Pathological substrates of cognitive decline in Alzheimer's disease

The progressive development of Alzheimer's disease (AD)-related lesions such as neurofibrillary tangles,amyloid deposits and synaptic loss within the cerebral cortex is a main event of brain aging.Recent neuropathologic studies strongly suggested that the clinical diagnosis of dementia depends more on the severity and topography of pathologic changes than on the presence of a qualitative marker. However, several methodological problems such as selection biases, case-control design,density-based measures, and masking effects of concomitant pathologies should be taken into account when interpreting these data. In last years, the use of stereologic counting permitted to define reliably the cognitive impact of AD lesions in the human brain. Unlike fibrillar amyloid deposits that are poorly or not related to the dementia severity, the use of this method documented that total neurofibrillary tangles and neuron numbers in the CA1 field are the best correlates of cognitive deterioration in brain aging. Loss of dendritic spines in neocortical but not hippocampal areas has a modest but independent contribution to dementia. In contrast, the importance of early dendritic and axonal tau-related pathologic changes such as neuropil threads remains doubtful. Despite these progresses, neuronal pathology and synaptic loss in cases with pure AD pathology cannot explain more than 50% of clinical severity. The present review discusses the complex structure/function relationships in brain aging and AD within the theoretical framework of the functional neuropathology of brain aging.

Estudi de les alteracions en la capacitat neuroprotectora dels astròcits reactius en l'envelliment

En el periodo 2005-2008 hemos publicado tres artículos sobre las alteraciones de los astrocitos reactivos en el cerebro durante el envejecimiento. En el primer estudio, evaluamos la capacidad neuroprotectora de los astrocitos en un modelo experimental in vitro de envejecimiento. Los cambios en el estrés oxidativo, la captación del glutamato y la expresión proteica fueron evaluados en los astrocitos corticales de rata cultivados durante 10 y 90 días in vitro (DIV). Los astrocitos envejecidos tenían una capacidad reducida de mantener la supervivencia neuronal. Estos resultados indican que los astrocitos pueden perder parcialmente su capacidad neuroprotectora durante el envejecimiento. En el segundo estudio el factor neurotrófico derivado de la línea glial (GDNF) fue probado para observar sus efectos neurotróficos contra la atrofia neuronal que causa déficits cognitivos en la vejez. Las ratas envejecidas Fisher 344 con deficiencias en el laberinto de Morris recibieron inyecciones intrahippocampales de un vector lentiviral que codifica GDNF humano en los astrocitos o del mismo vector que codifica la proteína fluorescente verde humana como control. El GDNF secretado por los astrocitos mejoró la función de la neurona como se muestra por aumentos locales en la síntesis de los neurotransmisores acetilcolina, dopamina y serotonina. El aprendizaje espacial y la prueba de memoria demostraron un aumento significativo en las capacidades cognitivas debido a la exposición de GDNF, mientras que las ratas control mantuvieron sus resultados al nivel del azar. Estos resultados confirman el amplio espectro de la acción neurotrófica del GDNF y abre nuevas posibilidades de terapia génica para reducir la neurodegeneración asociada al envejecimiento. En el último estudio, examinamos cambios en la fosforilación de tau, el estrés oxidativo y la captación de glutamato en los cultivos primarios de astrocitos corticales de ratones neonatos de senescencia acelerada (SAMP8) y ratones resistentes a la senescencia (SAMR1). Nuestros resultados indican que las alteraciones en cultivos del astrocitos de los ratones SAMP8 son similares a las detectadas en cerebros enteros de los ratones SAMP8 de 1-5 meses de edad. Por otra parte, nuestros resultados sugieren que esta preparación in vitro es adecuada para estudiar en este modelo murino el envejecimiento temprano y sus procesos moleculares y celulares.

Induction of MC-1 immunoreactivity in axons after injection of the Fc fragment of human immunoglobulins in macaque monkeys.

