Co-localization of GnRH ligands and their receptors in the European sea bass, Dicentrarchus labrax

The migration of the hypophysiotropic GnRH (GnRH-I) neurons during early development is a crucial step in establishing a normally functioning reproductive system in all vertebrates. These neurons derive from progenitor cells in the olfactory placode and subsequently migrate to their final position in the ventral forebrain, where they mediate hypophysiotropic control over Lh. We use zebrafish as a model to investigate the path and the factors that mediate the migration of the GnRH-I neurons during early development. A transgenic line of zebrafish, in which GnRH- I neurons specifically express a reporter gene (GFP) has been developed in our lab. This was achieved by integrating a GnRH-I promoter/GFP reporter transgene into the zebrafish genome. The resulting transgenic line allows us to track the route of the GnRH-I neuronal migration in real time and in vivo. We have used this line to conduct time lapse imaging to ascertain the exact migrational path and the final position in the ventral forebrain of the GnRH-I neurons.

Chemical communication in the Mozambique tilapia: a role for amino acids

The Mozambique tilapia (Oreochromis mossambicus) is a maternal mouthbrooding cichlid from the southern Africa. The olfactory sensitivity of the species to 20 amino acids was assessed using the electro-olfactogram (EOG). We estimated whether the olfactory potency of the polar fraction of male urine can be explained by the presence of identified amino acids. In addition, filtrate and amino acid mixture of the urine of Nile tilapia were used to estimate their olfactory potency for O.mossambicus. Finally, concentrations of the main amino acids were measured in the urine of males of different social status and the correlations between amino acid concentration and hierarchical status were explored. L-cysteine, L-glutamine and L-threonine were the most potent stimuli at M while L-proline and L-aspartate were the least potent. Four groups of amino acids were identified according to their thresholds of detection and three groups – according to the similarity of their ɣ-factors. The estimated threshold of detection for O.mossambicus mixture was higher than that for the filtrate. On the contrary, the threshold of detection for the mixture of Nile tilapia was lower than that for the filtrate The concentration of L-arginine in the urine was positively correlated with fish dominance index. Both L-arginine and L-glutamic acid concentrations had much greater variability in dominant males (DI˃0.5) than in subordinate males (DI˂0.5). The urinary concentrations of L-phenylalanine had similar variability in dominant and subordinate groups. The Mozambique tilapia has olfactory sensitivity to all twenty amino acids tested. The fish showed more acute sensitivity to conspecific urine filtrate than to the heterospecific. Olfactory potency of O.mossambicus filtrate can be largely but not fully explained by the presence of L-arginine, L-glutamic acid and L-phenylalanine. Larginine and L-glutamic acid may indicate the dominance status of the fish and, possibly, individual identity.

The social brain : how social stimuli are translated into neuroendocrine signals

Tese de doutoramento, Biologia (Ecofisiologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

A behavioral study of alpha-1b adrenergic receptor knockout mice: increased reaction to novelty and selectively reduced learning capacities.

Knockout mice lacking the alpha-1b adrenergic receptor were tested in behavioral experiments. Reaction to novelty was first assessed in a simple test in which the time taken by the knockout mice and their littermate controls to enter a second compartment was compared. Then the mice were tested in an open field to which unknown objects were subsequently added. Special novelty was introduced by moving one of the familiar objects to another location in the open field. Spatial behavior and memory were further studied in a homing board test, and in the water maze. The alpha-1b knockout mice showed an enhanced reactivity to new situations. They were faster to enter the new environment, covered longer paths in the open field, and spent more time exploring the new objects. They reacted like controls to modification inducing spatial novelty. In the homing board test, both the knockout mice and the control mice seemed to use a combination of distant visual and proximal olfactory cues, showing place preference only if the two types of cues were redundant. In the water maze the alpha-1b knockout mice were unable to learn the task, which was confirmed in a probe trial without platform. They were perfectly able, however, to escape in a visible platform procedure. These results confirm previous findings showing that the noradrenergic pathway is important for the modulation of behaviors such as reaction to novelty and exploration, and suggest that this is mediated, at least partly, through the alpha-1b adrenergic receptors. The lack of alpha-1b adrenergic receptors in spatial orientation does not seem important in cue-rich tasks but may interfere with orientation in situations providing distant cues only.

