On the existence and function of galanin receptor heteromers in the central nervous system

Galanin receptor (GalR) subtypes 1-3 linked to central galanin neurons may form heteromers with each other and other types of G protein-coupled receptors in the central nervous system (CNS). These heteromers may be one molecular mechanism for galanin peptides and their N-terminal fragments (gal 1-15) to modulate the function of different types of glia-neuronal networks in the CNS, especially the emotional and the cardiovascular networks. GalR-5-HT1A heteromers likely exist with antagonistic GalR-5-HT1A receptor-receptor interactions in the ascending midbrain raphe 5-HT neuron systems and their target regions. They represent a novel target for antidepressant drugs. Evidence is given for the existence of GalR1-5-HT1A heteromers in cellular models with trans-inhibition of the protomer signaling. A GalR1-GalR2 heteromer is proposed to be a galanin N-terminal fragment preferring receptor (1-15) in the CNS. Furthermore, a GalR1-GalR2-5-HT1A heterotrimer is postulated to explain why only galanin (1-15) but not galanin (1-29) can antagonistically modulate the 5-HT1A receptors in the dorsal hippocampus rich in gal fragment binding sites. The results underline a putative role of different types of GalR-5-HT1A heteroreceptor complexes in depression. GalR antagonists may also have therapeutic actions in depression by blocking the antagonistic GalR-NPYY1 receptor interactions in putative GalR-NPYY1 receptor heteromers in the CNS resulting in increases in NPYY1 transmission and antidepressant effects. In contrast the galanin fragment receptor (a postulated GalR1-GalR2 heteromer) appears to be linked to the NPYY2 receptor enhancing the affinity of the NPYY2 binding sites in a putative GalR1-GalR2-NPYY2 heterotrimer. Finally, putative GalR-α2-adrenoreceptor heteromers with antagonistic receptor-receptor interactions may be a widespread mechanism in the CNS for integration of galanin and noradrenaline signals also of likely relevance for depression

Identification of neuronal network properties from the spectral analysis of calcium imaging signals in neuronal cultures

Neuronal networks in vitro are prominent systems to study the development of connections in living neuronal networks and the interplay between connectivity, activity and function. These cultured networks show a rich spontaneous activity that evolves concurrently with the connectivity of the underlying network. In this work we monitor the development of neuronal cultures, and record their activity using calcium fluorescence imaging. We use spectral analysis to characterize global dynamical and structural traits of the neuronal cultures. We first observe that the power spectrum can be used as a signature of the state of the network, for instance when inhibition is active or silent, as well as a measure of the network's connectivity strength. Second, the power spectrum identifies prominent developmental changes in the network such as GABAA switch. And third, the analysis of the spatial distribution of the spectral density, in experiments with a controlled disintegration of the network through CNQX, an AMPA-glutamate receptor antagonist in excitatory neurons, reveals the existence of communities of strongly connected, highly active neurons that display synchronous oscillations. Our work illustrates the interest of spectral analysis for the study of in vitro networks, and its potential use as a network-state indicator, for instance to compare healthy and diseased neuronal networks.

Microtubule-associated protein 6 mediates neuronal connectivity through Semaphorin 3E-dependent signalling for axonal growth.

Structural microtubule associated proteins (MAPs) stabilize microtubules, a property that was thought to be essential for development, maintenance and function of neuronal circuits. However, deletion of the structural MAPs in mice does not lead to major neurodevelopment defects. Here we demonstrate a role for MAP6 in brain wiring that is independent of microtubule binding. We find that MAP6 deletion disrupts brain connectivity and is associated with a lack of post-commissural fornix fibres. MAP6 contributes to fornix development by regulating axonal elongation induced by Semaphorin 3E. We show that MAP6 acts downstream of receptor activation through a mechanism that requires a proline-rich domain distinct from its microtubule-stabilizing domains. We also show that MAP6 directly binds to SH3 domain proteins known to be involved in neurite extension and semaphorin function. We conclude that MAP6 is critical to interface guidance molecules with intracellular signalling effectors during the development of cerebral axon tracts.