Although previous studies have suggested an increased activation of humoral immunity in neurodegenerative diseases, it remains unclear whether this phenomenon is secondary to lesion formation or contributes directly to their development. Using stereotaxic injections in macaque monkey cerebral cortex, we studied the effects of human immunoglobulins on the neuronal cytoskeleton. Under these conditions, several MC-1-immunoreactive axons were observed in the vicinity of injection site. No MC-1 or TG-3 staining was detected in neuronal soma. Ultrastructurally, several axons in the same area displayed curly formations and accumulation of twisted tubules but not paired helical filaments. These data suggest that Fc fragment induce conformational changes of tau and subtle structural alterations in axons in this model. Immunocytochemical analyses in human autopsy materials revealed the presence of human Fc fragments as well as Fc receptors only in large pyramidal neurons known to be vulnerable in brain aging and Alzheimer's disease, further supporting a possible role of immunoglobulins in neurodegeneration.

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.

Changements corticaux et sous-corticaux des événements du sommeil lent au cours du vieillissement

Les avancées techniques et méthodologiques de la neuroscience ont permis de caractériser le sommeil comme un état actif et dynamique où des événements neuronaux cohésifs organisent les fonctions cérébrales. Les fuseaux de sommeil et les ondes lentes sont les marqueurs électroencéphalographiques de ces événements, et la mesure de leurs paramètres reflète et nuance les interactions neuronales à l’oeuvre pendant le sommeil lent. Considérant leur implication dans les fonctions hypniques et cognitives, les événements du sommeil lent sont particulièrement pertinents à l’étude du vieillissement, où l’intégrité de ces fonctions est mise au défi. Le vieillissement normal s’accompagne non seulement de réductions importantes des paramètres composant les événements du sommeil lent, mais aussi de modifications précises de l’intégrité anatomique et fonctionnelle du cerveau. Récemment, les études ont souligné la régulation locale des événements du sommeil lent, dont l’évolution avec l’âge demeure toutefois peu explorée. Le présent ouvrage se propose de documenter les liens unissant la neurophysiologie du sommeil, le vieillissement normal et l’activité régionale du cerveau par l’évaluation topographique et hémodynamique des événements du sommeil lent au cours du vieillissement. Dans une première étude, la densité, la durée, l’amplitude et la fréquence des fuseaux de sommeil ont été évaluées chez trois groupes d’âge au moyen de l’analyse topographique et paramétrique de l’électroencéphalogramme. Dans une seconde étude, les variations hémodynamiques associées à l’occurrence et modulées par l’amplitude des ondes lentes ont été évaluées chez deux groupes d’âge au moyen de l’électroencéphalographie combinée à l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle. Globalement, les résultats obtenus ont indiqué : 1) une dichotomie des aires corticales antérieures et postérieures quant aux effets d’âge sur les paramètres des fuseaux de sommeil; 2) des variations de la réponse hémodynamique associées aux ondes lentes dans une diversité de régions corticales et sous-corticales chez les personnes âgées. Ces résultats suggèrent la réorganisation fonctionnelle de l’activité neuronale en sommeil lent à travers l’âge adulte, soulignent l’utilité et la sensibilité des événements du sommeil lent comme marqueurs de vieillissement cérébral, et encouragent la recherche sur l’évolution des mécanismes de plasticité synaptique, de récupération cellulaire et de consolidation du sommeil avec l’âge.

Sex Differences in Memory and Other Cognitive Abilities

The aim of the present thesis was to study sex differences in memory and other cognitive bilities in healthy adults. In Study I, participants performed a number of episodic memory tasks that were more or less verbal in nature. Results showed that women performed on a higher level than did men in the episodic memory tasks where it was possible to use verbal labels, whereas men performed on a higher level than did women in a visuospatial episodic memory task. In Study II, women’s advantage in face recognition was investigated.Results showed that women performed at a higher level than did men only in the recognition of other women’s faces. In Study III, sex differences in cognitive tasks as well as brain measures were investigated in healthy older adults. Results showed that only the sex differences in a motor task could, to some extent, be explained by sex differences in one of the brain measures. The findings, as well as possible explanations for these patterns of results, are discussed in a theoretical context.

