Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Optimizing Western Blots for the Detection of Endogenous α-Synuclein in the Enteric Nervous System

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Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Emerging pathogens in the central nervous system: a cerebral abscess by Streptococcus porcinus

Brain abscesses can cause an incapacitating neurological deicit in up to 50% of patients, thus the reduction of these sequelae becomes the main goal of its timely and speciic surgical and medical treatment. With technological advances in bacteriological identiication and diagnostic imaging, the clinical suspicion can be conirmed, and the speciic etiological agent can be identiied in a larger number of cases. New pathogens have emerged through this process, such as Streptococcus porcinus, in which the ability to affect the central nervous system has not been documented. A clinical case is presented of a brain abscess in an immunocompetent patient, and its favorable response to surgical drainage t hrough a skull burr h ole and nee dle aspiration with antibiotic therapy (ceftriaxone, metronidazole and vancomycin) is discussed.

Infection of the central nervous system by Mycobacterium tuberculosis in patients infected with human immunodeficiency virus (the new neurotuberculosis)

Neurologic complications of HIV infection are numerous. This review focuses on the clinical presentation, diagnostic particularities and therapeutic issues of neurotuberculosis. The pertinent literature describing this important infection is succinctly summarized with a particular emphasis on the discussion of differences in clinical presentation between HIV-infected and -uninfected patients.

Interspecies study of the enteric nervous system and related pathologies

The enteric nervous system (ENS) modulates a number of digestive functions including well known ones, i.e. motility, secretion, absorption and blood flow, along with other critically relevant processes, i.e. immune responses of the gastrointestinal (GI) tract, gut microbiota and epithelial barrier . The characterization of the anatomical aspects of the ENS in large mammals and the identification of differences and similarities existing between species may represent a fundamental basis to decipher several digestive GI diseases in humans and animals. In this perspective, the aim of the present thesis is to highlight the ENS anatomical basis and pathological aspects in different mammalian species, such as horses, dogs and humans. Firstly, I designed two anatomical studies in horses:  “Excitatory and inhibitory enteric innervation of horse lower esophageal sphincter”.  “Localization of 5-hydroxytryptamine 4 receptor (5-HT4R) in the equine enteric nervous system”. Then I focused on the enteric dysfunctions, including:  A primary enteric aganglionosis in horses: “Extrinsic innervation of the ileum and pelvic flexure of foals with ileocolonic aganglionosis”.  A diabetic enteric neuropathy in dogs: “Quantification of nitrergic neurons in the myenteric plexus of gastric antrum and ileum of healthy and diabetic dogs”.  An enteric neuropathy in human neurological patients: “Functional and neurochemical abnormalities in patients with Parkinson's disease and chronic constipation”. The physiology of the GI tract is characterized by a high complexity and it is mainly dependent on the control of the intrinsic nervous system. ENS is critical to preserve body homeostasis as reflect by its derangement occurring in pathological conditions that can be lethal or seriously disabling to humans and animals. The knowledge of the anatomy and the pathology of the ENS represents a new important and fascinating topic, which deserves more attention in the veterinary medicine field.

Effect of host genotype and prion strain on the phenotypic heterogeneity of Creutzfeldt-Jakob disease: the peripheral nervous system involvement and the spectrum of the genetic form

The first study was designed to assess whether the involvement of the peripheral nervous system (PNS) belongs to the phenotypic spectrum of sporadic Creutzfeldt-Jakob disease (sCJD). To this aim, we reviewed medical records of 117 sCJDVV2, 65 sCJDMV2K, and 121 sCJDMM(V)1 subjects for symptoms/signs and neurophysiological data. We looked for the presence of PrPSc in postmortem PNS samples from 14 subjects by western blotting and real-time quaking-induced conversion (RT-QuIC) assay. Seventy-five (41.2%) VV2-MV2K patients, but only 11 (9.1%) MM(V)1, had symptoms/signs suggestive of PNS involvement and neuropathy was documented in half of the VV2-MV2K patients tested. RT-QuIC was positive in all PNS samples, whereas western blotting detected PrPSc in the sciatic nerve in only one VV2 and one MV2K. These results support the conclusion that peripheral neuropathy, likely related to PrPSc deposition, belongs to the phenotypic spectrum of sCJDMV2K and VV2, the two variants linked to the V2 strain. The second study aimed to characterize the genetic/molecular determinants of phenotypic variability in genetic CJD (gCJD). To this purpose, we compared 157 cases of gCJD to 300 of sCJD. We analyzed: demographic aspects, neurological symptoms/signs, histopathologic features and biochemical characteristics of PrPSc. The results strongly indicated that the clinicopathological phenotypes of gCJD largely overlap with those of sCJD and that the genotype at codon 129 in cis with the mutation (i.e. haplotype) contributes more than the latter to the disease phenotype. Some mutations, however, cause phenotypic variations including haplotype-specific patterns of PrPSc deposition such as the “dense” synaptic pattern (E200K-129M), the intraneuronal dots (E200K-129V), and the linear stripes perpendicular to the surface in the molecular layer of cerebellum (OPRIs-129M). Overall, these results suggest that in gCJD PRNP mutations do not cause the emergence of novel prion strains, but rather confer increased susceptibility to the disease in conjunction with “minor” clinicopathological variations.