3,4-Methylenedioxy-methamphetamine induces in vivo regional up-regulation of central nicotinic receptors in rats and potentiates the regulatory effects of nicotine on these receptors

Nicotine (NIC), the main psychostimulant compound of smoked tobacco, exerts its effects through activation of central nicotinic acetylcholine receptors (nAChR), which become up-regulated after chronic administration. Recent work has demonstrated that the recreational drug 3,4-methylenedioxymethamphetamine (MDMA) has affinity for nAChR and also induces up-regulation of nAChR in PC 12 cells. Tobacco and MDMA are often consumed together. In the present work we studied the in vivo effect of a classic chronic dosing schedule of MDMA in rats, alone or combined with a chronic schedule of NIC, on the density of nAChR and on serotonin reuptake transporters. MDMA induced significant decreases in [3H]paroxetine binding in the cortex and hippocampus measured 24 h after the last dose and these decreases were not modified by the association with NIC. In the prefrontal cortex, NIC and MDMA each induced significant increases in [3H]epibatidine binding (29.5 and 34.6%, respectively) with respect to saline-treated rats, and these increases were significantly potentiated (up to 72.1%) when the two drugs were associated. Also in this area, [3H]methyllycaconitine binding was increased a 42.1% with NIC + MDMA but not when they were given alone. In the hippocampus, MDMA potentiated the a7 regulatory effects of NIC (raising a 25.5% increase to 52.5%) but alone was devoid of effect. MDMA had no effect on heteromeric nAChR in striatum and a coronal section of the midbrain containing superior colliculi, geniculate nuclei, substantia nigra and ventral tegmental area. Specific immunoprecipitation of solubilised receptors suggests that the up-regulated heteromeric nAChRs contain a4 and b2 subunits. Western blots with specific a4 and a7 antibodies showed no significant differences between the groups, indicating that, as reported for nicotine, up-regulation caused by MDMA is due to post-translational events rather than increased receptor synthesis.

Acid-sensing ion channel 1a drives AMPA receptor plasticity following ischemia and acidosis in hippocampal CA1 neurons

The CA1 region of the hippocampus is particularly vulnerable to ischemic damage. While NMDA receptors play a major role in excitotoxicity, it is thought to be exacerbated in this region by two forms of post-ischemic AMPA receptor (AMPAR) plasticity - namely, anoxic long-term potentiation (a-LTP), and a delayed increase in the prevalence of Ca2+ -permeable GluA2-lacking AMPARs (CP-AMPARs). The acid-sensing ion channel 1a (ASIC1a) which is expressed in CA1 pyramidal neurons, is also known to contribute to post-ischemic neuronal death and to physiologically induced LTP. This raises the question - does ASIC1a activation drive the post-ischemic forms of AMPAR plasticity in CA1 pyramidal neurons? We have tested this by examining organotypic hippocampal slice cultures (OHSCs) exposed to oxygen glucose deprivation (OGD), and dissociated cultures of hippocampal pyramidal neurons (HPN) exposed to low pH (acidosis). We find that both a-LTP and the delayed increase in the prevalence of CP-AMPARs are dependent on ASIC1a activation during ischemia. Indeed, acidosis alone is sufficient to induce the increase in CP-AMPARs. We also find that inhibition of ASIC1a channels circumvents any potential neuroprotective benefit arising from block of CP-AMPARs. By demonstrating that ASIC1a activation contributes to post-ischemic AMPAR plasticity, our results identify a functional interaction between acidotoxicity and excitotoxicity in hippocampal CA1 cells, and provide insight into the role of ASIC1a and CP-AMPARs as potential drug targets for neuroprotection. We thus propose that ASIC1a activation can drive certain forms of CP-AMPAR plasticity, and that inhibiting ASIC1a affords neuroprotection.

