stimulated conditions, that stimulate the ability to synthesize and release GAGs. We have confirmed that both cell types synthesize and secrete heparan sulfate and chondroitin sulfate. Only slight differences were observed between the proportions of the two GAGs produced by the two types of cells after a 24-h labeling period. However, a marked difference was observed between the GAGs produced by the astroglial cells derived from lateral and medial midbrain sectors. The medial cells, which contain derivatives of the tectal and tegmental midline radial glia, synthesized and secreted ~2.3 times more chondroitin sulfate than lateral cells. The synthesis of heparan sulfate was only slightly modified by the addition of ß-D-xyloside. Overall, these results indicate that astroglial cells derived from the two midbrain sectors have marked differences in their capacity to synthesize chondroitin sulfate. Under in vivo conditions or a long period of in vitro culture, they may produce extracellular matrix at concentrations which may differentially affect neuritic growth.

Sulfated proteoglycans as modulators of neuronal migration and axonal decussation in the developing midbrain

Proteoglycans are abundant in the developing brain and there is much circumstantial evidence for their roles in directional neuronal movements such as cell body migration and axonal growth. We have developed an in vitro model of astrocyte cultures of the lateral and medial sectors of the embryonic mouse midbrain, that differ in their ability to support neuritic growth of young midbrain neurons, and we have searched for the role of interactive proteins and proteoglycans in this model. Neurite production in co-cultures reveals that, irrespective of the previous location of neurons in the midbrain, medial astrocytes exert an inhibitory or nonpermissive effect on neuritic growth that is correlated to a higher content of both heparan and chondroitin sulfates (HS and CS). Treatment of astrocytes with chondroitinase ABC revealed a growth-promoting effect of CS on lateral glia but treatment with exogenous CS-4 indicated a U-shaped dose-response curve for CS. In contrast, the growth-inhibitory action of medial astrocytes was reversed by exogenous CS-4. Treatment of astrocytes with heparitinase indicated that the growth-inhibitory action of medial astrocytes may depend heavily on HS by an as yet unknown mechanism. The results are discussed in terms of available knowledge on the binding of HS proteoglycans to interactive proteins, with emphasis on the importance of unraveling the physiological functions of glial glycoconjugates for a better understanding of neuron-glial interactions.

Use of neuron-specific enolase for assessing the severity and outcome of neurological disorders in patients

Neuron-specific enolase (NSE) is a glycolytic enzyme present almost exclusively in neurons and neuroendocrine cells. NSE levels in cerebrospinal fluid (CSF) are assumed to be useful to estimate neuronal injury and clinical outcome of patients with serious clinical manifestations such as those observed in stroke, head injury, anoxic encephalopathy, encephalitis, brain metastasis, and status epilepticus. We compared levels of NSE in serum (sNSE) and in CSF (cNSE) among four groups: patients with meningitis (N = 11), patients with encephalic injuries associated with impairment of consciousness (ENC, N = 7), patients with neurocysticercosis (N = 25), and normal subjects (N = 8). Albumin was determined in serum and CSF samples, and the albumin quotient was used to estimate blood-brain barrier permeability. The Glasgow Coma Scale score was calculated at the time of lumbar puncture and the Glasgow Outcome Scale (GOS) score was calculated at the time of patient discharge or death. The ENC group had significantly higher cNSE (P = 0.01) and albumin quotient (P = 0.005), but not sNSE (P = 0.14), levels than the other groups (Kruskal-Wallis test). Patients with lower GOS scores had higher cNSE levels (P = 0.035) than patients with favorable outcomes. Our findings indicate that sNSE is not sensitive enough to detect neuronal damage, but cNSE seems to be reliable for assessing patients with considerable neurological insult and cases with adverse outcome. However, one should be cautious about estimating the severity of neurological status as well as outcome based exclusively on cNSE in a single patient.