Mouse alarm pheromone shares structural similarity with predator scents.

Sensing the chemical warnings present in the environment is essential for species survival. In mammals, this form of danger communication occurs via the release of natural predator scents that can involuntarily warn the prey or by the production of alarm pheromones by the stressed prey alerting its conspecifics. Although we previously identified the olfactory Grueneberg ganglion as the sensory organ through which mammalian alarm pheromones signal a threatening situation, the chemical nature of these cues remains elusive. We here identify, through chemical analysis in combination with a series of physiological and behavioral tests, the chemical structure of a mouse alarm pheromone. To successfully recognize the volatile cues that signal danger, we based our selection on their activation of the mouse olfactory Grueneberg ganglion and the concomitant display of innate fear reactions. Interestingly, we found that the chemical structure of the identified mouse alarm pheromone has similar features as the sulfur-containing volatiles that are released by predating carnivores. Our findings thus not only reveal a chemical Leitmotiv that underlies signaling of fear, but also point to a double role for the olfactory Grueneberg ganglion in intraspecies as well as interspecies communication of danger.

Variant ionotropic glutamate receptors as chemosensory receptors in Drosophila.

Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) mediate neuronal communication at synapses throughout vertebrate and invertebrate nervous systems. We have characterized a family of iGluR-related genes in Drosophila, which we name ionotropic receptors (IRs). These receptors do not belong to the well-described kainate, AMPA, or NMDA classes of iGluRs, and they have divergent ligand-binding domains that lack their characteristic glutamate-interacting residues. IRs are expressed in a combinatorial fashion in sensory neurons that respond to many distinct odors but do not express either insect odorant receptors (ORs) or gustatory receptors (GRs). IR proteins accumulate in sensory dendrites and not at synapses. Misexpression of IRs in different olfactory neurons is sufficient to confer ectopic odor responsiveness. Together, these results lead us to propose that the IRs comprise a novel family of chemosensory receptors. Conservation of IR/iGluR-related proteins in bacteria, plants, and animals suggests that this receptor family represents an evolutionarily ancient mechanism for sensing both internal and external chemical cues.

Identification of pyridine analogs as new predator-derived kairomones.

In the wild, animals have developed survival strategies relying on their senses. The individual ability to identify threatening situations is crucial and leads to increase in the overall fitness of the species. Rodents, for example have developed in their nasal cavities specialized olfactory neurons implicated in the detection of volatile cues encoding for impending danger such as predator scents or alarm pheromones. In particular, the neurons of the Grueneberg ganglion (GG), an olfactory subsystem, are implicated in the detection of danger cues sharing a similar chemical signature, a heterocyclic sulfur- or nitrogen-containing motif. Here we used a "from the wild to the lab" approach to identify new molecules that are involuntarily emitted by predators and that initiate fear-related responses in the recipient animal, the putative prey. We collected urines from carnivores as sources of predator scents and first verified their impact on the blood pressure of the mice. With this approach, the urine of the mountain lion emerged as the most potent source of chemical stress. We then identified in this biological fluid, new volatile cues with characteristic GG-related fingerprints, in particular the methylated pyridine structures, 2,4-lutidine and its analogs. We finally verified their encoded danger quality and demonstrated their ability to mimic the effects of the predator urine on GG neurons, on mice blood pressure and in behavioral experiments. In summary, we were able to identify here, with the use of an integrative approach, new relevant molecules, the pyridine analogs, implicated in interspecies danger communication.

Effects of intracerebroventricular bombesin administration on local cerebral glucose utilization in the restrained and unrestrained rat