Neuronal activity controls the antagonistic between PGC-1α and SMRT in regulating antioxidant defences

Transcriptional coactivators and corepressors often have multiple targets and can have opposing actions on transcription and downstream physiological events. The coactivator peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator (PGC)-1α is under-expressed in Huntington's disease and is a regulator of antioxidant defenses and mitochondrial biogenesis. We show that in primary cortical neurons, expression of PGC-1α strongly promotes resistance to excitotoxic and oxidative stress in a cell autonomous manner, whereas knockdown increases sensitivity. In contrast, the transcriptional corepressor silencing mediator of retinoic acid and thyroid hormone receptors (SMRT) specifically antagonizes PGC-1α-mediated antioxidant effects. The antagonistic balance between PGC-1α and SMRT is upset in favor of PGC-1α by synaptic activity. Synaptic activity triggers nuclear export of SMRT reliant on multiple regions of the protein. Concommitantly, synaptic activity post-translationally enhances the transactivating potential of PGC-1α in a p38-dependent manner, as well as upregulating cyclic-AMP response element binding protein-dependent PGC-1α transcription. Activity-dependent targeting of PGC-1α results in enhanced gene expression mediated by the thyroid hormone receptor, a prototypical transcription factor coactivated by PGC-1α and repressed by SMRT. As a consequence of these events, SMRT is unable to antagonize PGC-1α-mediated resistance to oxidative stress in synaptically active neurons. Thus, PGC-1α and SMRT are antagonistic regulators of neuronal vulnerability to oxidative stress. Further, this coactivatorcorepressor antagonism is regulated by the activity status of the cell, with implications for neuronal viability.

A receptor for infectious and cellular prion protein

Prions are an unconventional form of infectious agents composed only of protein and involved in transmissible spongiform encephalopathies in humans and animals. The infectious particle is composed by PrPsc which is an isoform of a normal cellular glycosyl-phosphatidylinositol (GPI) anchored protein, PrPc, of unknown function. The two proteins differ only in conformation, PrPc is composed of 40% a helix while PrPsc has 60% ß-sheet and 20% a helix structure. The infection mechanism is trigged by interaction of PrPsc with cellular prion protein causing conversion of the latter's conformation. Therefore, the infection spreads because new PrPsc molecules are generated exponentially from the normal PrPc. The accumulation of insoluble PrPsc is probably one of the events that lead to neuronal death. Conflicting data in the literature showed that PrPc internalization is mediated either by clathrin-coated pits or by caveolae-like membranous domains. However, both pathways seem to require a third protein (a receptor or a prion-binding protein) either to make the connection between the GPI-anchored molecule to clathrin or to convert PrPc into PrPsc. We have recently characterized a 66-kDa membrane receptor which binds PrPc in vitro and in vivo and mediates the neurotoxicity of a human prion peptide. Therefore, the receptor should have a role in the pathogenesis of prion-related diseases and in the normal cellular process. Further work is necessary to clarify the events triggered by the association of PrPc/PrPsc with the receptor.

The extracellular matrix provides directional cues for neuronal migration during cerebellar development

Normal central nervous system development relies on accurate intrinsic cellular programs as well as on extrinsic informative cues provided by extracellular molecules. Migration of neuronal progenitors from defined proliferative zones to their final location is a key event during embryonic and postnatal development. Extracellular matrix components play important roles in these processes, and interactions between neurons and extracellular matrix are fundamental for the normal development of the central nervous system. Guidance cues are provided by extracellular factors that orient neuronal migration. During cerebellar development, the extracellular matrix molecules laminin and fibronectin give support to neuronal precursor migration, while other molecules such as reelin, tenascin, and netrin orient their migration. Reelin and tenascin are extracellular matrix components that attract or repel neuronal precursors and axons during development through interaction with membrane receptors, and netrin associates with laminin and heparan sulfate proteoglycans, and binds to the extracellular matrix receptor integrins present on the neuronal surface. Altogether, the dynamic changes in the composition and distribution of extracellular matrix components provide external cues that direct neurons leaving their birthplaces to reach their correct final location. Understanding the molecular mechanisms that orient neurons to reach precisely their final location during development is fundamental to understand how neuronal misplacement leads to neurological diseases and eventually to find ways to treat them.

