Impaired fast-spiking, suppressed cortical inhibition and increased susceptibility to seizures in mice lacking Kv3.2 K+ channel proteins

Voltage-gated K+ channels of the Kv3 subfamily have unusual electrophysiological properties, including activation at very depolarized voltages (positive to −10 mV) and very fast deactivation rates, suggesting special roles in neuronal excitability. In the brain, Kv3 channels are prominently expressed in select neuronal populations, which include fast-spiking (FS) GABAergic interneurons of the neocortex, hippocampus, and caudate, as well as other high-frequency firing neurons. Although evidence points to a key role in high-frequency firing, a definitive understanding of the function of these channels has been hampered by a lack of selective pharmacological tools. We therefore generated mouse lines in which one of the Kv3 genes, Kv3.2, was disrupted by gene-targeting methods. Whole-cell electrophysiological recording showed that the ability to fire spikes at high frequencies was impaired in immunocytochemically identified FS interneurons of deep cortical layers (5-6) in which Kv3.2 proteins are normally prominent. No such impairment was found for FS neurons of superficial layers (2-4) in which Kv3.2 proteins are normally only weakly expressed. These data directly support the hypothesis that Kv3 channels are necessary for high-frequency firing. Moreover, we found that Kv3.2 −/− mice showed specific alterations in their cortical EEG patterns and an increased susceptibility to epileptic seizures consistent with an impairment of cortical inhibitory mechanisms. This implies that, rather than producing hyperexcitability of the inhibitory interneurons, Kv3.2 channel elimination suppresses their activity. These data suggest that normal cortical operations depend on the ability of inhibitory interneurons to generate high-frequency firing.

K(+) channel expression distinguishes subpopulations of parvalbumin- and somatostatin-containing neocortical interneurons

Kv3.1 and Kv3.2 K+ channel proteins form similar voltage-gated K+ channels with unusual properties, including fast activation at voltages positive to −10 mV and very fast deactivation rates. These properties are thought to facilitate sustained high-frequency firing. Kv3.1 subunits are specifically found in fast-spiking, parvalbumin (PV)-containing cortical interneurons, and recent studies have provided support for a crucial role in the generation of the fast-spiking phenotype. Kv3.2 mRNAs are also found in a small subset of neocortical neurons, although the distribution of these neurons is different. We raised antibodies directed against Kv3.2 proteins and used dual-labeling methods to identify the neocortical neurons expressing Kv3.2 proteins and to determine their subcellular localization. Kv3.2 proteins are prominently expressed in patches in somatic and proximal dendritic membrane as well as in axons and presynaptic terminals of GABAergic interneurons. Kv3.2 subunits are found in all PV-containing neurons in deep cortical layers where they probably form heteromultimeric channels with Kv3.1 subunits. In contrast, in superficial layer PV-positive neurons Kv3.2 immunoreactivity is low, but Kv3.1 is still prominently expressed. Because Kv3.1 and Kv3.2 channels are differentially modulated by protein kinases, these results raise the possibility that the fast-spiking properties of superficial- and deep-layer PV neurons are differentially regulated by neuromodulators. Interestingly, Kv3.2 but not Kv3.1 proteins are also prominent in a subset of seemingly non-fast-spiking, somatostatin- and calbindin-containing interneurons, suggesting that the Kv3.1–Kv3.2 current type can have functions other than facilitating high-frequency firing.