Intracerebroventricular (ICV) administration of bombesin (BN) induces a syndrome characterized by stereotypic locomotion and grooming, hyperactivity and sleep elimination, hyperglycemia and hypothermia, hyperhemodynamics, feeding inhibition, and gastrointestinal function changes. Mammalian BN-like peptides (MBNs), e.g. gastrin-releasing peptide (GRP), Neuromedin C (NMC), and Neuromedin B (NMB), have been detected in the central nervous system. Radio-labeled BN binds to specific sites in discrete cerebral regions. Two specific BN receptor subtypes (GRP receptor and NMB receptor) have been identified in numerous brain regions. The quantitative 2-[14C]deoxyglucose ([14C]20G) autoradiographic method was used to map local cerebral glucose utilization (LCGU) in the rat brain following ICV injection of BN (vehicle, BN O.1Jlg, O.5Jlg). At each dose, experiments were conducted in freely moving or restrained conditions to determine whether alterations in cerebral function were the result of BN central administration, or were the result of BN-induced motor stereotypy. The anteroventral thalamic nucleus (AV) (p=O.029), especially its ventrolateral portion (AVVL) (polfactory bulb (IGr) (p=O.028), and the suprachiasmatic nucleus (SCh) (p=O.003) exhibited BN treatment effects. BN effects on LCGU were also observed in the median eminence (ME) (p=O.011). Restraint, however, decreased LCGU in the lateral dorsal thalamic nucleus, ventrolateral and dorsomedial parts (LOVL and LOOM) (p=O.044, p=O.009), and the lateral geniculate (LG) (p=O.027). In sum, BN induced a marked and highly localized alteration in cerebral metabolism within parts of the anterior thalamus, which is the principle relay in the limbic circuitry. BN effects were also observed in IGr, Mi, SCh, and ME. Effects of restraint were found in LOVL, LOOM, and LG. It is suggested that increased LCGU in AV and AVVL may be the result of functional change in the limbic circuitry and the hypothalamus caused by BN receptor functional modification. In IGr, increased LCGU following BN administration is considered to be mainly the result the activation of NMB receptor, a subtype of BN receptors. In SCh, increased LCGU is believed to be caused both by BN effects on the thalamic, the hypothalamic, and the limbic functions and by activation of GRP receptor, another BN receptors subtype found in SCh. In ME, increased LCGU is suggested to be caused by BN effects on the hypothalamic functions, especially those related to the neuroendocrine functions. None of the alterations seen in these regions reflects the emission of stereotyped motor behaviors. Rather, they reflect a direct influence of BN central administration upon functioning of the cerebral regions influenced by BN administration. The restraint effects seen in LO, including LOOM and LOVL, are suggested to be the result of altered behavioral expression. The restraint effects seen in LG is suggested to be the result of reduced locomotion.

Changements dans le circuit de la récompense suite à la bulbectomie olfactive : une nouvelle approche pour étudier des antidépresseurs

La dépression est une maladie chronique, récurrente et potentiellement mortelle qui affecte plus de 20 % de la population à travers le monde. Les mécanismes sous-jacents de la dépression demeurent incompris et la pharmacothérapie actuelle, largement basée sur l’hypothèse monoaminergique, fait preuve d’une efficacité sous optimale et d’une latence thérapeutique élevée. Par conséquent, la recherche est amenée à élaborer de nouveaux traitements pharmacologiques. Pour détecter leur action, il est avant tout nécessaire de développer des outils expérimentaux adéquats. Dans cette optique, notre but a été de mesurer l’anhédonie, un symptôme cardinal de la dépression, chez le rat de laboratoire. L’anhédonie a été définie comme une réduction de la récompense et a été mesurée avec le test de consommation de sucrose et la technique d’autostimulation intracérébrale. En vue d’induire l’anhédonie, nous avons effectué une bulbectomie olfactive, une procédure qui entraîne divers changements biochimiques, cellulaires et comportementaux similaires à ceux de l’état dépressif et qui peuvent être renversés par un traitement antidépresseur chronique. Nos résultats montrent que la bulbectomie olfactive produit également l’anhédonie, reflétée par une réduction durable de la consommation de sucrose et par une réduction de l’efficacité de l’amphétamine dans le test d’autostimulation intracérébrale. Ces effets ont été présents jusqu’à trois à quatre semaines suivant la chirurgie. La bulbectomie olfactive a aussi été associée à une augmentation de l’élément de réponse liant l’AMPc dans le striatum, un index moléculaire associé à l’anhédonie. Ces découvertes suggèrent que l’anhédonie peut être produite et étudiée de façon fiable dans le modèle de bulbectomie olfactive et que le circuit de récompense pourrait constituer une cible cohérente pour de nouvelles drogues en vue du traitement de la dépression.