Differentiation of autonomic reflex control begins with cellular mechanisms at the first synapse within the nucleus tractus solitarius

Visceral afferents send information via cranial nerves to the nucleus tractus solitarius (NTS). The NTS is the initial step of information processing that culminates in homeostatic reflex responses. Recent evidence suggests that strong afferent synaptic responses in the NTS are most often modulated by depression and this forms a basic principle of central integration of these autonomic pathways. The visceral afferent synapse is uncommonly powerful at the NTS with large unitary response amplitudes and depression rather than facilitation at moderate to high frequencies of activation. Substantial signal depression occurs through multiple mechanisms at this very first brainstem synapse onto second order NTS neurons. This review highlights new approaches to the study of these basic processes featuring patch clamp recordings in NTS brain slices and optical techniques with fluorescent tracers. The vanilloid receptor agonist, capsaicin, distinguishes two classes of second order neurons (capsaicin sensitive or capsaicin resistant) that appear to reflect unmyelinated and myelinated afferent pathways. The differences in cellular properties of these two classes of NTS neurons indicate clear functional differentiation at both the pre- and postsynaptic portions of these first synapses. By virtue of their position at the earliest stage of these pathways, such mechanistic differences probably impart important differentiation in the performance over the entire reflex pathways.

Mapping and signaling of neural pathways involved in the regulation of hydromineral homeostasis

Several forebrain and brainstem neurochemical circuitries interact with peripheral neural and humoral signals to collaboratively maintain both the volume and osmolality of extracellular fluids. Although much progress has been made over the past decades in the understanding of complex mechanisms underlying neuroendocrine control of hydromineral homeostasis, several issues still remain to be clarified. The use of techniques such as molecular biology, neuronal tracing, electrophysiology, immunohistochemistry, and microinfusions has significantly improved our ability to identify neuronal phenotypes and their signals, including those related to neuron-glia interactions. Accordingly, neurons have been shown to produce and release a large number of chemical mediators (neurotransmitters, neurohormones and neuromodulators) into the interstitial space, which include not only classic neurotransmitters, such as acetylcholine, amines (noradrenaline, serotonin) and amino acids (glutamate, GABA), but also gaseous (nitric oxide, carbon monoxide and hydrogen sulfide) and lipid-derived (endocannabinoids) mediators. This efferent response, initiated within the neuronal environment, recruits several peripheral effectors, such as hormones (glucocorticoids, angiotensin II, estrogen), which in turn modulate central nervous system responsiveness to systemic challenges. Therefore, in this review, we shall evaluate in an integrated manner the physiological control of body fluid homeostasis from the molecular aspects to the systemic and integrated responses.

Perturbing the impulse activity of a single identified neuron augments the formation of long-term memory in a molluscan semi-intact preparation /

The aim of this study was to investigate the neural correlates of operant conditioning in a semi-intact preparation of the pond snail, Lymnaea stagnalis. Lymnaea learns, via operant conditioning, to reduce its aerial respiratory behaviour in response to an aversive tactile stimulus to its open pneumostome. This thesis demonstrates the successful conditioning of na'ive semiintact preparations to show learning in the dish. Furthermore, these conditioned preparations show long-term memory that persists for at least 18 hours. As the neurons that generate this behaviour have been previously identified I can, for the first time, monitor neural activity during both learning and long-term memory consolidation in the same preparation. In particular, I record from the respiratory neuron Right Pedal Dorsal 1 (RPeD 1) which is part of the respiratory central pattern generator. In this study, I demonstrate that preventing RPeDl impulse activity between training sessions reduces the number of sessions needed to produce long-term memory in the present semi-intact preparation.