Mineralocorticoid modulation of central angiotensin-induced neuronal activity, water intake and sodium appetite

Central angiotensin II (AngII) stimulates water and salt solution intake. Pretreatment with low-dose mineralocorticoid (DOCA) enhances this AngII-induced intake of salt solutions (the synergy theory) in Wistar and Sprague Dawley rats but not in Fischer rats. This response is mediated via the AT-1 receptor. Electrophysiological experiments using iontophoretic application of AngII and the AT-1 receptor-specific non-peptide antagonist losartan showed excitation of neurons in the preoptic/medial septum region of urethane-anesthetized male Wistar rats. DOCA pretreatment further enhances this neuronal excitation in response to AngII and reduces the responses to losartan. This generated the hypothesis that DOCA-enhanced AngII-induced neuronal excitation is the neural support for the synergy theory. AT-2 receptors modulate these intake responses depending on sodium in the diet, and diuretic-induced dehydration during pregnancy produces a higher salt intake in the offspring. AngII-induced salt and water intakes were tested in offspring from Sprague Dawley mothers with only 1.8% NaCl to drink in which half were treated with furosemide. The important observations were a) the AT-1 antagonist alone suppressed intakes in offspring from mothers not treated with furosemide, b) both AT-1 and AT-2 antagonists suppressed intakes in offspring from furosemide-treated mothers, and c) combined administration of AT-1 and AT-2 antagonists greatly suppressed water intake in offspring from mothers not treated with furosemide. These results suggest that AT-1 and AT-2 receptors have variable properties (receptor number and/or second messengers). Furthermore, the activity and function of these central AngII receptors depend on the background mineralocorticoid levels. The exact mechanism of this influence, however, remains to be determined.

Expression of neuronal nitric oxide synthase in the hippocampal formation in affective disorders

Hippocampal output is increased in affective disorders and is mediated by increased glutamatergic input via N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor and moderated by antidepressant treatment. Activation of NMDA receptors by glutamate evokes the release of nitric oxide (NO) by the activation of neuronal nitric oxide synthase (nNOS). The human hippocampus contains a high density of NMDA receptors and nNOS-expressing neurons suggesting the existence of an NMDA-NO transduction pathway which can be involved in the pathogenesis of affective disorders. We tested the hypothesis that nNOS expression is increased in the human hippocampus from affectively ill patients. Immunocytochemistry was used to demonstrate nNOS-expressing neurons in sections obtained from the Stanley Consortium postmortem brain collection from patients with major depression (MD, N = 15), bipolar disorder (BD, N = 15), and schizophrenia (N = 15) and from controls (N = 15). nNOS-immunoreactive (nNOS-IR) and Nissl-stained neurons were counted in entorhinal cortex, hippocampal CA1, CA2, CA3, and CA4 subfields, and subiculum. The numbers of Nissl-stained neurons were very similar in different diagnostic groups and correlated significantly with the number of nNOS-IR neurons. Both the MD and the BD groups had greater number of nNOS-IR neurons/400 µm² in CA1 (mean ± SEM: MD = 9.2 ± 0.6 and BD = 8.4 ± 0.6) and subiculum (BD = 6.7 ± 0.4) when compared to control group (6.6 ± 0.5) and this was significantly more marked in samples from the right hemisphere. These changes were specific to affective disorders since no changes were seen in the schizophrenic group (6.7 ± 0.8). The results support the current view of the NMDA-NO pathway as a target for the pathophysiology of affective disorders and antidepressant drug development.