Regulation of the memory T cell development and islet beta-cell survival by DAPK-related apoptosis-inducing protein kinase 2 (Drak2)

Drak2 est un membre de la famille des protéines associées à la mort et c’est une sérine/thréonine kinase. Chez les souris mutantes nulles Drak2, les cellules T ne présentent aucune défectuosité apparente en apoptose induite par activation, après stimulation avec anti-CD3 et anti-CD28, mais ont un seuil de stimulation réduit, comparées aux cellules T de type sauvage (TS). Dans notre étude, l’analyse d’hybridation in situ a révélé que l’expression de Drak2 est ubiquiste au stade de la mi-gestation chez les embryons, suivie d’une expression plus focale dans les divers organes pendant la période périnatale et l’âge adulte, notamment dans le thymus, la rate, les ganglions lymphatiques, le cervelet, les noyaux suprachiasmatiques, la glande pituitaire, les lobes olfactifs, la médullaire surrénale, l’estomac, la peau et les testicules. Nous avons créé des souris transgéniques (Tg) Drak2 en utilisant le promoteur humain beta-actine. Ces souris Tg montraient des ratios normaux entre cellules T versus B et entre cellules CD4 versus CD8, mais leur cellularité et leur poids spléniques étaient inférieurs comparé aux souris de type sauvage. Après activation TCR, la réponse proliférative des cellules T Tg Drak2 était normale, même si leur production d’interleukine (IL)-2 et IL-4 mais non d’interféron-r était augmentée. Les cellules T Tg Drak2 activées ont démontré une apoptose significativement accrue en présence d’IL-2 exogène. Au niveau moléculaire, les cellules T Tg Drak2 ont manifesté une augmentation moins élevée des facteurs anti-apoptotiques durant l’activation; un tel changement a probablement rendu les cellules vulnérables aux attaques subséquentes d’IL-2. L’apoptose compromise dans les cellulesT Tg Drak2 a été associée à un nombre réduit de cellules T ayant le phénotype des cellules mémoires (CD62Llo) et avec des réactions secondaires réprimées des cellules T dans l’hypersensibilité de type différé. Ces résultats démontrent que Drak2 s’exprime dans le compartiment des cellules T mais n’est pas spécifique aux cellules T; et aussi qu’il joue des rôles déterminants dans l’apoptose des cellules T et dans le développement des cellules mémoires T. En outre, nous avons recherché le rôle de Drak2 dans la survie des cellules beta et le diabète. L’ARNm et la protéine Drak2 ont été rapidement induits dans les cellules beta de l’îlot après stimulation exogène par les cytokines inflammatoires ou les acides gras libres et qui est présente de façon endogène dans le diabète, qu’il soit de type 1 ou de type 2. La régulation positive de Drak2 a été accompagnée d’une apoptose accrue des cellules beta. L’apoptose des cellules beta provoquée par les stimuli en question a été inhibée par la chute de Drak2 en utilisant petit ARNi. Inversement, la surexpression de Drak2 Tg a mené à l’apoptose aggravée des cellules beta déclenchée par les stimuli. La surexpression de Drak2 dans les îlots a compromis l’augmentation des facteurs anti-apoptotiques, tels que Bcl-2, Bcl-xL et Flip, sur stimulation par la cytokine et les acides gras libres. De plus, les expériences in vivo ont démontré que les souris Tg Drak2 étaient sujettes au diabète de type 1 dans un modèle de diabète provoqué par de petites doses multiples de streptozotocine et qu’elles étaient aussi sujettes au diabète de type 2 dans un modèle d’obésité induite par la diète. Nos données montrent que Drak2 est défavorable à la survie des cellules beta. Nous avons aussi étudié la voie de transmission de Drak2. Nous avons trouvé que Drak2 purifiée pouvait phosphoryler p70S6 kinase dans une analyse kinase in vitro. Lasurexpression de Drak2 dans les cellules NIT-1 a entraîné l’augmentation de la phosphorylasation p70S6 kinase tandis que l’abaissement de Drak2 dans ces cellules a réduit la phosphorylation. Ces recherches mécanistes ont prouvé que p70S6 kinase était véritablement un substrat de Drak2 in vitro et in vivo. Cette étude a découvert les fonctions importantes de Drak2 dans l’homéostasie des cellules T et le diabète. Nous avons prouvé que p70S6 kinase était un substrat de Drak2. Nos résultats ont approfondi nos connaissances de Drak2 à l’intérieur des systèmes immunitaire et endocrinien. Certaines de nos conclusions, comme les rôles de Drak2 dans le développement des cellules mémoires T et la survie des cellules beta pourraient être explorées pour des applications cliniques dans les domaines de la transplantation et du diabète.