Influência da idade no comportamento da frequência cardíaca na transição repouso-exercício: uma análise por deltas e regressão linear

BACKGROUND: Changes in heart rate during rest-exercise transition can be characterized by the application of mathematical calculations, such as deltas 0-10 and 0-30 seconds to infer on the parasympathetic nervous system and linear regression and delta applied to data range from 60 to 240 seconds to infer on the sympathetic nervous system. The objective of this study was to test the hypothesis that young and middle-aged subjects have different heart rate responses in exercise of moderate and intense intensity, with different mathematical calculations. METHODS: Seven middle-aged men and ten young men apparently healthy were subject to constant load tests (intense and moderate) in cycle ergometer. The heart rate data were submitted to analysis of deltas (0-10, 0-30 and 60-240 seconds) and simple linear regression (60-240 seconds). The parameters obtained from simple linear regression analysis were: intercept and slope angle. We used the Shapiro-Wilk test to check the distribution of data and the t test for unpaired comparisons between groups. The level of statistical significance was 5%. RESULTS: The value of the intercept and delta 0-10 seconds was lower in middle age in two loads tested and the inclination angle was lower in moderate exercise in middle age. CONCLUSION: The young subjects present greater magnitude of vagal withdrawal in the initial stage of the HR response during constant load exercise and higher speed of adjustment of sympathetic response in moderate exercise.

Dysautonomia due to reduced cholinergic neurotransmission causes cardiac remodeling and heart failure

Overwhelming evidence supports the importance of the sympathetic nervous system in heart failure. In contrast, much less is known about the role of failing cholinergic neurotransmission in cardiac disease. By using a unique genetically modified mouse line with reduced expression of the vesicular acetylcholine transporter (VAChT) and consequently decreased release of acetylcholine, we investigated the consequences of altered cholinergic tone for cardiac function. M-mode echocardiography, hemodynamic experiments, analysis of isolated perfused hearts, and measurements of cardiomyocyte contraction indicated that VAChT mutant mice have decreased left ventricle function associated with altered calcium handling. Gene expression was analyzed by quantitative reverse transcriptase PCR and Western blotting, and the results indicated that VAChT mutant mice have profound cardiac remodeling and reactivation of the fetal gene program. This phenotype was attributable to reduced cholinergic tone, since administration of the cholinesterase inhibitor pyridostigmine for 2 weeks reversed the cardiac phenotype in mutant mice. Our findings provide direct evidence that decreased cholinergic neurotransmission and underlying autonomic imbalance cause plastic alterations that contribute to heart dysfunction.

Intracellular mechanisms of specific beta-adrenoceptor antagonists involved in improved cardiac function and survival in a genetic model of heart failure

beta-blockers, as class, improve cardiac function and survival in heart failure (HF). However, the molecular mechanisms underlying these beneficial effects remain elusive. In the present study, metoprolol and carvedilol were used in doses that display comparable heart rate reduction to assess their beneficial effects in a genetic model of sympathetic hyperactivity-induced HF (alpha(2A)/alpha(2C)-ARKO mice). Five month-old HF mice were randomly assigned to receive either saline, metoprolol or carvedilol for 8 weeks and age-matched wild-type mice (WT) were used as controls. HF mice displayed baseline tachycardia, systolic dysfunction evaluated by echocardiography, 50% mortality rate, increased cardiac myocyte width (50%) and ventricular fibrosis (3-fold) compared with WT. All these responses were significantly improved by both treatments. Cardiomyocytes from HF mice showed reduced peak [Ca(2+)](i) transient (13%) using confocal microscopy imaging. Interestingly, while metoprolol improved [Ca(2+)](i) transient, carvedilol had no effect on peak [Ca(2+)](i) transient but also increased [Ca(2+)] transient decay dynamics. We then examined the influence of carvedilol in cardiac oxidative stress as an alternative target to explain its beneficial effects. Indeed, HF mice showed 10-fold decrease in cardiac reduced/oxidized glutathione ratio compared with WT, which was significantly improved only by carvedilol treatment. Taken together, we provide direct evidence that the beneficial effects of metoprolol were mainly associated with improved cardiac Ca(2+) transients and the net balance of cardiac Ca(2+) handling proteins while carvedilol preferentially improved cardiac redox state. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Baroreflex Sensitivity Impairment Is Associated With Cardiac Diastolic Dysfunction in Rats