Neuron participation in a synchrony-encoding assembly

Affiliation: Svetlana Shumikhina &Stéphane Molotchnikoff : Département de Sciences Biologiques, Université de Montréal

Étude ultrastructurale et développementale du récepteur EphA4 dans l’hippocampe du rat

Afin de mieux comprendre l’évolution des fonctions du récepteur EphA4 pendant le développement du système nerveux central (SNC), nous avons étudié sa localisation cellulaire et subcellulaire dans l’hippocampe du rat, d’abord chez l’adulte, puis pendant le développement postnatal, ainsi que ses rôles potentiels dans la genèse, la migration ou la maturation des cellules granulaires dans l’hippocampe adulte. Pour ce faire, nous avons utilisé la méthode d’immunocytochimie en microscopie photonique, électronique et confocale. En microscopie photonique, une forte immunoréactivité (peroxydase/DAB) pour EphA4 est observée aux jours 1 et 7 suivant la naissance (P1 et P7) dans les couches de corps cellulaires, avec un marquage notamment associé à la surface des corps cellulaires des cellules granulaires et pyramidales, ainsi que dans les couches de neuropile du gyrus dentelé et des secteurs CA3 et CA1. L’intensité du marquage diminue progressivement dans les couches de corps cellulaires, entre P7 et P14, pour devenir faible à P21 et chez l’adulte, tandis qu’elle persiste dans les couches de neuropile, sauf celles qui reçoivent des afférences du cortex entorhinal. En microscopie électronique, après marquage à la peroxydase/DAB, EphA4 décore toute la surface des cellules pyramidales et granulaires, du corps cellulaire jusqu’aux extrémités distales, entre P1 et P14, pour devenir confiné aux extrémités synaptiques, c’est-à-dire les terminaisons axonales et les épines dendritiques, à P21 et chez l’adulte. À la membrane plasmique des astrocytes, EphA4 est redistribué comme dans les neurones, marquant le corps cellulaire et ses prolongements proximaux à distaux, à P1 et P7, pour devenir restreint aux prolongements périsynaptiques distaux, à partir de P14. D’autre part, des axones en cours de myélinisation présentent souvent une forte immunoréactivité punctiforme à leur membrane plasmique, à P14 et P21. En outre, dans les neurones et les astrocytes, le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi et les vésicules de transport, organelles impliquées dans la synthèse, la modification posttraductionnelle et le transport des protéines glycosylées, sont aussi marqués, et plus intensément chez les jeunes animaux. Enfin, EphA4 est aussi localisé dans le corps cellulaire et les dendrites des cellules granulaires générées chez l’adulte, au stade de maturation où elles expriment la doublecortine (DCX). De plus, des souris adultes knockouts pour EphA4 présentent des cellules granulaires DCX-positives ectopiques, c’est-à-dire positionnées en dehors de la zone sous-granulaire, ce qui suggère un rôle d’EphA4 dans la régulation de leur migration. Ces travaux révèlent ainsi une redistribution d’EphA4 dans les cellules neuronales et gliales en maturation, suivant les sites cellulaires où un remodelage morphologique s’effectue : les corps cellulaires lorsqu’ils s’organisent en couches, les prolongements dendritiques et axonaux pendant leur croissance, guidage et maturation, puis les épines dendritiques, les terminaisons axonales et les prolongements astrocytaires distaux associés aux synapses excitatrices, jusque chez l’adulte, où la formation de nouvelles synapses et le renforcement des connexions synaptiques existantes sont exercés. Ces localisations pourraient ainsi correspondre à différents rôles d’EphA4, par lesquels il contribuerait à la régulation des capacités plastiques du SNC, selon le stade développemental, la région, l’état de santé, ou l’expérience comportementale de l’animal.

Distribution intracellulaire et trafic des récepteurs à tyrosine kinase EphA4 et EphB2 à la synapse mature dans le système nerveux central murin

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Neuron-Derived Semaphorin 3A is an Early Inducer of Vascular Permeability in Diabetic Retinopathy