The role of Bmi1 in CNS development and in retinal degeneration

SUMMARY : The present work addresses several aspects of cell cycle regulation, cell fate specification and cell death in the central nervous system (CNS), specifically the cortex and the retina. More precisely, we investigated the role of Bmi1, a polycomb family gene required for stem cell proliferation and self-renewal, in the development of the cerebral cortex, as well as in the genesis of the retina. These data, together with studies published during the last two decades concerning cell cycle re-activation in apoptotic neurons in the CNS, raised the question of a possible link between regulation of the cell cycle during development and during retinal degeneration. 1. The effects of Bmi1 loss in the cerebral cortex : Consistently with our and others' observations on failure of Bmi9-/- stem cells to proliferate and self-renew in vitro, the Bmi9-/- cerebral cortex presented slight defects in proliferation in stem/progenitor cells compartments in vivo. This was in accordance with the pattern of Bmi1 expression in the developing forebrain. The modest proliferation defects, compared to the drastic consequences of Bmi9 loss in vitro, suggest that cell-extrinsic mechanisms may partially compensate for Bmi1 deletion in vivo during cortical histogenesis. Nevertheless, we observed a decreased proliferating activity in neurogenic regions of the adult telencephalon, more precisely in the subventricular zone, showing that Bmi1 controls neural stem/progenitor proliferation during adulthood in vivo. Our data also highlight an increased production of astrocytes at birth, and a generalized gliosis in the adult Bmi9-/- brain. Importantly, glial progenitors and astrocytes retained the ability to proliferate in the absence of Bmi1. 2. The effects of Bmi1 loss in the retina : The pattern of expression of Bmi1 during development and in the adult retina suggests a role for Bmi1 in cell fate specification and differentiation rather than in proliferation. While the layering and the global structure of the retina appear normal in Bmi1 /adult mice, immunohistochemìcal analysis revealed defects in the three major classes of retinal interneurons, namely: horizontal, bipolar and amacrine cells. Electroretinogram recordings in Bmi9-/- mice are coherent with the defects observed at the histological level, with a reduced b-wave and low-profile oscillatory potentials. These results show that Bmi1 controls not only proliferation, but also cell type generation, as previously observed in the cerebellum. 3. Cell cycle events and related neuroprotective strategies in retinal degeneration : In several neurodegenerative disorders, neurons re-express cell cycle proteins such as cyclin dependent kinases (Cdks) prior to apoptosis. Here, we show for the first time that this is also the case during retinal degeneration. Rd1 mice carry a recessive defect (Pdeóbrd/rd) that causes retinal degeneration and serves as a model of retinitis pigmentosa. We found that photoreceptors express Cdk4 and Cdk2, and undergo DNA synthesis prior to cell death. To interfere with the reactivation of Cdk-related pathways, we deleted E2fs or Brni1, which normally allow cell cycle progression. While deleting E2f1 (downstream of Cdk4/6) in Rd1 mice provides only temporary protection, knocking out Bmi1 (upstream of Cdks) leads to an extensive neuroprotective effect, independent of p16ink4a or p19arf, two tumor suppressors regulated by Bmi1. Analysis of Cdks and the DNA repair-related protein Ligase IV showed that Bmi1 acts downstream of DNA repair events and upstream of Cdks in this neurodegenerative mechanism. Expression of Cdks during an acute model of retinal degeneration, light damage-induced photoreceptor death, points to a role for Bmi1 and cell cycle proteins in retinal degeneration. Considering the similarity with the cell cycle-related apoptotic pathway observed in other neurodegenerative diseases, Bmi1 is a possible general target to prevent or delay neuronal death. RESUME : Ce travail aborde plusieurs aspects de la régulation du cycle cellulaire, de la spécification du devenir des cellules et de la mort cellulaire dans le système nerveux centrale (SNC), plus particulièrement dans le cortex cérébral et dans la rétine. Nous nous sommes intéressés au gène Bmi1, appartenant à la famille polycomb et nécessaire à la prolifération et au renouvellement des cellules souches. Nous avons visé à disséquer son rôle dans le développement du cortex et de la rétine. Ces données, ainsi qu'une série de travaux publiés au cours des deux dernières décennies concernant la réactivation du cycle cellulaire dans les neurones en voie d'apoptose dans le SNC, nous ont ensuite poussé à chercher un lien entre la régulation du cycle cellulaire pendant le développement et au cours de la dégénérescence rétinienne. 1. Les effets de l'inactivation de Bmi1 dans le cortex cérébral : En accord avec l'incapacité des cellules souches neurales in vitro à proliférer et à se renouveler en absence de Bmi1, le cortex cérébral des souris Bmi1-/- présente de légers défauts de prolifération dans les compartiments contenant les cellules souches neurales. Ceci est en accord avec le profil d'expression de Bmi1 dans le télencéphale. Les conséquences de la délétion de Bmi1 sont toutefois nettement moins prononcées in vivo qu'in vitro ; cette différence suggère l'existence de mécanismes pouvant partiellement compenser l'absence de Bmi1 pendant la corticogenèse. Néanmoins, l'observation d'une réduction de la prolifération dans la zone sous-ventriculaire, la zone majeure de neurogenèse dans le télencéphale adulte, montre que Bmi1 contrôle la prolifération des cellules souche/progénitrices neurales chez la souris adulte. Nos résultats démontrent par ailleurs une augmentation de la production d'astrocytes à la naissance ainsi qu'une gliose généralisée à l'état adulte chez les souris Bmi1-/-. Les progéniteurs gliaux et les astrocytes conservent donc leur capacité à proliférer en absence de Bmi1. 2. Les effets de l'inactivation de Bmi1 dans la rétine : Le profil d'expression de Bmi1 pendant fe développement ainsi que dans la rétine adulte suggère un rôle de Bmi1 dans la spécification de certains types cellulaires et dans la différentiation plutôt que dans la prolifération. Alors que la structure et la lamination de la rétine semblent normales chez les souris Bmi1-/-, l'analyse par immunohistochimie amis en évidence des défauts au niveau des trois classes d'interneurones rétiniens (les cellules horizontales, bipolaires et amacrines). Les électrorétinogrammes des souris Bmi1-/- sont cohérents avec les défauts observés au niveau histologique et montrent une réduction de l'onde « b » et des potentiels oscillatoires. Ces résultats montrent que Bmi1 contrôle la génération de certaines sous-populations de neurones, comme démontré auparavant au niveau de cervelet. 3. Réactivation du cycle cellulaire et stratégies théraoeutiaues dans les dégénérescences rétiniennes : Dans plusieurs maladies neurodégénératives, les neurones ré-expriment des protéines du cycle cellulaire telles que les kinases cycline-dépendantes (Cdk) avant d'entrer en apoptose. Nous avons démontré que c'est aussi le cas dans les dégénérescences rétiniennes. Les souris Rd1 portent une mutation récessive (Pde6brd/rd) qui induit une dégénérescence de la rétine et sont utilisées comme modèle animal de rétinite pigmentaire. Nous avons observé que les photorécepteurs expriment Cdk4 et Cdk2, et entament une synthèse d'ADN avant de mourir par apoptose. Pour interférer avec la réactivation les mécanismes Cdk-dépendants, nous avons inactivé les gènes E2f et Bmi1, qui permettent normalement la progression du cycle cellulaire. Nous avons mis en évidence que la délétion de E2f1 (en aval de Cdk4/6) dans les souris Rd1 permet une protection transitoire des photorécepteurs. Toutefois, l'inactivation de Bmi1 (en amont des Cdk) est corrélée à une neuroprotection bien plus durable et ceci indépendamment de p16ink4a et p19arf, deux suppresseurs de tumeurs normalement régulés par Bmi1. L'analyse des Cdk et de la ligase IV (une protéine impliquée dans les mécanismes de réparation de l'ADN) a montré que Bmi1 agit en aval des événements de réparation de l'ADN et en amont des Cdk dans la cascade apoptotique dans les photorécepteurs des souris Rd1. Nous avons également observé la présence de Cdk dans un modèle aigu de dégénérescence rétinienne induit par une exposition des animaux à des niveaux toxiques de lumière. Nos résultats suggèrent donc un rôle général de Bmi1 et des protéines du cycle cellulaire dans les dégénérescences de la rétine. Si l'on considère la similarité avec les événements de réactivation du cycle cellulaire observés dans d'autres maladies neurodégénératives, Bmi1 pourrait être une cible thérapeutique générale pour prévenir la mort neuronale.

Cerebral extracellular lactate increase is predominantly non ischemic in patients with severe traumatic brain injury

