Habituation of an invertebrate escape reflex due to modulation by higher centers rather than local events.

Learning is widely thought to result from altered potency of synapses within the neural pathways that mediate the learned behavior. Support for this belief, which pervades current physiological and computational thinking, comes especially from the analysis of cases of simple learning in invertebrates. Here, evidence is presented that in one such case, habituation of crayfish escape, the learning is more due to onset of tonic descending inhibition than to the intrinsic depression of circuit synapses to which it was previously attributed. Thus, the altered performance seems to depend at least as much on events in higher centers as on local plasticity.

Refinement of odor molecule tuning by dendrodendritic synaptic inhibition in the olfactory bulb.

Mitral/tufted cells (M/T cells) and granule cells form reciprocal dendrodendritic synapses in the main olfactory bulb; the granule cell is excited by glutamate from the M/T cell and in turn inhibits M/T cells by gamma-aminobutyrate. The trans-synaptically excited granule cell is thought to induce lateral inhibition in neighboring M/T cells and to refine olfactory information. It remains, however, elusive how significantly and specifically this synaptic regulation contributes to the discrimination of different olfactory stimuli. This investigation concerns the mechanism of olfactory discrimination by single unit recordings of responses to a series of normal aliphatic aldehydes from individual rabbit M/T cells. This analysis revealed that inhibitory responses are evoked in a M/T cell by a defined subset of odor molecules with structures closely related to the excitatory odor molecules. Furthermore, blockade of the reciprocal synaptic transmission by the glutamate receptor antagonist or the gamma-aminobutyrate receptor antagonist markedly suppressed the odor-evoked inhibition, indicating that the inhibitory responses are evoked by lateral inhibition via the reciprocal synaptic transmission. The synaptic regulation in the olfactory bulb thus greatly enhances the tuning specificity of odor responses and would contribute to discrimination of olfactory information.

Síntese de potencial inibidor de acetilcolinesterase para tratamento da Doença de Alzheimer

A doença de Alzheimer (DA) é a forma mais comum de demência, representando cerca de 80% dos casos. A DA é caracterizada por um processo de declínio progressivo e irreversível das funções cognitivas e da memória, que se estende para a desorganização do comportamento. Atualmente, 46,8 milhões de pessoas em todo o mundo foram diagnosticadas com demência. Embora vários fatores tenham sido implicados na DA, sua etiologia ainda não é completamente conhecida. Do ponto de vista neuropatológico, é observado no cérebro de indivíduos com DA atrofia cortical difusa, presença de grande número de placas senis, emaranhados neurofibrilares, processo inflamatório e perda neuronal. A progressão dos sintomas está associada a mudanças estruturais nas sinapses colinérgicas em certas regiões do cérebro, que consequentemente, apresentam neurotransmissão colinérgica reduzida. Os vários eventos patológicos interligados contribuem para o avanço da doença e direcionam diversas pesquisas na busca por tratamentos multialvos com base no processo multifatorial de DA. Assim o presente trabalho descreve a síntese de derivados híbridos dual binding site de donepezila-tacrina (fármacos inibidores de acetilcolinesterase), com potencial para agir em dois alvos terapêuticos pela (i) inibição da acetilcolinesterase em ambos os sítios ativo e periférico, como demonstrado pelos estudos de modelagem molecular, e (ii) na agregação do peptídeo A? neurotóxico induzido pela acetilcolinesterase, na tentativa de interromper a progressão da doença. A estratégia sintética envolveu a condensação da 5,6-dimetóxiindanona com a unidade 4-piperidinil carbaldeído, a qual forneceu o intermediário 5,6- dimetóxindan-1-ona-4-piperidinil-metileno-1-[(4-cloroquinolin-2-il)metil], seguido de redução da dupla ligação, gerada na reação de condensação anterior, e substituição do átomo de cloro-quinolina por amino para obtenção do produto final, ou manutenção da função olefina, seguido de substituição do átomo de cloro-quinolina por azido ou amino, gerando cinco híbridos estruturalmente correlacionados. Os híbridos foram testados em ensaio de inibição de acetilcolinesterase e butirilcolinesterase pelo método de Ellman, e o híbrido insaturado, contendo a função amino-quinolina foi o mais ativo da série com IC50 na faixa de nanomolar (0,014 ?M). Futuramente, os intermediários da reação e produto final serão submetidos ao ensaio de inibição da agregação do peptídeo A? neurotóxico pelo método da tioflavina T. Neste trabalho, também são descritos os testes de predição in vitro para permeação pela barreira hematoencefálica, bem como sua absorção intestinal, pelo método PAMPA.