La détérioration de la barrière hémato rétinienne et l'oedème maculaire consécutif est une manifestation cardinale de la rétinopathie diabétique (RD) et la caractéristique clinique la plus étroitement associée à la perte de la vue. Alors que l'oedème maculaire affecte plus de 25% des patients souffrant de diabète, les modalités de traitement actuellement disponibles tels que les corticostéroïdes administrés localement et les thérapies anti-VEGF récemment approuvés présentent plusieurs inconvénients. Bien que le lien entre une rupture de l’unité neuro-vasculaire et la pathogénèse de la RD ait récemment été établi, l’influence de la signalisation neuro-vasculaire sur la vasculopathie oculaire diabetique a jusqu’à présent reçu peu d’attention. Ici, à l’aide d’ètudes humaines et animales, nous fournissons la première preuve du rôle essentiel de la molécule de guidage neuronale classique Sémaphorine 3A dans l’instigation de la perméabilité vasculaire maculaire pathologique dans le diabète de type 1. L’étude de la dynamique d’expression de Sémaphorine 3A révèle que cette dernière est induite dans les phases précoces hyperglycèmiques du diabète dans la rétine neuronale et participe à la rupture initiale de la fonction de barrière endothéliale. En utilisant le modèle de souris streptozotocine pour simuler la rétinopathie diabétique humaine, nous avons démontré par une série d’approches analogue que la neutralisation de Sémaphorine 3A empêche de façon efficace une fuite vasculaire rétinienne. Nos résultats identifient une nouvelle cible thérapeutique pour l’oedème maculaire diabétique en plus de fournir d’autres preuves de communication neuro-vasculaire dans la pathogènese de la RD.

Strategies for revascularizing the ischemic retina

Les rétinopathies ischémiques (RI) sont la cause majeure de cécité chez les personnes âgées de moins de 65 ans. Il existe deux types de RIs soit la rétinopathie du prématuré (ROP) ainsi que la rétinopathie diabétique (RD). Les RIs sont décrites en deux phases soit la phase de vasooblitération, marquée par une perte importante de vaisseaux sanguins, et une phase de néovascularisation secondaire à lʼischémie menant à une croissance pathologique de vaisseaux. Cette seconde phase peut générer des complications cliniques telles quʼun oedème dans lʼhumeur vitré ainsi que le détachement de la rétine chez les patients déjà atteints dʼune RI. Les traitements approuvés pour les RIs visent à réduire la formation des vaisseaux pathologiques ou lʼoedème; mais ceux-ci malheureusement ne règlent pas les problèmes sous-jacents tels que la perte vasculaire et lʼischémie. La rétine est un tissu hautement vascularisé qui contribue à lʼirrigation et à lʼhoméostasie des neurones. Lʼinteraction neurovasculaire, comprenant de neurones, vaisseaux et cellules gliales, contribue au maintien de cette homéostasie. Durant le développement, les neurones et les cellules gliales jouent un rôle important dans la vascularisation de la rétine en sécrétant des facteurs qui stimulent l'angiogenèse. Cependant, nos connaissances sur lʼinteraction neurovasculaire dans les RIs sont limitées. En identifiant les interactions importantes entre les cellules composant cette unité neurovasculaire dans la rétine, nous pourrons viser des cibles qui engendreront une revascularisation seine afin de diminuer les signes pathologiques chez les patients atteints dʼune RI. Les travaux présentés dans cette thèse visent à mieux expliquer cette interaction neurovasculaire en soulignant des concepts importants propres aux RIs. En utilisant un modèle de rétinopathie induite par lʼoxygène chez la souris, qui reproduit les caractéristiques importantes de la ROP (et en certaines instances, la RD), nous identifions quelques molécules clés jouant un rôle significatif dans les RIs soit la sémaphorine 3A (sema3A), lʼIL-1β, ainsi que le récepteur PAR2. Nos résultats démontrent que Sema3A, sécrétée par les cellules ganglionnaires rétiniennes (CGRs) durant une ischémie, empêche la revascularisation normale et que cette expression est induite par lʼIL-1β provenant des microglies activées. En bloquant Sema3A directement ou via lʼinhibition de lʼIL- 1β, nous remarquons une revascularisation seine ainsi quʼune diminution importante des vaisseaux pathologiques. Cela nous indique que Sema3A est impliquée dans la guidance vasculaire et quʼelle contribue à la pathogenèse des RIs. Lʼactivation de façon exogène de PAR2, identifié aussi comme régulateur du récepteur de lʼIL-1β (IL- 1RI) sur les CGRs, se traduit par une diminution séquentielle de lʼIL-1RI et de Sema3A ce qui mène également à une revascularisation seine. En conclusion, ces travaux soulignent lʼimportance de lʼinteraction neurovasculaire ainsi que la guidance vasculaire dans les RIs. Ils renforcent lʼimportance de la communication entre neurone, vaisseau et microglie dans la pathogenèse des RIs. Finalement, nous identifions quelques molécules clés qui pourront servir comme cibles afin de lutter contre lʼischémie qui cause des problèmes vasculaires chez les patients atteints dʼune RI.