Novel molecular mechanisms of neuronal and vascular protection in experimental glaucoma

Le glaucome est la deuxième cause de cécité irréversible dans le monde. La perte de vision qui se produit lors du glaucome s’explique par une dégénérescence du nerf optique et une mort progressive et sélective des cellules ganglionnaires de la rétine (CRG). L'hypertension oculaire est un facteur de risque majeur dans le glaucome, mais des défauts du champ visuel continuent à se développer chez un contingent de patients malgré l'administration de médicaments qui abaissent la pression intraoculaire (PIO). Par conséquent, bien que la PIO représente le seul facteur de risque modifiable dans le développement du glaucome, son contrôle ne suffit pas à protéger les CRGs et préserver la fonction visuelle chez de nombreux patients. Dans ce contexte, j'ai avancé l'hypothèse centrale voulant que les stratégies de traitement du glaucome visant à promouvoir la protection structurale et fonctionnelle des CRGs doivent agir sur les mécanismes moléculaires qui conduisent à la mort des ces neurones. Dans la première partie de ma thèse, j'ai caractérisé l'effet neuroprotecteur de la galantamine, un inhibiteur de l'acétylcholinestérase qui est utilisé cliniquement dans le traitement de la maladie d'Alzheimer. Cette étude s’est basée sur l'hypothèse que la galantamine, en modulant l'activité du récepteur de l'acétylcholine, puisse améliorer la survie des CRGs lors du glaucome. Nous avons utilisé un modèle expérimental bien caractérisé d'hypertension oculaire induite par l’administration d'une solution saline hypertonique dans une veine épisclérale de rats Brown Norway. Les résultats de cette étude (Almasieh et al. Cell Death and Disease, 2010) ont démontré que l'administration quotidienne de galantamine améliore de manière significative la survie des corps cellulaires et des axones CRGs. La protection structurelle des CRGs s’accompagne d’une préservation remarquable de la fonction visuelle, évaluée par l'enregistrement des potentiels évoqués visuels (PEV) dans le collicule supérieur, la cible principale des CRGs chez le rongeur. Une autre constatation intéressante de cette étude est la perte substantielle de capillaires rétiniens et la réduction du débit sanguin associé à la perte des CRGs dans le glaucome expérimental. Il est très intéressant que la galantamine ait également favorisé la protection de la microvascularisation et amélioré le débit sanguin rétinien des animaux glaucomateux (Almasieh et al. en préparation). J'ai notamment démontré que les neuro-et vasoprotections médiées par la galantamine se produisent par iv l'activation des récepteurs muscariniques de l'acétylcholine. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai étudié le rôle du stress oxydatif ainsi que l'utilisation de composés réducteurs pour tester l'hypothèse que le blocage d'une augmentation de superoxyde puisse retarder la mort des CRG lors du glaucome expérimental. J'ai profité d'un composé novateur, un antioxydant à base de phosphineborane (PB1), pour tester sur son effet neuroprotecteur et examiner son mécanisme d'action dans le glaucome expérimental. Les données démontrent que l'administration intraoculaire de PB1 entraîne une protection significative des corps cellulaire et axones des CRGs. Les voies moléculaires conduisant à la survie neuronale médiée par PB1 ont été explorées en déterminant la cascade de signalisation apoptotique en cause. Les résultats démontrent que la survie des CRGs médiée par PB1 ne dépend pas d’une inhibition de signalisation de protéines kinases activées par le stress, y compris ASK1, JNK ou p38. Par contre, PB1 induit une augmentation marquée des niveaux rétiniens de BDNF et une activation en aval de la voie de survie des ERK1 / 2 (Almasieh et al. Journal of Neurochemistry, 2011). En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes pathologiques qui conduisent à la perte de CRGs dans le glaucome et pourraient fournir des pistes pour la conception de nouvelles stratégies neuroprotectrices et vasoprotectrices pour le traitement et la gestion de cette maladie.

Organisation et modulation du réseau neuronal de la respiration chez la lamproie.