Funktionelle Analyse der Plasmamembran-Ca 2+-ATPase 2 -PMCA2- in Modellen der Neurodegeneration

Calcium (Ca2+) ist ein ubiquitär vorkommendes Signalmolekül, das an der Regulation zahlreicher zellulärer Prozesse, von der Proliferation bis zum programmierten Zelltod, beteiligt ist. Daher müssen die intrazellulären Ca2+-Spiegel streng kontrolliert werden. Veränderungen der Ca2+-Homöostase während der altersassoziierten Neurodegeneration können dazu beitragen, dass Neuronen vulnerabler sind. So wurden erhöhte Ca2+-Konzentrationen in gealterten Neuronen, begleitet von einer erhöhten Vulnerabilität, beobachtet (Hajieva et al., 2009a). Weiterhin wird angenommen, dass der selektive Untergang von dopaminergen Neuronen bei der Parkinson Erkrankung auf eine erhöhte Ca2+-Last zurückzuführen sein könnte, da diese Neuronen einem ständigen Ca2+-Influx,rnaufgrund einer besonderen Isoform (CaV 1.3) spannungsgesteuerter Ca2+-Kanäle des L-Typs, ausgesetzt sind (Chan et al., 2007). Bislang wurden die molekularen Mechanismen, die einem Ca2+-Anstieg zu Grunde liegen und dessen Auswirkung jedoch nicht vollständig aufgeklärt und daher in der vorliegenden Arbeit untersucht. Um Veränderungen der Ca2+-Homöostase während der altersassoziiertenrnNeurodegeneration zu analysieren wurden primäre Mittelhirnzellen aus Rattenembryonen und SH-SY5Y-Neuroblastomazellen mit dem Neurotoxin 1-Methyl-4-Phenyl-Pyridin (MPP+), das bei der Etablierung von Modellen der Parkinson-Erkrankung breite Anwendung findet, behandelt. Veränderungen der intrazellulären Ca2+-Konzentration wurden mit einem auf dem grün fluoreszierenden Protein (GFP)-basierten Ca2+-Indikator,rn„Cameleon cpYC 3.6“ (Nagai et al., 2004), ermittelt. Dabei wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass MPP+ die Abregulation der neuronenspezifischen ATP-abhängigen Ca2+-Pumpe der Plasmamembran (PMCA2) induziert, die mit der Ca2+-ATPase des endoplasmatischen Retikulums (SERCA) und dem Na+/Ca2+-Austauscher (NCX) das zelluläre Ca2+-Effluxsystem bildet, was zu einer erhöhten zytosolischen Ca2+-Konzentration führt. Die PMCA2-Abnahme wurde sowohl auf Transkriptionsebene als auch auf Proteinebene demonstriert, während keine signifikanten Veränderungen der SERCA- und NCX-Proteinmengen festgestellt wurden. Als Ursache der Reduktion der PMCA2-Expression wurde eine Abnahme des Transkriptionsfaktors Phospho-CREB ermittelt, dessen Phosphorylierungsstatus abhängig von der Proteinkinase A (PKA) war. Dieser Mechanismus wurde einerseits unter MPP+-Einfluss und andererseits vermittelt durch endogene molekulare Modulatoren gezeigt. Interessanterweise konnten die durch MPP+ induzierte PMCA2-Abregulation und der zytosolische Ca2+-Anstieg durch die Aktivierung der PKA verhindert werden. Parallel dazu wurde eine MPP+-abhängige verringerte mitochondriale Ca2+-Konzentration nachgewiesen, welche mit einer Abnahme des mitochondrialen Membranpotentials korrelierte. Darüber hinaus kam es als Folge der PMCA2-Abnahme zu einem verminderten neuronalen Überleben.rnVeränderungen der Ca2+-Homöostase wurden auch während der normalen Alterung inrnprimären Fibroblasten und bei Mäusen nachgewiesen. Dabei wurden verringerte PMCA und SERCA-Proteinmengen in gealterten Fibroblasten, einhergehend mit einem Anstieg der zytosolischen Ca2+-Konzentration demonstriert. Weiterhin wurden verringerte PMCA2-Proteinmengen im Mittelhirn von gealterten Mäusen (C57B/6) detektiert.rnDer zelluläre Ca2+-Efflux ist somit sowohl im Zuge der physiologischen Alterung als auch in einem altersbezogenen Krankheitsmodell beeinträchtigt, was das neuronale Überleben beeinflussen kann. In zukünftige Studien soll aufgeklärt werden, welche Auswirkungen einer PMCA2-Reduktion genau zu dem Verlust von Neuronen führen bzw. ob durch eine PMCA2-Überexpression neurodegenerative Prozesse verhindert werden können.