Le cerveau est l'organe avec les besoins en énergie les plus élevés du corps humain, et le glucose est un substrat énergétique cérébral essentiel. Ces dernières décennies, la compréhension de la neuroénergétique a beaucoup évolué et un rôle du lactate comme substrat énergétique important a été mis en évidence, notamment suite à l'introduction du modèle de l'ANLS (astrocyte-neuron lactate shuttle). Selon celui-ci, les astrocytes convertissent le glucose en lactate par réaction de glycolyse, puis il est transporté jusqu'aux neurones qui l'utilisent comme source d'énergie à travers le cycle de Krebs. Chez l'homme, divers travaux récents ont montré que le lactate peut servir de « carburant » cérébral chez le sujet sain, après effort intense ou chez le patient diabétique. La régulation métabolique et le rôle du lactate après lésion cérébrale aiguë sont encore peu connus. Présentation de l'article Le but de ce travail a été d'étudier le métabolisme cérébral du lactate chez les patients atteints de traumatisme crânien (TCC) sévère. Nous avons émis l'hypothèse que l'augmentation du lactate cérébral chez ces patients n'était pas associée de manière prédominante à une hypoxie ou une ischémie mais plutôt à une glycolyse aérobie, et également à une perfusion cérébrale normale. L'étude a porté sur une cohorte prospective de 24 patients avec TCC sévère admis au service de médecine intensive du CHUV (centre hospitalier universitaire vaudois), monitorés par un système combinant microdialyse cérébrale (outil permettant de mesurer divers métabolites cérébraux, tels que le lactate, le pyruvate et le glucose), mesure de la pression cérébrale en oxygène et de la pression intracrânienne. Cet outil nous a permis de déterminer si l'élévation du lactate était principalement associée à une glycolyse active ou plutôt à une hypoxie. L'utilisation du CTde perfusion a permis d'évaluer la relation entre les deux patterns d'élévation du lactate (glycolytique ou hypoxique) et la perfusion cérébrale globale. Nos résultats ont montré que l'augmentation du lactate cérébral chez les patients avec TCC sévère était associée de manière prédominante à une glycolyse aérobie plutôt qu'à une hypoxie/ischémie. D'autre part, nous avons pu confirmer que les épisodes de lactate glycolytique étaient toujours associés à une perfusion cérébrale normale ou augmentée, alors que les épisodes de lactate hypoxique étaient associés à une hypoperfusion cérébrale. Conclusions et perspectives Nos résultats, qui ont permis de mieux comprendre le métabolisme cérébral du lactate chez les patients avec TCC sévère, soutiennent le concept que le lactate est produit dans des conditions aérobes et pourrait donc être utilisé comme source d'énergie par le cerveau lésé pour subvenir à des besoins augmentas. Etant donné que la dysfonction énergétique est une des probables causes de perte neuronale après traumatisme crânien, ces résultats ouvrent des perspectives thérapeutiques nouvelles après agression cérébrale chez l'homme, visant à tester un potentiel effet neuroprotecteur via l'administration de lactate exogène.

Gliotransmission in the hippocampus, mechanisms and interaction with synaptic functions

SUMMARYAstrocytes represent the largest cell population in the human brain. In addition to a well established role as metabolic support for neuronal activity, in the last years these cells have been found to accomplish other important and, sometimes, unexpected functions. The tight enwrapping of synapses by astrocytic processes and the predominant expression of glutamate uptake carriers in the astrocytic rather than neuronal plasma membranes brought to the definition of a critical involvement of astrocytes in the clearance of glutamate from synaptic junctions. Moreover, several publications showed that astrocytes are able to release chemical transmitters (gliotransmitters) suggesting their active implication in the control of synaptic functions. Among gliotransmitters, the best characterized is glutamate, which has been proposed to be released from astrocytes in a Ca2+ dependent manner via exocytosis of synaptic-like microvesicles.In my thesis I present results leading to substantial advancement of the understanding of the mechanisms by which astrocytes modulate synaptic activity in the hippocampus, notably at excitatory synapses on dentate granule cells. I show that tumor necrosis factor- alpha (TNFa), a molecule that is generally involved in immune system functions, critically controls astrocyte-to-synapse communication (gliotransmission) in the brain. With constitutive levels of TNFa present, activation of purinergic G protein-coupled receptors in astrocytes, called P2Y1 receptors, induces localized intracellular calcium ([Ca2+]j) elevation in astrocytic processes (measured by two-photon microscopy) followed by glutamate release and activation of pre-synaptic NMDA receptors resulting in synaptic potentiation. In preparations lacking TNFa, astrocytes respond with identical [Ca2+]i elevations but fail to induce neuromodulation. I find that TNFa specifically controls the glutamate release step of gliotransmission. Addition of very low (picomolar) TNFa concentrations to preparations lacking the cytokine, promptly reconstitutes both normal exocytosis in cultured astrocytes and gliotransmission in hippocampal slices. These data provide the first demonstration that gliotransmission and its synaptic effects are controlled not only by astrocyte [Ca2+]i elevations but also by permissive/homeostatic factors like TNFa.In addition, I find that higher and presumably pathological TNFa concentrations do not act just permissively but instead become direct and potent triggers of glutamate release from astrocytes, leading to a strong enhancement of excitatory synaptic activity. The TNFa action, like the one observed upon P2Y1R activation, is mediated by pre-synaptic NMDA receptors, but in this case the effect is long-lasting, and not reversible. Moreover, I report that a necessary molecular target for this action of TNFa is TNFR1, one of the two specific receptors for the cytokine, as I found that TNFa was unable to induce synaptic potentiation when applied in slices from TNFR1 knock-out (Tnfrlv") mice. I then created a double transgenic mouse model where TNFR1 is knocked out in all cells but can be re-expressed selectively in astrocytes and I report that activation of the receptors in these cells is sufficient to reestablish TNFa-dependent long-lasting potentiation of synaptic activity in the TNFR1 knock-out mice.I therefore discovered that TNFa is a primary molecule displaying both permissive and instructive roles on gliotransmission controlling synaptic functions. These reports might have profound implications for the understanding of both physiological and pathological processes associated to TNFa production, including inflammatory processes in the brain.RÉSUMÉLes astrocytes sont les cellules les plus abondantes du cerveau humain. Outre leur rôle bien établi dans le support métabolique de l'activité neuronale, d'autres fonctions importantes, et parfois inattendues de ces cellules ont été mises en lumière au cours de ces dernières années. Les astrocytes entourent étroitement les synapses de leurs fins processus qui expriment fortement les transporteurs du glutamate et permettent ainsi aux astrocytes de jouer un rôle critique dans l'élimination du glutamate de la fente synaptique. Néanmoins, les astrocytes semblent être capables de jouer un rôle plus intégratif en modulant l'activité synaptique, notamment par la libération de transmetteurs (gliotransmetteurs). Le gliotransmetteur le plus étudié est le glutamate qui est libéré par l'exocytose régulée de petites vésicules ressemblant aux vésicules synaptiques (SLMVs) via un mécanisme dépendant du calcium.Les résultats présentés dans cette thèse permettent une avancée significative dans la compréhension du mode de communication de ces cellules et de leur implication dans la transmission de l'information synaptique dans l'hippocampe, notamment des synapses excitatrices des cellules granulaires du gyrus dentelé. J'ai pu montrer que le « facteur de nécrose tumorale alpha » (TNFa), une cytokine communément associée au système immunitaire, est aussi fondamentale pour la communication entre astrocyte et synapse. Lorsqu'un niveau constitutif très bas de TNFa est présent, l'activation des récepteurs purinergiques P2Y1 (des récepteurs couplés à protéine G) produit une augmentation locale de calcium (mesurée en microscopie bi-photonique) dans l'astrocyte. Cette dernière déclenche ensuite une libération de glutamate par les astrocytes conduisant à l'activation de récepteurs NMDA présynaptiques et à une augmentation de l'activité synaptique. En revanche, dans la souris TNFa knock-out cette modulation de l'activité synaptique par les astrocytes n'est pas bien qu'ils présentent toujours une excitabilité calcique normale. Nous avons démontré que le TNFa contrôle spécifiquement l'exocytose régulée des SLMVs astrocytaires en permettant la fusion synchrone de ces vésicules et la libération de glutamate à destination des récepteurs neuronaux. Ainsi, nous avons, pour la première fois, prouvé que la modulation de l'activité synaptique par l'astrocyte nécessite, pour fonctionner correctement, des facteurs « permissifs » comme le TNFa, agissant sur le mode de sécrétion du glutamate astrocytaire.J'ai pu, en outre, démontrer que le TNFa, à des concentrations plus élevées (celles que l'on peut observer lors de conditions pathologiques) provoque une très forte augmentation de l'activité synaptique, agissant non plus comme simple facteur permissif mais bien comme déclencheur de la gliotransmission. Le TNFa provoque 1'activation des récepteurs NMD A pré-synaptiques (comme dans le cas des P2Y1R) mais son effet est à long terme et irréversible. J'ai découvert que le TNFa active le récepteur TNFR1, un des deux récepteurs spécifiques pour le TNFa. Ainsi, l'application de cette cytokine sur une tranche de cerveau de souris TNFR1 knock-out ne produit aucune modification de l'activité synaptique. Pour vérifier l'implication des astrocytes dans ce processus, j'ai ensuite mis au point un modèle animal doublement transgénique qui exprime le TNFR1 uniquement dans les astrocytes. Ce dernier m'a permis de prouver que l'activation des récepteurs TNFR1 astrocytaires est suffisante pour induire une augmentation de l'activité synaptique de manière durable.Nous avons donc découvert que le TNFa possède un double rôle, à la fois un rôle permissif et actif, dans le contrôle de la gliotransmission et, par conséquent, dans la modulation de l'activité synaptique. Cette découverte peut potentiellement être d'une extrême importance pour la compréhension des mécanismes physiologiques et pathologiques associés à la production du TNFa, en particulier lors de conditions inflammatoires.RÉSUMÉ GRAND PUBLICLes astrocytes représentent la population la plus nombreuse de cellules dans le cerveau humain. On sait, néanmoins, très peu de choses sur leurs fonctions. Pendant très longtemps, les astrocytes ont uniquement été considérés comme la colle du cerveau, un substrat inerte permettant seulement de lier les cellules neuronales entre elles. Il n'y a que depuis peu que l'on a découvert de nouvelles implications de ces cellules dans le fonctionnement cérébral, comme, entre autres, une fonction de support métabolique de l'activité neuronale et un rôle dans la modulation de la neurotransmission. C'est ce dernier aspect qui fait l'objet de mon projet de thèse.Nous avons découvert que l'activité des synapses (régions qui permettent la communication d'un neurone à un autre) qui peut être potentialisée par la libération du glutamate par les astrocytes, ne peut l'être que dans des conditions astrocytaires très particulières. Nous avons, en particulier, identifié une molécule, le facteur de nécrose tumorale alpha (TNFa) qui joue un rôle critique dans cette libération de glutamate astrocytaire.Le TNFa est surtout connu pour son rôle dans le système immunitaire et le fait qu'il est massivement libéré lors de processus inflammatoires. Nous avons découvert qu'en concentration minime, correspondant à sa concentration basale, le TNFa peut néanmoins exercer un rôle indispensable en permettant la communication entre l'astrocyte et le neurone. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus physiologique qui permet d'intégrer la communication astrocyte/neurone au fonctionnement général du cerveau. Par ailleurs, nous avons également démontré qu'en quantité plus importante, le TNFa change son mode de fonctionnement et agit comme un stimulateur direct de la libération de glutamate par l'astrocyte et induit une activation persistante de l'activité synaptique. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus pathologique.Nous sommes également arrivés à ces conclusions grâce à la mise en place d'une nouvelle souche de souris doublement transgéniques dans lesquelles seuls les astrocytes (etnon les neurones ou les autres cellules cérébrales) sont capables d'être activés par le TNFa.