L’altération des interactions neurone-glie à la jonction neuromusculaire de souris âgées

Durant le vieillissement, l’ensemble des fonctions de l’organisme se détériore, que ce soit aussi bien au niveau moteur que cognitif. Le vieillissement s’accompagne d’une diminution de la force, ainsi que de la masse musculaire. Des études récentes tendent à montrer que cette perte de masse musculaire que l’on appelle sarcopénie aurait pour origine un dérèglement de la jonction neuromusculaire. Les changements au niveau du présynaptique et du post synaptiques lors du vieillissement normal font l’objet de plusieurs études, mais les changements relatifs aux cellules de Schwann périsynaptique sont très peu connus. Le but de cette étude est donc d’analyser les modifications des interactions neurone-glie à la jonction neuromusculaire. Dans cette étude, nous montrons que certaines fonctions des cellules gliales de la synapse âgée sont déréglées, en particulier, le type de récepteurs activés par une stimulation nerveuse à haute fréquence. D’autre part, nos résultats montrent que les mécanismes responsables de l’augmentation de la transmission synaptique suite à cette stimulation nerveuse à haute fréquence sont altérés à la synapse âgée. Enfin, outre les modifications de la terminaison axonale et de la fibre musculaire, les cellules gliales montrent des signes de réorganisation structurelle propre à une synapse en réparation. Ces résultats montrent que le fonctionnement de la jonction neuromusculaire et a fortiori les interactions neurones-glie sont altérées lors du vieillissement normal.

Analysis of intrinsic cardiac neuron activity in relation to neurogenic atrial fibrillation and vagal stimulation

La fibrillation auriculaire est le trouble du rythme le plus fréquent chez l'homme. Elle conduit souvent à de graves complications telles que l'insuffisance cardiaque et les accidents vasculaires cérébraux. Un mécanisme neurogène de la fibrillation auriculaire mis en évidence. L'induction de tachyarythmie par stimulation du nerf médiastinal a été proposée comme modèle pour étudier la fibrillation auriculaire neurogène. Dans cette thèse, nous avons étudié l'activité des neurones cardiaques intrinsèques et leurs interactions à l'intérieur des plexus ganglionnaires de l'oreillette droite dans un modèle canin de la fibrillation auriculaire neurogène. Ces activités ont été enregistrées par un réseau multicanal de microélectrodes empalé dans le plexus ganglionnaire de l'oreillette droite. L'enregistrement de l'activité neuronale a été effectué continument sur une période de près de 4 heures comprenant différentes interventions vasculaires (occlusion de l'aorte, de la veine cave inférieure, puis de l'artère coronaire descendante antérieure gauche), des stimuli mécaniques (toucher de l'oreillette ou du ventricule) et électriques (stimulation du nerf vague ou des ganglions stellaires) ainsi que des épisodes induits de fibrillation auriculaire. L'identification et la classification neuronale ont été effectuées en utilisant l'analyse en composantes principales et le partitionnement de données (cluster analysis) dans le logiciel Spike2. Une nouvelle méthode basée sur l'analyse en composante principale est proposée pour annuler l'activité auriculaire superposée sur le signal neuronal et ainsi augmenter la précision de l'identification de la réponse neuronale et de la classification. En se basant sur la réponse neuronale, nous avons défini des sous-types de neurones (afférent, efférent et les neurones des circuits locaux). Leur activité liée à différents facteurs de stress nous ont permis de fournir une description plus détaillée du système nerveux cardiaque intrinsèque. La majorité des neurones enregistrés ont réagi à des épisodes de fibrillation auriculaire en devenant plus actifs. Cette hyperactivité des neurones cardiaques intrinsèques suggère que le contrôle de cette activité pourrait aider à prévenir la fibrillation auriculaire neurogène. Puisque la stimulation à basse intensité du nerf vague affaiblit l'activité neuronale cardiaque intrinsèque (en particulier pour les neurones afférents et convergents des circuits locaux), nous avons examiné si cette intervention pouvait être appliquée comme thérapie pour la fibrillation auriculaire. Nos résultats montrent que la stimulation du nerf vague droit a été en mesure d'atténuer la fibrillation auriculaire dans 12 des 16 cas malgré un effet pro-arythmique défavorable dans 1 des 16 cas. L'action protective a diminué au fil du temps et est devenue inefficace après ~ 40 minutes après 3 minutes de stimulation du nerf vague.