The physiological role of APP in the activation of neuroprotective signaling mechanisms

Accumulating evidence indicates that loss of physiological amyloid precursor protein (APP) function leads to enhanced susceptibility of neurons to cellular stress during brain aging. This study investigated the neuroprotective function of the soluble APP ectodomain sAPPα. Recombinant sAPPα protected primary hippocampal neurons and neuroblastoma cells from cell death induced by trophic factor deprivation. This protective effect was abrogated in APP-depleted neurons, but not in APLP1-, APLP2- or IGF1-R-deficient cells, indicating that expression of holo-APP is required for sAPPα-dependent neuroprotection. Strikingly, recombinant sAPPα, APP-E1 domain and the copper-binding growth factor-like domain (GFLD) of APP were able to stimulate PI3K/Akt survival signaling in different wildtype cell models, but failed in APP-deficient cells. An ADAM10 inhibitor blocking endogenous sAPPα secretion exacerbated neuron death in organotypic hippocampal slices subjected to metabolic stress, which could be rescued by exogenous sAPPα. Interestingly, sAPPα-dependent neuroprotection was unaffected in neurons of APP-ΔCT15 mice which lack the intracellular C-terminal YENPTY motif of APP. In contrast, sAPPα-dependent Akt signaling was completely abolished in APP mutant cells lacking the C-terminal G-protein interaction motif and by specifically blocking Gi/o-dependent signaling with pertussis toxin. Collectively, the present thesis provides new mechanistic insights into the physiological role of APP: the data suggest that cell surface APP mediates sAPPα-induced neuroprotection via Go-protein-coupled activation of the Akt pathway.

Brain Structural Variability due to Aging and Gender in Cognitively Healthy Elders: Results from the Sao Paulo Ageing and Health Study

BACKGROUND AND PURPOSE: Several morphometric MR imaging studies have investigated age- and sex-related cerebral volume changes in healthy human brains, most often by using samples spanning several decades of life and linear correlation methods. This study aimed to map the normal pattern of regional age-related volumetric reductions specifically in the elderly population. MATERIALS AND METHODS: One hundred thirty-two eligible individuals (67-75 years of age) were selected from a community-based sample recruited for the Sao Paulo Ageing and Health (SPAH) study, and a cross-sectional MR imaging investigation was performed concurrently with the second SPAH wave. We used voxel-based morphometry (VBM) to conduct a voxelwise search for significant linear correlations between gray matter (GM) volumes and age. In addition, region-of-interest masks were used to investigate whether the relationship between regional GM (rGM) volumes and age would be best predicted by a nonlinear model. RESULTS: VBM and region-of-interest analyses revealed selective foci of accelerated rGM loss exclusively in men, involving the temporal neocortex, prefrontal cortex, and medial temporal region. The only structure in which GM volumetric changes were best predicted by a nonlinear model was the left parahippocampal gyrus. CONCLUSIONS: The variable patterns of age-related GM loss across separate neocortical and temporolimbic regions highlight the complexity of degenerative processes that affect the healthy human brain across the life span. The detection of age-related Ill GM decrease in men supports the view that atrophy in such regions should be seen as compatible with normal aging.