Sweet sixteen for ANLS.

Since its introduction 16 years ago, the astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS) model has profoundly modified our understanding of neuroenergetics by bringing a cellular and molecular resolution. Praised or disputed, the concept has never ceased to attract attention, leading to critical advances and unexpected insights. Here, we summarize recent experimental evidence further supporting the main tenets of the model. Thus, evidence for distinct metabolic phenotypes between neurons (mainly oxidative) and astrocytes (mainly glycolytic) have been provided by genomics and classical metabolic approaches. Moreover, it has become clear that astrocytes act as a syncytium to distribute energy substrates such as lactate to active neurones. Glycogen, the main energy reserve located in astrocytes, is used as a lactate source to sustain glutamatergic neurotransmission and synaptic plasticity. Lactate is also emerging as a neuroprotective agent as well as a key signal to regulate blood flow. Characterization of monocarboxylate transporter regulation indicates a possible involvement in synaptic plasticity and memory. Finally, several modeling studies captured the implications of such findings for many brain functions. The ANLS model now represents a useful, experimentally based framework to better understand the coupling between neuronal activity and energetics as it relates to neuronal plasticity, neurodegeneration, and functional brain imaging.

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.

Early detection of idiopathic Parkinson's disease based on magnetic resonance imaging

The diagnosis of idiopathic Parkinson's disease (IPD) is entirely clinical. The fact that neuronal damage begins 5-10 years before occurrence of sub-clinical signs, underlines the importance of preclinical diagnosis. A new approach for in-vivo pathophysiological assessment of IPD-related neurodegeneration was implemented based on recently developed neuroimaging methods. It is based on non- invasive magnetic resonance data sensitive to brain tissue property changes that precede macroscopic atrophy in the early stages of IPD. This research aims to determine the brain tissue property changes induced by neurodegeneration that can be linked to clinical phenotypes which will allow us to create a predictive model for early diagnosis in IPD. We hypothesized that the degree of disease progression in IPD patients will have a differential and specific impact on brain tissue properties used to create a predictive model of motor and non-motor impairment in IPD. We studied the potential of in-vivo quantitative imaging sensitive to neurodegeneration- related brain tissue characteristics to detect changes in patients with IPD. We carried out methodological work within the well established SPM8 framework to estimate the sensitivity of tissue probability maps for automated tissue classification for detection of early IPD. We performed whole-brain multi parameter mapping at high resolution followed by voxel-based morphometric (VBM) analysis and voxel-based quantification (VBQ) comparing healthy subjects to IPD patients. We found a trend demonstrating non-significant tissue property changes in the olfactory bulb area using the MT and R1 parameter with p<0.001. Comparing to the IPD patients, the healthy group presented a bilateral higher MT and R1 intensity in this specific functional region. These results did not correlate with age, severity or duration of disease. We failed to demonstrate any changes with the R2* parameter. We interpreted our findings as demyelination of the olfactory tract, which is clinically represented as anosmia. However, the lack of correlation with duration or severity complicates its implications in the creation of a predictive model of impairment in IPD.