Partial rescue of retinal function in chronically hypoglycemic mice

Purpose. Mice rendered hypoglycemic by a null mutation in the glucagon receptor gene Gcgr display late-onset retinal degeneration and loss of retinal sensitivity. Acute hyperglycemia induced by dextrose ingestion does not restore their retinal function, which is consistent with irreversible loss of vision. The goal of this study was to establish whether long-term administration of high dietary glucose rescues retinal function and circuit connectivity in aged Gcgr−/− mice. Methods. Gcgr−/− mice were administered a carbohydrate-rich diet starting at 12 months of age. After 1 month of treatment, retinal function and structure were evaluated using electroretinographic (ERG) recordings and immunohistochemistry. Results. Treatment with a carbohydrate-rich diet raised blood glucose levels and improved retinal function in Gcgr−/− mice. Blood glucose increased from moderate hypoglycemia to euglycemic levels, whereas ERG b-wave sensitivity improved approximately 10-fold. Because the b-wave reflects the electrical activity of second-order cells, we examined for changes in rod-to-bipolar cell synapses. Gcgr−/− retinas have 20% fewer synaptic pairings than Gcgr+/− retinas. Remarkably, most of the lost synapses were located farthest from the bipolar cell body, near the distal boundary of the outer plexiform layer (OPL), suggesting that apical synapses are most vulnerable to chronic hypoglycemia. Although treatment with the carbohydrate-rich diet restored retinal function, it did not restore these synaptic contacts. Conclusions. Prolonged exposure to diet-induced euglycemia improves retinal function but does not reestablish synaptic contacts lost by chronic hypoglycemia. These results suggest that retinal neurons have a homeostatic mechanism that integrates energetic status over prolonged periods of time and allows them to recover functionality despite synaptic loss.

Homeostatic plasticity induced by brief activity deprivation enhances long-term potentiation in the mature rat hippocampus

Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014

Investigating the role of glycine in astrocyte signalling using calcium imaging of rat primary cultures of cortical astrocytes

Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014

Contribution différentielle de Neuroligine‐1 et d’EphA4 à la régulation du sommeil