Background: Studies have shown that the autonomic dysfunction accompanied by impaired baroreflex sensitivity was associated with higher mortality. However, the influence of decreased baroreflex sensitivity on cardiac function, especially in diastolic function, is not well understood. This study evaluated the morpho-functional changes associated with baroreflex impairment induced by chronic sinoaortic denervation (SAD). Methods and Results: Animals were divided into sinoaortic denervation (SAD) and control (C) groups. Baroreflex sensitivity was evaluated by tachycardic and bradycardic responses, induced by vasoactive drugs. Cardiac function was studied by echocardiography and by left ventricle (LV) catheterization. LV collagen content and the expression of regulatory proteins involved in intracellular Ca(2+) homeostasis were quantified. Results showed higher LV mass in SAD versus C animals. Furthermore, an increase in deceleration time of E-wave in the SAD versus the C group (2.14 +/- 0.07 ms vs 1.78 +/- 0.03 ms) was observed. LV end-diastolic pressure was increased and the minimum dP/dt was decreased in the SAD versus the C group (12 +/- 1.5 mm Hg vs 5.3 +/- 0.2 mm Hg and 7,422 +/- 201 vs 4,999 +/- 345 mm Hg/s, respectively). SERCA/NCX ratio was lower in SAD than in control rats. The same was verified in SERCA/PLB ratio. Conclusions: The results suggest that baroreflex dysfunction is associated with cardiac diastolic dysfunction independently of the presence of other risk factors. (J Cardiac Fail 2011;17:519-525)

Influence of high- and low-carbohydrate diet following glycogen-depleting exercise on heart rate variability and plasma catecholamines

The purpose of this study was to investigate the effects of a short-term low-or high-carbohydrate (CHO) diet consumed after exercise on sympathetic nervous system activity. Twelve healthy males underwent a progressive incremental test; a control measurement of plasma catecholamines and heart rate variability (HRV); an exercise protocol to reduce endogenous CHO stores; a low-or high-CHO diet (counterbalanced order) consumed for 2 days, beginning immediately after the exercise protocol; and a second resting plasma catecholamine and HRV measurement. The exercise and diet protocols and the second round of measurements were performed again after a 1-week washout period. The mean (+/- SD) values of the standard deviation of R-R intervals were similar between conditions (control, 899.0 +/- 146.1 ms; low-CHO diet, 876.8 +/- 115.8 ms; and high-CHO diet, 878.7 +/- 127.7 ms). The absolute high-and low-frequency (HF and LF, respectively) densities of the HRV power spectrum were also not different between conditions. However, normalized HF and LF (i.e., relative to the total power spectrum) were lower and higher, respectively, in the low-CHO diet than in the control diet (mean +/- SD, 17 +/- 9 normalized units (NU) and 83 +/- 9 NU vs. 27 +/- 11 NU and 73 +/- 17 NU, respectively; p < 0.05). The LF/HF ratio was higher with the low-CHO diet than with the control diet (mean +/- SD, 7.2 +/- 6.2 and 4.2 +/- 3.2, respectively; p < 0.05). The mean values of plasma catecholamines were not different between diets. These results suggest that the autonomic control of the heart rate was modified after a short-term low-CHO diet, but plasma catecholamine levels were not altered.

An investigation of the interrelationship between manipulative therapy-induced hypoalgesia and sympathoexcitation

Objective: To investigate a proposed model in which manipulative therapy produces a treatment-specific initial hypoalgesic and sympathoexcitatory effect by activating a descending pain inhibitory system. The a priori hypothesis tested was that manipulative therapy produces mechanical hypoalgesia and sympatho-excitation beyond that produced by placebo or control. Furthermore, these effects would be correlated, thus supporting the proposed model. Design: A randomized, double-blind, placebo-controlled, repeated-measures study of the initial effect of treatment. Setting: Clinical neurophysiology laboratory. Subjects: Twenty-four subjects (13 women and 11 men; mean age, 49 yr) with chronic lateral epicondylalgia (average duration, 6.2 months). Intervention: Cervical spine lateral glide oscillatory manipulation, placebo and control. Outcome Measures: Pressure pain threshold, thermal pain threshold, pain-free grip strength test, upper limb tension test 2b, skin conductance, pileous and glabrous skin temperature and blood flux. Results: Treatment produced hypoalgesic and sympathoexcitatory changes significantly grater than those of placebo and control (p < .03). Confirmatory factor-analysis modeling, which was performed on the pain-related measures and the indicators of sympathetic nervous system function, demonstrated a significant correlation (r = .82) between the latencies of manipulation-induced hypoalgesia and sympathoexcitation. The Lagrange Multiplier test and Wald test indicated that the two latent factors parsimoniously and appropriately represented their observed variables. Conclusions: Manual therapy produces a treatment-specific initial hypoalgesic and sympathoexcitatory effect beyond that of placebo or control. The strong correlation between hypoalgesic and sympathoexcitatory effects suggests that a central control mechanism might be activated by manipulative therapy.