Imaging pheromone sensing in a mouse vomeronasal acute tissue slice preparation.

Peter Karlson and Martin Lüscher used the term pheromone for the first time in 1959 to describe chemicals used for intra-species communication. Pheromones are volatile or non-volatile short-lived molecules secreted and/or contained in biological fluids, such as urine, a liquid known to be a main source of pheromones. Pheromonal communication is implicated in a variety of key animal modalities such as kin interactions, hierarchical organisations and sexual interactions and are consequently directly correlated with the survival of a given species. In mice, the ability to detect pheromones is principally mediated by the vomeronasal organ (VNO), a paired structure located at the base of the nasal cavity, and enclosed in a cartilaginous capsule. Each VNO has a tubular shape with a lumen allowing the contact with the external chemical world. The sensory neuroepithelium is principally composed of vomeronasal bipolar sensory neurons (VSNs). Each VSN extends a single dendrite to the lumen ending in a large dendritic knob bearing up to 100 microvilli implicated in chemical detection. Numerous subpopulations of VSNs are present. They are differentiated by the chemoreceptor they express and thus possibly by the ligand(s) they recognize. Two main vomeronasal receptor families, V1Rs and V2Rs, are composed respectively by 240 and 120 members and are expressed in separate layers of the neuroepithelium. Olfactory receptors (ORs) and formyl peptide receptors (FPRs) are also expressed in VSNs. Whether or not these neuronal subpopulations use the same downstream signalling pathway for sensing pheromones is unknown. Despite a major role played by a calcium-permeable channel (TRPC2) present in the microvilli of mature neurons TRPC2 independent transduction channels have been suggested. Due to the high number of neuronal subpopulations and the peculiar morphology of the organ, pharmacological and physiological investigations of the signalling elements present in the VNO are complex. Here, we present an acute tissue slice preparation of the mouse VNO for performing calcium imaging investigations. This physiological approach allows observations, in the natural environment of a living tissue, of general or individual subpopulations of VSNs previously loaded with Fura-2AM, a calcium dye. This method is also convenient for studying any GFP-tagged pheromone receptor and is adaptable for the use of other fluorescent calcium probes. As an example, we use here a VG mouse line, in which the translation of the pheromone V1rb2 receptor is linked to the expression of GFP by a polycistronic strategy.

Long-term cerebral plasticity-related gene expression : a study of the respective role of CBP and CRTC1 in CREB transcriptional activation

1.1 AbstractThe treatment of memory disorders and cognitive deficits in various forms of mental retardation may greatly benefit from a better understanding of the molecular and cellular mechanisms of memory formation. Different forms of memory have distinct molecular requirements.Short-term memory (STM) is thought to be mediated by covalent modifications of existing synaptic molecules, such as phosphorylation or dephosphorylation of enzymes, receptors or ion channels. In contrast, long-term memoiy (LTM) is thought to be mediated by growth of new synapses and restructuring of existing synapses. There is extensive evidence that changes in gene expression and de novo protein synthesis are key processes for LTM formation. In this context, the transcription factor CREB (cAMP-response element-binding protein) was shown to be crucial. Activation of CREB requires phosphorylation of a serine residue (Ser-133), and the subsequent recruitment of a coactivator called CREB-binding protein (CBP). Moreover, we have recently shown that another coactivator called CREB Regulated Transcription Coactivator 1 (CRTC1) functions as a calcium- and cAMP-sensitive coincidence detector in neurons, and is involved in hippocampal long-term synaptic plasticity. Given the importance of cAMP and calcium signaling for plasticity-related gene expression in neurons and in astrocytes, we sought to determine the respective involvement of the CREB coactivators CBP and CRTC1 in CREB-mediated transcription.We developed various strategies to selectively interfere with these CREB coactivators in mouse primary neurons and in astrocytes in vitro. However, despite several pieces of evidence implicating CBP and/or CRTC1 in the regulation of neuronal plasticity genes, we could not clearly determine the respective requirement of these coactivators for the activation of these genes. Nevertheless, we showed that calcineurin activity, which is important for CRTC1 nuclear translocation, is necessary for the expression of some CREB-regulated plasticity genes. We associated this phenomena to physiopathological conditions observed in Down's syndrome. In addition, we demonstrated that in astrocytes, noradrenaline stimulates CREB-target gene expression through β-adrenergic receptor activation, intracellular cAMP pathway activation, and CRTC-induced CREB transactivation.Defining the respective role of CREB and its coactivators CBP and CRTC1 in neuronal and astrocytic cultures in vitro sets the stage for future in vivo studies and for the possible development of new therapeutic strategies to improve the treatment of memoiy and cognitive disorders.1.2 RésuméUne meilleure connaissance des mécanismes moléculaires et cellulaires responsables de la formation de la mémoire pourrait grandement améliorer le traitement des troubles de la mémoire ainsi que des déficits cognitifs observés dans différentes formes de pathologies psychiatriques telles que le retard mental. Les différentes formes de mémoire dépendent de processus moléculaires différents.La mémoire à court terme (STM) semble prendre forme suite à des modifications covalentes de molécules synaptiques préexistantes, telles que la phosphorylation ou la déphosphorylation d'enzymes, de récepteurs ou de canaux ioniques. En revanche, la mémoire à long terme (LTM) semble être due à la génération de nouvelles synapses et à la restructuration des synapses existantes. De nombreuses études ont permis de démontrer que les changements dans l'expression des gènes et la synthèse de protéine de novo sont des processus clés pour la formation de la LTM. Dans ce contexte, le facteur de transcription CREB (cAMP-response element-binding protein) s'est avéré être un élément crucial. L'activation de CREB nécessite la phosphorylation d'un résidu sérine (Ser-133), et le recrutement d'un coactivateur nommé CBP (CREB binding protein). En outre, nous avons récemment démontré qu'un autre coactivateur de CREB nommé CRTC1 (CREB Regulated Transcription Coactivator 1) agit comme un détecteur de coïncidence de l'AMP cyclique (AMPc) et du calcium dans les neurones et qu'il est impliqué dans la formation de la plasticité synaptique à long terme dans l'hippocampe. Etant donné l'importance des voies de l'AMPc et du calcium dans l'expression des gènes impliqués dans la plasticité cérébrale, nous voulions déterminer le rôle respectif des coactivateurs de CREB, CBP et CRTC1.Nous avons développé diverses stratégies pour interférer de façon sélective avec les coactivateurs de CREB dans les neurones et dans les astrocytes chez la souris in vitro. Nos résultats indiquent que CBP et CRTC1 sont tous deux impliqués dans la transcription dépendante de CREB induite par l'AMPc et le calcium dans les neurones. Cependant, malgré plusieurs évidences impliquant CBP et/ou CRTC1 dans l'expression de gènes de plasticité neuronale, nous n'avons pas pu déterminer clairement leur nécessité respective pour l'activation de ces gènes. Toutefois, nous avons montré que l'activité de la calcineurine, dont dépend la translocation nucléaire de CRTC1, est nécessaire à l'expression de certains de ces gènes. Nous avons pu associer ce phénomène à une condition physiopathologique observée dans le syndrome de Down. Nous avons également montré que dans les astrocytes, la noradrénaline stimule l'expression de gènes cibles de CREB par une activation des récepteurs β- adrénergiques, l'activation de la voie de l'AMPc et la transactivation de CREB par les CRTCs.Définir le rôle respectif de CREB et de ses coactivateurs CBP et CRTC1 dans les neurones et dans les astrocytes in vitro permettra d'acquérir les connaissances nécessaires à de futures études in vivo et, à plus long terme d'éventuellement développer des stratégies thérapeutiques pour améliorer les traitements des troubles cognitifs.