L’effet du vieillissement sur les cellules souches neurales adultes

La neurogenèse persiste à l’âge adulte dans deux régions du système nerveux central (SNC) des mammifères : la zone sous-ventriculaire (SVZ) du cerveau antérieur et la zone sous-granulaire (SGZ) de l’hippocampe. Cette neurogenèse est possible grâce à la capacité de prolifération des cellules souches présentes dans les niches de la SVZ et la SGZ, mais en vieillissant, le cerveau subit une diminution dramatique du nombre de cellules souches neurales adultes (CSNa), une diminution de la prolifération cellulaire et une altération des niches de neurogenèse. Cependant, une importante question reste sans réponse : comment la perte tardive des CSNa est temporellement reliée aux changements de l’activité de prolifération et de la structure de la principale niche de neurogenèse (la SVZ)? Afin d’avoir un aperçu sur les événements initiaux, nous avons examiné les changements des CSNa et de leur niche dans la SVZ entre le jeune âge et l’âge moyen. La niche de la SVZ des souris d’âge moyen (12 mois) subit une réduction de l’expression des marqueurs de plusieurs sous-populations de précurseurs neuraux en comparaison avec les souris jeunes adultes (2 mois). Anatomiquement, cela est associé avec des anomalies cytologiques, incluant une atrophie générale de la SVZ, une perte de la couche de cellules sousépendymaires par endroit et l’accumulation de gouttelettes lipidiques de grande taille dans l’épendyme. Fonctionnellement, ces changements sont corrélés avec une diminution de l’activité de la SVZ et une réduction du nombre de nouveaux neurones arrivant aux bulbes olfactifs. Pour déterminer si les CSNa de la SVZ ont subi des changements visibles, nous avons évalué les paramètres clés des CSNa in vivo et in vitro. La culture cellulaire montre qu’un nombre équivalent de CSNa ayant la capacité de former des neurosphères peut être isolé du cerveau du jeune adulte et d’âge moyen. Cependant, à l’âge moyen, les précurseurs neuraux semblent moins sensibles aux facteurs de croissance durant leur différenciation in vitro. Les CSNa donnent des signes de latence in vivo puisque leur capacité d’incorporation et de rétention du BrdU diminue. Ensemble, ces données démontrent que, tôt dans le processus du vieillissement, les CSNa et leur niche dans la SVZ subissent des changements significatifs, et suggèrent que la perte de CSNa liée au vieillissement est secondaire à ces événements.

Les habiletés olfactives des aveugles de naissance : organisation anatomo-fonctionnelle et aspects comportementaux

La littérature décrit certains phénomènes de réorganisation physiologique et fonctionnelle dans le cerveau des aveugles de naissance, notamment en ce qui a trait au traitement de l’information tactile et auditive. Cependant, le système olfactif des aveugles n’a reçu que très peu d’attention de la part des chercheurs. Le but de cette étude est donc de comprendre comment les aveugles traitent l’information olfactive au niveau comportemental et d’investiguer les substrats neuronaux impliqués dans ce processus. Puisque, en règle générale, les aveugles utilisent leurs sens résiduels de façon compensatoire et que le système olfactif est extrêmement plastique, des changements au niveau de l’organisation anatomo-fonctionnelle pourraient en résulter. Par le biais de méthodes psychophysiques et d’imagerie cérébrale (Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle-IRMf), nous avons investigué les substrats anatomo-fonctionnels sollicités par des stimuli olfactifs. Nous avons trouvé que les aveugles ont un seuil de détection plus bas que les voyants, mais que leur capacité à discriminer et identifier des odeurs est similaire au groupe contrôle. Ils ont aussi plus conscience de l’environnement olfactif. Les résultats d’imagerie révèlent un signal BOLD plus intense dans le cortex orbitofrontal droit, le thalamus, l’hippocampe droit et le cortex occipital lors de l’exécution d’une tâche de détection d’odeur. Nous concluons que les individus aveugles se fient d’avantage à leur sens de l’odorat que les voyants afin d’évoluer dans leur environnement physique et social. Cette étude démontre pour la première fois que le cortex visuel des aveugles peut être recruté par des stimuli olfactifs, ce qui prouve que cette région assume des fonctions multimodales.