Les mécanismes neuronaux contrôlant la respiration sont présentement explorés à l’aide de plusieurs modèles animaux incluant le rat et la grenouille. Nous avons utilisé la lamproie comme modèle animal nous permettant de caractériser les réseaux de neurones du tronc cérébral qui génèrent et modulent le rythme respiratoire. Nous avons d’abord caractérisé une nouvelle population de neurones, dans le groupe respiratoire paratrigéminal (pTRG), une région du tronc cérébral essentielle à la genèse du rythme respiratoire chez la lamproie. Les neurones de cette région sont actifs en phase avec le rythme respiratoire. Nous avons montré que ces neurones possèdent une arborisation axonale complexe, incluant des projections bilatérales vers les groupes de motoneurones du tronc cérébral qui activent les branchies ainsi que des connexions reliant les pTRG de chaque côté du tronc cérébral. Ces résultats montrent que le pTRG contient un groupe de cellules qui active les motoneurones respiratoires des deux côtés et qui pourrait être impliqué dans la synchronisation bilatérale du rythme respiratoire. Nous avons ensuite étudié les mécanismes neuronaux par lesquels le rythme respiratoire est augmenté en lien avec l’effort physique. Nous avons montré que la région locomotrice du mésencéphale (MLR), en plus de son rôle dans la locomotion, active les centres respiratoires pendant la nage, et même en anticipation. Les neurones de la MLR projetant vers les centres locomoteurs et respiratoires sont ségrégés anatomiquement, les neurones localisés plus dorsalement étant ceux qui possèdent des projections vers les centres respiratoires. Nous avons aboli la contribution de la partie dorsale de la MLR aux changements respiratoires en injectant des bloqueurs des récepteurs glutamatergiques localement, sur des préparations semi-intactes. Nous avons montré que lors d’épisodes de nage, une majeure partie de l’effet respiratoire est abolie par ces injections, suggérant un rôle prépondérant des neurones de cette région dans l’augmentation respiratoire pendant la locomotion. Nos résultats confirment que le rythme respiratoire est généré par une région rostrolatérale du pons de la lamproie et montrent que des connexions des centres locomoteurs arrivent directement à cette région et pourraient être impliquées dans l’augmentation respiratoire reliée à l’effort physique.

Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Fonction de la protéine Ceroid lipofuscinosis neuronal 5 (CLN5) dans le tri et le recyclage à l’endosome

Le tri et le transport efficace des hydrolases acides vers le lysosome jouent un rôle critique pour la fonction des cellules. Plus de 50 maladies humaines sont dues à des mutations des enzymes lysosomales, des protéines régulant des processus-clés du transport vers le lysosome ou des enzymes effectuant des modifications posttraductionnelles importantes pour la fonction du lysosome. L’objectif de cette thèse est d’identifier des protéines et des mécanismes permettant à la cellule de réguler le transport des enzymes vers le lysosome. Nous avons formulé l’hypothèse que des protéines mutées dans des maladies lysosomales et dont les fonctions étaient inconnues pouvaient jouer un rôle dans le transport vers le lysosome. Les céroïdes-lipofuscinoses neuronales forment une famille de maladies lysosomales rares mais sont aussi les maladies neurodégénératives infantiles les plus fréquentes. Plusieurs gènes impliqués dans les NCL encodent des protéines aux fonctions inconnues. Les travaux présentés dans cette thèse ont identifié la protéine « ceroid lipofuscinosis neuronal-5 » (CLN5) qui est localisée à l’endosome et au lysosome comme élément nécessaire au recrutement et à l’activation de rab7. Rab7 est une protéine Rab-clé qui contrôle le trafic à l’endosome tardif. Cette petite GTPase est impliquée dans le recrutement de retromer, un complexe protéique qui régule le trafic de l’endosome vers l’appareil de Golgi des récepteurs de tri lysosomal comme sortilin et le récepteur du mannose-6-phosphate. Dans les cellules où CLN5 est déplété, les récepteurs de tri lysosomal sont moins recyclés plus rapidement dégradés. En utilisant des expériences de photomarquage nous avons aussi pu démontrer que Rab7 est moins activées en l’absence de CLN5. Pour exécuter leur fonction les protéines rabs doivent être recrutée à la membrane et activées par l’échange d’une molécule de GDP pour une molécule de GTP. Le recrutement des Rabs à la membrane nécessite une modification posttraductionnelle lipidique pour être facilités. En utilisant un modèle de levures nous avons démontré que l’homologue de Rab7, Ypt7 est palmitoylée. Nous avons aussi démontré que la palmitoyltransférase Swif1 est nécessaire au recrutement de Ypt7 à la membrane. Nous avons aussi remarqué que les sous- unités de retromer chez la levure sont moins recrutées lorsque les palmitoyltransférases sont déplétées. Dans les cellules de mammifères nous avons démontré que Rab7 est également palmitoylé et que cette palmitoylation est possiblement effectuée par les palmitoyltransférases DHHC1 et DHHC8. La palmitoylation de Rab7 a lieu sur les cystéines en C-terminal qui sont nécessaires au recrutement membranaire et qui auparavant étaient uniquement décrites comme prénylées. En utilisant la méthode de « click chemistry » nous avons découvert que lorsque la prénylation de Rab7 est bloquée le niveau de palmitoylation augmente. Pour caractériser l’interaction entre CLN5 et Rab7 nous avons performé des expériences afin d’établir définitivement la topologie de cette protéine. Nous avons ainsi démontré que CLN5 est une protéine hautement glycosylée qui est initialement traduite en protéine transmembranaire et subséquemment clivée par un membre de la famille des peptidase de peptide signal (SPP). Cette protéine soluble peut alors possiblement interagir avec CLN3 qui est aussi palmitoylée pour recruter et activer Rab7. Nos études suggèrent pour la première fois que CLN5 pourrait être un recruteur et un activateur de Rab7 qui agirait avec la protéine CLN3 pour séquestrer Rab7 avec les autres récepteurs palmitoylés et permettre leur recyclage vers l’appareil de Golgi.