Characterization of Epstein-Barr virus-specific immune responses and of the novel cytokine interleukin-26 in patients with multiple sclerosis

RÉSUMÉ La sclérose en plaques (SEP) est une maladie démyélinisante du système nerveux central (SNC) qui touche le plus souvent de jeunes femmes. Bien qu'elle ait été décrite pour la première fois il y a plus de 200 ans, son étiologie n'est pas encore complètement comprise. Contrairement à d'autres maladies purement génétiques, l'épidémiologie de la SEP ne peut être que partiellement expliquée par des facteurs génétiques. Ceci suggère que des facteurs environnementaux pourraient être impliqués dans la pathogenèse de la SEP. Parmi ceux-ci, le virus d'Epstein-Barr (EBV) est un excellent candidat, comme cela a été démontré par de larges études séroépidémiologiques ainsi que pax l'évaluation de la réponse cellulaire dans le sang. Bien que le SNC soit en fait la cible des réponses immunitaires anormales dans la SEP, peu d'études ont été accomplies sur les réponses immunitaires spécifiques à EBV dans ce compartiment. Ceci est particulièrement vrai chez des patients vivants chez lesquels des biopsies sont rarement effectuées, ainsi que pour les réponses cellulaires car très peu de cellules immunitaires peuvent être obtenues du SNC. Nous avons donc développé des conditions de cultures et un readout nous permettant d'étudier le nombre réduit de cellules disponibles dans le liquide céphalo-rachidien (LCR), qui représente le seul matériel pouvant être obtenu du SNC de patients SEP vivants. Nous avons trouvé que les réponses cellulaires et humorales spécifiques à EBV étaient augmentées dans le LCR des patients SEP comparé à du sang pairé, ainsi que par rapport à des patients avec d'autres maladies neurologiques inflammatoires et noninflammatoires. Afin de déterminer si les réponses immunitaires augmentées contre EBV étaient spécifiques à ce virus ou si elles reflétaient simplement une hyperactivation immunitaire aspécifique, nous avons comparé les réponses spécifiques à EBV avec celles spécifiques au cytomegalovirus (CNN). En effet, comme EBV, CNN est un herpesvirus neurotropique qui peut établir des infections latentes, mais ce dernier n'est pas considéré comme étant associé à la SEP. De façon intéressante, les réponses immunitaires spécifiques à CNN trouvées dans le LCR étaient plus basses que dans le sang, et ceci dans toutes les catégories de patients. Ces données suggèrent qu'une réactivation d'EBV pourrait avoir lieu dans le SNC des patients SEP à un stade précoce de la maladie et renforcent fortement l'hypothèse qu'EBV pourrait avoir un rôle déclencheur dans cette maladie. Ainsi, il pourrait être intéressant d'explorer si un traitement ou un vaccin efficace contre EBV peut prévenir le développement de la SEP. On ne connaît toujours pas la raison pour laquelle les réponses immunitaires spécifiques à EBV sont augmentées chez les patients SEP. Une hypothèse est que la réponse immunitaire est qualitativement différente chez les patients SEP par rapports aux contrôles. Pour examiner ceci, nous avons évalué le profile cytokinique de lymphocytes T CD4+ et CD8+ stimulés par EBV, mais nous n'avons pas pu mettre en évidence de différence remarquable entre patients SEP et sujets sains. Cette question reste donc ouverte et d'autres études sont justifiées. Il n'existe pas de marqueur fiable de la SEP. Ici, nous avons trouvé que la cytokine IL-26, récemment décrite, était augmentée dans les lymphocytes T CD8+ des patients avec une SEP secondairement progressive comparé à des patients SEP en poussée, des patients avec une SEP primairement progressive, des patients avec d'autres maladies neurologiques inflammatoires, ou des sujets sains. De plus, nous avons identifié des types de cellules dérivées du cerveau (astrocytes, oligodendrocytes et neurones) qui exprimaient le récepteur de l'IL-26. Ceci ouvre la voie à d'autres études afin de mieux comprendre la fonction de l'II.-26 et son interaction avec la. SEP. SUMMARY : Multiple sclerosis (MS) is a demyelinating disease affecting the central nervous system (CNS), mostly in young female adults. Although it was first described 200 years ago, its etiology is still not completely understood. Contrary to other purely genetic diseases, genetics can explain only part of MS epidemiology. Therefore, environmental factors that might be involved in MS pathogenesis were searched for. Among them, Epstein-Barr virus (EBV) is a strong potential candidate, such as shown by large seroepidemiological studies and cellular immune response assessments in the blood. Although the CNS is the actual target of abnormal immune responses in MS, few studies have been performed on EBV-specific immune responses in this compartment. This is particularly true for live patients, from which biopsy material is almost never available, and for cellular immune responses, since very few immune cells are available from the CNS. We therefore developed culture conditions and a readout that were compatible with the study of the reduced number of cells found in the cerebrospinal fluid (CSF), the only readily available material from the CNS of live ' MS patients. We found that EBV-specific cellular and humoral immune responses were increased in the CSF of MS patients as compared with paired blood, as well as compared with the CSF of patients with other inflammatory and non-inflammatory neurological diseases. To determine whether the enhanced immune responses against EBV were specific of this virus or simply reflected an aspecific immune hyperactivation, we compared the EBV- with the cytomegalovirus (CMV)-specific immune responses. Indeed, like EBV, CMV is a neurotrophic herpesvirus that can establish latent infections, but the latter is not considered to be associated with MS. Interestingly, CSF CMV-specific immune responses were lower than blood ones and this, in all patient categories. These findings suggest that EBV reactivation may be taking place in the CNS of patients at the early stages of MS and strengthen the hypothesis that EBV may have a triggering role in this disease. Therefore, it might be interesting to explore whether an efficient anti-EBV drug or vaccine is able to prevent MS development. The reason why EBV-specific immune responses are increased in MS patients is still missing. One hypothesis might be that the immune response against EBV is qualitatively different in MS patients as compared with controls. To examine this, we assessed the cytokine mRNA profile of EBV-stimulated CD4+ and CD8+ T cells, but could not find any remarkable difference between MS patients and healthy controls. Therefore, this question remains open and fiirther studies are warranted. Reliable disease markers are lacking for MS. Here, we found that the recently described cytokine IL-26 was increased in CD8+ T cells of patients with secondary progressive MS as compared with relapsing MS, primary progressive MS, other inflammatory neurological diseases and healthy controls. Moreover, we identified brain cell types (astrocytes, oligodendrocytes and neurons) that expressed the IL-26 receptor, paring the way for further studies to understand IL-26 function and its interaction with MS.