Le sommeil est un besoin vital et le bon fonctionnement de l’organisme dépend de la quantité et de la qualité du sommeil. Le sommeil est régulé par deux processus : un processus circadien qui dépend de l’activité des noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus et qui régule le moment durant lequel nous allons dormir, et un processus homéostatique qui dépend de l’activité neuronale et se reflète dans l’intensité du sommeil. En effet, le sommeil dépend de l’éveil qui le précède et plus l’éveil dure longtemps, plus le sommeil est profond tel que mesuré par des marqueurs électroencéphalographiques (EEG). Des études ont montré que le bon fonctionnement de ces deux processus régulateurs du sommeil dépend de la plasticité synaptique. Ainsi, les éléments synaptiques régulant la communication et la force synaptique sont d’importants candidats pour agir sur la physiologie de la régulation du sommeil. Les molécules d’adhésion cellulaire sont des acteurs clés dans les mécanismes de plasticité synaptique. Elles régulent l’activité et la maturation des synapses. Des études ont montré que leur absence engendre des conséquences similaires au manque de sommeil. Le but de ce projet de thèse est d’explorer l’effet de l’absence de deux familles de molécule d’adhésion cellulaire, les neuroligines et la famille des récepteur Eph et leur ligand les éphrines dans les processus régulateurs du sommeil. Notre hypothèse est que l’absence d’un des membres de ces deux familles de molécule affecte les mécanismes impliqués dans le processus homéostatique de régulation du sommeil. Afin de répondre à notre hypothèse, nous avons étudié d’une part l’activité EEG chez des souris mutantes n’exprimant pas Neuroligine‐1 (Nlgn1) ou le récepteur EphA4 en condition normale et après une privation de sommeil. D’autre part, nous avons mesuré les changements moléculaires ayant lieu dans ces deux modèles après privation de sommeil. Au niveau de l’activité EEG, nos résultats montrent que l’absence de Nlgn1 augmente la densité des ondes lentes en condition normale et augment l’amplitude et la pente des ondes lentes après privation de sommeil. Nlgn1 est nécessaire au fonctionnement normal de la synchronie corticale, notamment après une privation de sommeil, lui attribuant ainsi un rôle clé dans l’homéostasie du sommeil. Concernant le récepteur EphA4, son absence affecte la durée du sommeil paradoxal ainsi que l’activité sigma qui dépendent du processus circadien. Nos résultats suggèrent donc que ce récepteur est un élément important dans la régulation circadienne du sommeil. Les changements transcriptionnels en réponse à la privation de sommeil des souris n’exprimant pas Nlgn1 et EphA4 ne sont pas différents des souris sauvages. Toutefois, nous avons montré que la privation de sommeil affectait la distribution des marques épigénétiques sur le génome, tels que la méthylation et l’hydroxyméthylation, et que l’expression des molécules régulant ces changements est modifiée chez les souris mutantes pour le récepteur EphA4. Nos observations mettent en évidence que les molécules d’adhésion cellulaire, Nlgn1 et le récepteur EphA4, possèdent un rôle important dans les processus homéostatique et circadien du sommeil et contribuent de manière différente à la régulation du sommeil.

Role of the cotransporter KCC2 in cortical excitatory synapse development and febrile seizure susceptibility

Le co-transporteur KCC2 spécifique au potassium et chlore a pour rôle principal de réduire la concentration intracellulaire de chlore, entraînant l’hyperpolarisation des courants GABAergic l’autorisant ainsi à devenir inhibiteur dans le cerveau mature. De plus, il est aussi impliqué dans le développement des synapses excitatrices, nommées aussi les épines dendritiques. Le but de notre projet est d’étudier l’effet des modifications concernant l'expression et la fonction de KCC2 dans le cortex du cerveau en développement dans un contexte de convulsions précoces. Les convulsions fébriles affectent environ 5% des enfants, et ce dès la première année de vie. Les enfants atteints de convulsions fébriles prolongées et atypiques sont plus susceptibles à développer l’épilepsie. De plus, la présence d’une malformation cérébrale prédispose au développement de convulsions fébriles atypiques, et d’épilepsie du lobe temporal. Ceci suggère que ces pathologies néonatales peuvent altérer le développement des circuits neuronaux irréversiblement. Cependant, les mécanismes qui sous-tendent ces effets ne sont pas encore compris. Nous avons pour but de comprendre l'impact des altérations de KCC2 sur la survenue des convulsions et dans la formation des épines dendritiques. Nous avons étudié KCC2 dans un modèle animal de convulsions précédemment validé, qui combine une lésion corticale à P1 (premier jour de vie postnatale), suivie d'une convulsion induite par hyperthermie à P10 (nommés rats LHS). À la suite de ces insultes, 86% des rats mâles LHS développent l’épilepsie à l’âge adulte, au même titre que des troubles d’apprentissage. À P20, ces animaux presentent une augmentation de l'expression de KCC2 associée à une hyperpolarisation du potentiel de réversion de GABA. De plus, nous avons observé des réductions dans la taille des épines dendritiques et l'amplitude des courants post-synaptiques excitateurs miniatures, ainsi qu’un déficit de mémoire spatial, et ce avant le développement des convulsions spontanées. Dans le but de rétablir les déficits observés chez les rats LHS, nous avons alors réalisé un knock-down de KCC2 par shARN spécifique par électroporation in utero. Nos résultats ont montré une diminution de la susceptibilité aux convulsions due à la lésion corticale, ainsi qu'une restauration de la taille des épines. Ainsi, l’augmentation de KCC2 à la suite d'une convulsion précoce, augmente la susceptibilité aux convulsions modifiant la morphologie des épines dendritiques, probable facteur contribuant à l’atrophie de l’hippocampe et l’occurrence des déficits cognitifs. Le deuxième objectif a été d'inspecter l’effet de la surexpression précoce de KCC2 dans le développement des épines dendritiques de l’hippocampe. Nous avons ainsi surexprimé KCC2 aussi bien in vitro dans des cultures organotypiques d’hippocampe, qu' in vivo par électroporation in utero. À l'inverse des résultats publiés dans le cortex, nous avons observé une diminution de la densité d’épines dendritiques et une augmentation de la taille des épines. Afin de confirmer la spécificité du rôle de KCC2 face à la région néocorticale étudiée, nous avons surexprimé KCC2 dans le cortex par électroporation in utero. Cette manipulation a eu pour conséquences d’augmenter la densité et la longueur des épines synaptiques de l’arbre dendritique des cellules glutamatergiques. En conséquent, ces résultats ont démontré pour la première fois, que les modifications de l’expression de KCC2 sont spécifiques à la région affectée. Ceci souligne les obstacles auxquels nous faisons face dans le développement de thérapie adéquat pour l’épilepsie ayant pour but de moduler l’expression de KCC2 de façon spécifique.