Dopamine Receptor Gene Expression In Streptozotocin Induced Diabetic Rats And Its Role In Insulin Secretion

Diabetes Mellitus is a metabolic disorder associated with insulin deficiency, which not.only affects the carbohydrate metabolism but also is associated with various central and peripheral complications. Chronic hyperglycemia during diabetes mellitus is a major initiator of diabetic microvascular complications like retinopathy, neuropathy, The central nervous system (CNS) neurotransmitters play an important role in the regulation of glucose homeostasis. These neurotransmitters mediate rapid intracellular communications not only within the central nervous system but also in the peripheral tissues. They exert their function through receptors present in both neuronal and non neuronal cell surface that trigger second messenger signaling pathways. Dopamine is a neurotransmitter that has been implicated in various central neuronal degenerative disorders like Parkinson's disease and behavioral diseases like Schizophrenia. Dopamine is synthesised from tyrosine, stored in vesicles in axon terminals and released when the neuron is depolarised. Dopamine interacts with specific membrane receptors to produce its effect. Dopamine plays an important role both centrally and peripherally. The recent identification of five dopamine receptor subtypes provides a basis for understanding dopamine's central and peripheral actions . Dopamine receptors are classified into two major groups : DA D1 like and DA D2 like. Dopamine D1 like receptors consists of DA D1 and DA D5 receptors . Dopamine D2 like receptors consists of DA D2, DA D3 and DA D4 receptors. Stimulation of the DA D1 receptor gives rise to increased production of cAMP. Dopamine D2 receptors inhibit cAMP production, but activate the inositol phosphate second messenger system . Impairment of central dopamine neurotransmission causes muscle rigidity, hormonal regulation , thought disorder and cocaine addiction. Peripheral dopamine receptors mediate changes in blood flow, glomerular filtration rate, sodium excretion and catecholamine release. The dopamine D2 receptors increased in the corpus striatum and cerebral cortex but decreased in the hypothalamus and brain stem indicating their involvement in regulating insulin secretion. Dopamine D2 receptor which has a stimulatory effecton insulin secretion decreased in the pancreatic islets during diabetes. Our in vitro studies confirmed the stimulatory role of dopamine D2 receptors in stimulation of glucose induced insulin secretion. A detailed study at the molecular level on the mechanisms involved in the role of dopamine in insulin secretion, its functional modification could lead to therapeutic interventions that will have immense clinical importance.