Hypoxie-ischémie cérébrale néonatale : rôle de la voie de JNK et implication de l'autophagie dans la mort neuronale

Résumé : Malgré les immenses progrès réalisés depuis plusieurs années en médecine obstétricale ainsi qu'en réanimation néonatale et en recherche expérimentale, l'asphyxie périnatale, une situation de manque d'oxygène autour du moment de la naissance, reste une cause majeure de mortalité et de morbidité neurologique à long terme chez l'enfant (retard mental, paralysie cérébrale, épilepsie, problèmes d'apprentissages) sans toutefois de traitement pharmacologique réel. La nécessité de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques pour les complications de l'asphyxie périnatale est donc aujourd'hui encore essentielle. Le but général de ce travail est l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques impliquées dans des mécanismes moléculaires pathologiques induits par l'hypoxie-ischémie (HI) dans le cerveau immature. Pour cela, le modèle d'asphyxie périnatale (proche du terme) le plus reconnu chez le rongeur a été développé (modèle de Rice et Vannucci). Il consiste en la ligature permanente d'une artère carotide commune (ischémie) chez le raton de 7 jours combinée à une période d'hypoxie à 8% d'oxygène. Il permet ainsi d'étudier les lésions de type hypoxique-ischémique dans différentes régions cérébrales dont le cortex, l'hippocampe, le striatum et le thalamus. La première partie de ce travail a abordé le rôle de deux voies de MAPK, JNK et p38, après HI néonatale chez le raton à l'aide de peptides inhibiteurs. Tout d'abord, nous avons démontré que D-JNKI1, un peptide inhibiteur de la voie de JNK présentant de fortes propriétés neuroprotectrices dans des modèles d'ischémie cérébrale adulte ainsi que chez le jeune raton, peut intervenir sur différentes voies de mort dont l'activation des calpaïnes (marqueur de la nécrose précoce), l'activation de la caspase-3 (marqueur de l'apoptose) et l'expression de LC3-II (marqueur de macroautophagie). Malgré ces effets positifs le traitement au D-JNKI1 ne modifie pas l'étendue de la lésion cérébrale. L'action limitée de D-JNKI1 peut s'expliquer par une implication modérée des JNKs (faiblement activées et principalement l'isotype JNK3) après HI néonatale sévère. Au contraire, l'inhibition de la voie de nNOS/p38 par le peptide DTAT-GESV permet une augmentation de 20% du volume du tissu sain à court et long terme. Le second projet a étudié les effets de l'HI néonatale sur l'autophagie neuronale. En effet, l'autophagie est un processus catabolique essentiel au bien-être de la cellule. Le type principal d'autophagie (« macroautophagie » , que nous appellerons par la suite « autophagie ») consiste en la séquestration d'éléments à dégrader (protéines ou organelles déficients) dans un compartiment spécialisé, l'autophagosome, qui fusionne avec un lysosome pour former un autolysosome où le contenu est dégradé par les hydrolases lysosomales. Depuis peu, l'excès ou la dérégulation de l'autoptiagie a pu être impliqué dans la mort cellulaire en certaines conditions de stress. Ce travail démontre que l'HI néonatale chez le raton active fortement le flux autophagique, c'est-à-dire augmente la formation des autophagosomes et des autolysosomes, dans les neurones en souffrance. De plus, la relation entre l'autophagie et l'apoptose varie selon la région cérébrale. En effet, alors que dans le cortex les neurones en voie de mort présentent des caractéristiques mixtes apoptotiques et autophagiques, ceux du CA3 sont essentiellement autophagiques et ceux du CA1 sont principalement apoptotiques. L'induction de l'autophagie après HI néonatale semble donc participer à la mort neuronale soit par l'enclenchement de l'apoptose soit comme mécanisme de mort en soi. Afin de comprendre la relation pouvant exister entre autophagie et apoptase un troisième projet a été réalisé sur des cultures primaires de neurones corticaux exposés à un stimulus apoptotique classique, la staurosporine (STS). Nous avons démontré que l'apoptose induite par la STS était précédée et accompagnée par une forte activation du flux autophagique neuronal. L'inhibition de l'autophagie de manière pharmacologique (3-MA) ou plus spécifiquement par ARNs d'interférence dirigés contre deux protéines autophagiques importantes (Atg7 et Atg5) a permis de mettre en évidence des rôles multiples de l'autophagie dans la mort neuronale. En effet, l'autophagie prend non seulement part à une voie de mort parallèle à l'apoptose pouvant être impliquée dans l'activation des calpaïnes, mais est également partiellement responsable de l'induction des voies apoptotiques (activation de la caspase-3 et translocation nucléaire d'AIF). En conclusion, ce travail a montré que l'inhibition de JNK par D-JNKI1 n'est pas un outil neuroprotecteur efficace pour diminuer la mort neuronale provoquée par l'asphyxie périnatalé sévère, et met en lumière deux autres voies thérapeutiques beaucoup plus prometteuses, l'inhibition de nNOS/p38 ou de l'autophagie. ABSTRACT : Despite enormous progress over the last«decades in obstetrical and neonatal medicine and experimental research, perinatal asphyxia, a situation of lack of oxygen around the time of the birth, remains a major cause of mortality and long term neurological morbidity in children (mental retardation, cerebral palsy, epilepsy, learning difficulties) without any effective treatment. It is therefore essential to develop new therapeutic strategies for the complications of perinatal asphyxia. The overall aim of this work was to identify new therapeutic targets involved in pathological molecular mechanisms induced by hypoxia-ischemia (HI) in the immature brain. For this purpose, the most relevant model of perinatal asphyxia (near term) in rodents has been developed (model of Rice and Vannucci). It consists in the permanent ligation of one common carotid artery (ischemia) in the 7-day-old rat combined with a period of hypoxia at 8% oxygen. This model allows the study of the hypoxic-ischemic lesion in different brain regions including the cortex, hippocampus, striatum and thalamus. The first part of this work addressed the role of two MAPK pathways (JNK and p38) after rat neonatal HI using inhibitory peptides. First, we demonstrated that D-JNKI1, a JNK peptide inhibitor presenting strong neuroprotective properties in models of cerebral ischemia in adult and young rats, could affect different cell death mechanisms including the activation of calpain (a marker of necrosis) and caspase-3 (a marker of apoptosis), and the expression of LC3-II (a marker of macroautophagy). Despite these positive effects, D-JNKI1 did not modify the extent of brain damage. The limited action of D-JNKI1 can be explained by the fact that JNKs were only moderately involved (weakly activated and principally the JNK3 isotype) after severe neonatal HI. In contrast, inhibition of nNOS/p38 by the peptide D-TAT-GESV increased the surviving tissue volume by around 20% at short and long term. The second project investigated the effects of neonatal HI on neuronal autophagy. Indeed, autophagy is a catabolic process essential to the well-being of the cell. The principal type of autophagy ("macroautophagy", that we shall henceforth call "autophagy") involves the sequestration of elements to be degraded (deficient proteins or organelles) in a specialized compartment, the autophagosome, which fuses with a lysosome to form an autolysosome where the content is degraded by lysosomal hydrolases. Recently, an excess or deregulation of autophagy has been implicated in cell death in some stress conditions. The present study demonstrated that rat neonatal HI highly enhanced autophagic flux, i.e. increased autophagosome and autolysosome formation, in stressed neurons. Moreover, the relationship between autophagy and apoptosis varies according to the brain region. Indeed, whereas dying neurons in the cortex exhibited mixed features of apoptosis and autophagy, those in CA3 were primarily autophagíc and those in CA1 were mainly apoptotic. The induction of autophagy after neonatal HI seems to participate in neuronal death either by triggering apoptosis or as a death mechanism per se. To understand the relationships that may exist between autophagy and apoptosis, a third project has been conducted using primary cortical neuronal cultures exposed to a classical apoptotic stimulus, staurosporine (STS). We demonstrated that STS-induced apoptosis was preceded and accompanied by a strong activation of neuronal autophagic flux. Inhibition of autophagy pharmacologically (3-MA) or more specifically by RNA interference directed against two important autophagic proteins (Atg7 and AtgS) showed multiple roles of autophagy in neuronal death. Indeed, autophagy was not only involved in a death pathway parallel to apoptosis possibly involved in the activation of calpains, but was also partially responsible for the induction of apoptotic pathways (caspase-3 activation and AIF nuclear translocation). In conclusion, this study showed that JNK inhibition by D-JNKI1 is not an effective neuroprotective tool for decreasing neuronal death following severe perinatal asphyxia, but highlighted two more promising therapeutic approaches, inhibition of the nNOSlp38 pathway or of autophagy.