Role of the cotransporter KCC2 in cortical excitatory synapse development and febrile seizure susceptibility

Le co-transporteur KCC2 spécifique au potassium et chlore a pour rôle principal de réduire la concentration intracellulaire de chlore, entraînant l’hyperpolarisation des courants GABAergic l’autorisant ainsi à devenir inhibiteur dans le cerveau mature. De plus, il est aussi impliqué dans le développement des synapses excitatrices, nommées aussi les épines dendritiques. Le but de notre projet est d’étudier l’effet des modifications concernant l'expression et la fonction de KCC2 dans le cortex du cerveau en développement dans un contexte de convulsions précoces. Les convulsions fébriles affectent environ 5% des enfants, et ce dès la première année de vie. Les enfants atteints de convulsions fébriles prolongées et atypiques sont plus susceptibles à développer l’épilepsie. De plus, la présence d’une malformation cérébrale prédispose au développement de convulsions fébriles atypiques, et d’épilepsie du lobe temporal. Ceci suggère que ces pathologies néonatales peuvent altérer le développement des circuits neuronaux irréversiblement. Cependant, les mécanismes qui sous-tendent ces effets ne sont pas encore compris. Nous avons pour but de comprendre l'impact des altérations de KCC2 sur la survenue des convulsions et dans la formation des épines dendritiques. Nous avons étudié KCC2 dans un modèle animal de convulsions précédemment validé, qui combine une lésion corticale à P1 (premier jour de vie postnatale), suivie d'une convulsion induite par hyperthermie à P10 (nommés rats LHS). À la suite de ces insultes, 86% des rats mâles LHS développent l’épilepsie à l’âge adulte, au même titre que des troubles d’apprentissage. À P20, ces animaux presentent une augmentation de l'expression de KCC2 associée à une hyperpolarisation du potentiel de réversion de GABA. De plus, nous avons observé des réductions dans la taille des épines dendritiques et l'amplitude des courants post-synaptiques excitateurs miniatures, ainsi qu’un déficit de mémoire spatial, et ce avant le développement des convulsions spontanées. Dans le but de rétablir les déficits observés chez les rats LHS, nous avons alors réalisé un knock-down de KCC2 par shARN spécifique par électroporation in utero. Nos résultats ont montré une diminution de la susceptibilité aux convulsions due à la lésion corticale, ainsi qu'une restauration de la taille des épines. Ainsi, l’augmentation de KCC2 à la suite d'une convulsion précoce, augmente la susceptibilité aux convulsions modifiant la morphologie des épines dendritiques, probable facteur contribuant à l’atrophie de l’hippocampe et l’occurrence des déficits cognitifs. Le deuxième objectif a été d'inspecter l’effet de la surexpression précoce de KCC2 dans le développement des épines dendritiques de l’hippocampe. Nous avons ainsi surexprimé KCC2 aussi bien in vitro dans des cultures organotypiques d’hippocampe, qu' in vivo par électroporation in utero. À l'inverse des résultats publiés dans le cortex, nous avons observé une diminution de la densité d’épines dendritiques et une augmentation de la taille des épines. Afin de confirmer la spécificité du rôle de KCC2 face à la région néocorticale étudiée, nous avons surexprimé KCC2 dans le cortex par électroporation in utero. Cette manipulation a eu pour conséquences d’augmenter la densité et la longueur des épines synaptiques de l’arbre dendritique des cellules glutamatergiques. En conséquent, ces résultats ont démontré pour la première fois, que les modifications de l’expression de KCC2 sont spécifiques à la région affectée. Ceci souligne les obstacles auxquels nous faisons face dans le développement de thérapie adéquat pour l’épilepsie ayant pour but de moduler l’expression de KCC2 de façon spécifique.