Transmission des voies olfactives aux cellules réticulospinales de la lamproie

Les informations olfactives sont connues pour leur capacité à induire des comportements moteurs spécifiques. En dépit de nombreuses observations comportementales chez les vertébrés, on ne connaît toujours pas les mécanismes et les voies nerveuses qui sous-tendent ces phénomènes de transformation olfacto-locomotrices. Chez la lamproie, des travaux récents ont permis de décrire cette voie, et les mécanismes responsables de la transformation des entrées olfactives en activité locomotrice (Derjean et al., 2010). Cette voie prend origine dans la partie médiane du bulbe olfactif, et envoie des projections vers le tubercule postérieur, une région qui se trouve dans le diencéphale. De là, les neurones projettent directement vers la Région Locomotrice Mésencéphalique, connue pour envoyer des connexions vers les neurones réticulospinaux, et activer la locomotion. L’objectif de cette étude était d’établir si l’ensemble des neurones réticulospinaux répond aux stimulations olfactives. Pour ce faire, nous avons utilisé sur une préparation de cerveau isolé de lamproie des techniques d’électrophysiologie et d’imagerie calcique. La stimulation électrique des nerfs olfactifs, de la région médiane du bulbe olfactif ou du tubercule postérieur a provoqué une activation de toutes les cellules réticulospinales qui se retrouvent dans les quatre noyaux réticulaires (ARRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Antérieur; MRN : Noyau Réticulaire Mésencéphalique; MRRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Moyen; PRRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Postérieur). Seule la partie médiane du bulbe olfactif est impliquée dans le passage de l’information olfactive vers les neurones réticulospinaux. Nous avons aussi découvert que le blocage des récepteurs GABAergiques dans la partie médiane du bulbe olfactif augmentait les réponses olfactives de façon considérable dans les cellules réticulospinales. Nous avons montré ainsi qu’il existe un tonus inhibiteur impliqué dans la dépression modulatrice de la voie olfacto-locomotrice. Ce travail a permis de montrer que la stimulation des afférences sensorielles olfactives active simultanément l’ensemble des populations de neurones réticulospinaux qui commandent la locomotion. De plus, il existerait un tonus inhibiteur GABAergique, au niveau de la partie médiane du bulbe olfactif, responsable d’une dépression modulatrice dans la voie olfacto-locomotrice.

L’intégration de modalités sensorielles : l’influence de l’olfaction sur la vision

La plupart des études sur la perception isolent une modalité sensorielle pour mieux l’étudier et la comprendre. Malheureusement, aucun de nos sens ne représente la seule source d’information, car une intégration sensorielle se fait en tout moment lors de la perception de l’environnement. L’information d’un sens est donc plutôt en accord ou en conflit avec l’apport d’information des autres sens. Le but de la présente étude était d’investiguer, par IRMf, les activations cérébrales d’une intégration visuelle et olfactive lorsque ces deux perceptions sont congruentes. Pour ce faire, une image et/ou une odeur étaient présentées au sujet et ce dernier devait identifier si le stimulus perçu était congruent. Ce protocole permettait d’observer les activations cérébrales lors de l’analyse d’un stimulus et la prise de décision selon la congruité du stimulus présenté. La condition de congruence vision-odeur activa les zones visuelles et olfactives plus fortement que lors des conditions contrôle (image seule, odeur seule). Ces résultats illustrent une potentialisation des aires visuelles et olfactives par une intégration d’information congruente venant de ces deux modalités. Par conséquent, l’intégration d’un stimulus visuel et odorant congruent semble rehausser la perception du stimulus.

Projections anatomiques des bulbes olfactifs chez la lamproie

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.