MR image-based measurement of rates of change in volumes of brain structures. Part II: Application to a study of Alzheimer's disease and normal aging

We present global and regional rates of brain atrophy measured on serially acquired T1-weighted brain MR images for a group of Alzheimer's disease (AD) patients and age-matched normal control (NC) subjects using the analysis procedure described in Part I. Three rates of brain atrophy: the rate of atrophy in the cerebrum, the rate of lateral ventricular enlargement and the rate of atrophy in the region of temporal lobes, were evaluated for 14 AD patients and 14 age-matched NC subjects. All three rates showed significant differences between the two groups, However, the greatest separation of the two groups was obtained when the regional rates were combined. This application has demonstrated that rates of brain atrophy, especially in specific regions of the brain, based on MR images can provide sensitive measures for evaluating the progression of AD. These measures will be useful for the evaluation of therapeutic effects of novel therapies for AD. (C) 2002 Elsevier Science Inc. All rights reserved.

How to keep the brain awake? : pharmacogenomics and aging effects on sleep-wake regulation in inbred mice

ABSTRACT : Genetic approach in the sleep field is at the beginning of its wide expansion. Transitions between sleep and wakefulness, and the maintenance of these states are driven by complex neurobiologic mechanisms with reciprocal interactions. Impairment in both transitions and maintenance of behavioral states leads to debilitating conditions. The major symptom being excessive daytime sleepiness, characterizing most sleep disorders but also a wide variety of psychiatric and neurologic disorders, as well as the elderly. Until now, most wake-promoting drugs available directly (e.g., amphetamines and possibly modafinil) or indirectly (e.g., caffeine) provokes dopamine release which is believed to influence the abuse potential of these drugs. The effects of genetic components were assessed here, on drug-induced wakefulness and age-related sleep changes in three inbred mouse strains [AKR/J, C57BL/6J, DBA/2J] that differ in their major sleep phenotypes. Three wake-promoting drugs were used; d-amphetamine, a classical stimulant, modafinil, the most widely-prescribed stimulant, and YKP-10A, a novel wake-promoting agent with antidepressant proprieties. Electrical activity (Electroencephalogram) and gene expression of the brain were assessed and indicate a highly genotype-dependant response to wake promotion and subsequent recovery sleep. Aging effects on sleep-wake regulation were also strongly influenced by genetic determinants. By assessing the age-dependant effects at several time points (from 3 months to 2 years old mice), we found a strong genetic effect on vigilance states. These studies demonstrate a critical role for genetic factors neglected till now in the fields of pharmacology and aging effects on vigilance states.

Longitudinal neurochemical modifications in the aging mouse brain measured in vivo by (1)H magnetic resonance spectroscopy.

Alterations to brain homeostasis during development are reflected in the neurochemical profile determined noninvasively by (1)H magnetic resonance spectroscopy. We determined longitudinal biochemical modifications in the cortex, hippocampus, and striatum of C57BL/6 mice aged between 3 and 24 months . The regional neurochemical profile evolution indicated that aging induces general modifications of neurotransmission processes (reduced GABA and glutamate), primary energy metabolism (altered glucose, alanine, and lactate) and turnover of lipid membranes (modification of choline-containing compounds and phosphorylethanolamine), which are all probably involved in the frequently observed age-related cognitive decline. Interestingly, the neurochemical profile was different in male and female mice, particularly in the levels of taurine that may be under the control of estrogen receptors. These neurochemical profiles constitute the basal concentrations in cortex, hippocampus, and striatum of healthy aging male and female mice.