Role of Rab5 in synaptic vesicle recycling

During synaptic transmission, NT-filled synaptic vesicles are released by Ca2+-triggered exocytosis at the active zone. Following exocytosis, SV membrane is immediately re-internalized and synaptic vesicles (SVs) are regenerated by a local recycling mechanism within the presynaptic terminal. It is debated whether an endosomal compartment is involved in this recycling process. In contrast, it is well known from cultured mammalian cells, that endocytic vesicles fuse to the early sorting endosome. The early endosome is a major sorting station of the cell where cargo is send into the degradative pathway to late endosome and lysosome or towards recycling. Each trafficking step is mediated by a certain protein of the Rab family. Rab proteins are small GTPases belonging to the Ras superfamily. They accumulate at their target compartments and have thereby been used as markers for the different endocytic organelles in cultured mammalian cells. Rab5 controls trafficking from the PM to the early endosome and has thereby been used as marker for this compartment. A second marker is based on the specific binding of the FYVE zinc finger protein domain to the lipid PI(3)P that is specifically generated at the early endosomal membrane. This study used the Drosophila NMJ as a model system to investigate the SV recycling process. In particular, three questions were addressed: First, is an endosomal compartment present at the synapse? Second, do SVs recycle through an endosome? Third, is Rab5 involved in SV recycling? We used GFP fusions of Rab5 and 2xFYVE to visualize endosomal compartments at the presynaptic terminal of Drosophila third instar larval NMJs. Furthermore, the endosomes are located within the pool of recycling SVs, labeled with the styryl-dye FM5-95. Using the temperature-sensitive mutation in Dynamin, shibirets, we showed that SV recycling involves trafficking through an intermediate endosomal compartment. In cultured mammalian cells, interfering with Rab5 function by expressing the dominant negative version, Rab5SN causes the fragmentation of the endosome and the accumulation of endocytic vesicles. In contrast, when Rab5 is overexpressed enlarged endosomal compartments were observed. In Drosophila, the endosomal compartment was disrupted when loss of function and dominant negative mutants of Rab5 were expressed. In addition, at the ultrastructural we observed an accumulation of endocytic vesicles in Rab5S43N expressing terminals and enlarged endosomes when Rab5 was overexpressed. Furthermore, interfering with Rab5 function using the dominant negative Rab5S43N caused a decrease in the SV recycling kinetics as shown by FM1-43 experiments. In contrast, overexpression of Rab5 or GFP-Rab5 caused an increase in the FM1-43 internalization rate. Finally, standard electrophysiological techniques were used to measure synaptic function. We found that the Rab5-mediated endosomal SV recycling pathway generates vesicles with a higher fusion efficacy during Ca2+-triggered release, compared to SVs recycled when Rab5 function was impaired. We therefore suggest a model in which the endosome serves as organelle to control the SV fusion efficacy and thereby the synaptic strength. Since changes in the synaptic strength are occuring during learning and memory processes, controlling endosomal SV recycling might be a new molecular mechanism involved in learning and memory.