Learning ability and longevity: a symmetrical evolutionary trade-off in Drosophila.

Learning ability can be substantially improved by artificial selection in animals ranging from Drosophila to rats. Thus these species have not used their evolutionary potential with respect to learning ability, despite intuitively expected and experimentally demonstrated adaptive advantages of learning. This suggests that learning is costly, but this notion has rarely been tested. Here we report correlated responses of life-history traits to selection for improved learning in Drosophila melanogaster. Replicate populations selected for improved learning lived on average 15% shorter than the corresponding unselected control populations. They also showed a minor reduction in fecundity late in life and possibly a minor increase in dry adult mass. Selection for improved learning had no effect on egg-to-adult viability, development rate, or desiccation resistance. Because shortened longevity was the strongest correlated response to selection for improved learning, we also measured learning ability in another set of replicate populations that had been selected for extended longevity. In a classical olfactory conditioning assay, these long-lived flies showed an almost 40% reduction in learning ability early in life. This effect disappeared with age. Our results suggest a symmetrical evolutionary trade-off between learning ability and longevity in Drosophila.

Phase-based manganese enhanced MRI, a new methodology to enhance brain cytoarchitectural contrast and study manganese uptake.

PURPOSE: As the magnetic susceptibility induced frequency shift increases linearly with magnetic field strength, the present work evaluates manganese as a phase imaging contrast agent and investigates the dose dependence of brain enhancement in comparison to T1 -weighted imaging after intravenous administration of MnCl2 . METHODS: Experiments were carried out on 12 Sprague-Dawley rats. MnCl2 was infused intravenously with the following doses: 25, 75, 125 mg/kg (n=4). Phase, T1 -weighted images and T1 maps were acquired before and 24h post MnCl2 administration at 14.1 Tesla. RESULTS: Manganese enhancement was manifested in phase imaging by an increase in frequency shift differences between regions rich in calcium gated channels and other tissues, together with local increase in signal to noise ratio (from the T1 reduction). Such contrast improvement allowed a better visualization of brain cytoarchitecture. The measured T1 decrease observed across different manganese doses and in different brain regions were consistent with the increase in the contrast to noise ratio (CNR) measured by both T1 -weighted and phase imaging, with the strongest variations being observed in the dentate gyrus and olfactory bulb. CONCLUSION: Overall from its high sensitivity to manganese combined with excellent CNR, phase imaging is a promising alternative imaging protocol to assess manganese enhanced MRI at ultra high field. Magn Reson Med 72:1246-1256, 2014. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.

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.