Dynamics of motor nerve terminal remodeling unveiled using SNARE-cleaving botulinum toxins: the extent and duration are dictated by the sites of SNAP-25 truncation

Nerve sprouts emerge from motor nerve terminals following blockade of exo-endocytosis for more than 3 days by botulinum neurotoxin (BoNT), and form functional synapses, albeit temporary. Upon restoration of synaptic activity to the parent terminal 7 and 90 days after exposure to BoNT/F or A respectively, a concomitant retraction of the outgrowths was observed. BoNT/E caused short-term neuroparalysis, and dramatically accelerated the recovery of BoNT/A-paralyzed muscle by further truncation of SNAP-25 and its replenishment with functional full-length SNARE. The removal of 9 C-terminal residues from SNAP-25 by BoNT/A leads to persistence of the inhibitory product due to the formation of a nonproductive SNARE complex(es) at release sites, whereas deletion of a further 17 amino acids permits replenishment and a speedy recovery. (C) 2003 Elsevier Science (USA). All rights reserved.

Getting muscles moving again after botulinum toxin: novel therapeutic challenges

The use of botulinum neurotoxins for the treatment of muscle hyperactivity and spasticity disorders has been remarkably successful, owing to the abilities of the toxins to elicit prolonged localized paralysis and the rarity of serious adverse effects. However, botulinum toxins are the most deadly protein toxins known, and existing antidotes possess limited effectiveness. Paradoxically, in situ, the intoxicated motoneuron does not die. It reacts by emanating a sprouting network known to implement new functional synapses, leading to resumption of neurotransmission. Recent studies have highlighted ways of accelerating this natural recovery process to overcome paralysis successfully. Developing new therapeutic strategies and treatments for botulism will require more research into the molecular understanding of this 'naturally occurring' recovery process.

Functional analysis of neurotransmission at β2-laminin deficient terminals

beta2-Laminin is important for the formation of neuromuscular junctions in vertebrates. Previously, we have inactivated the gene that encodes for beta2-laminin in mice and observed predominantly prejunctional structural defects. In this study, we have used both intra- and extracellular recording methods to investigate evoked neurotransmission in beta2-laminin-deficient mice, from postnatal day 8 (P8) through to day 18(P18). Our results confirmed that there was a decrease in the frequency of spontaneous release, but no change in the postjunctional response to such release. Analysis of evoked neurotransmission showed an increase in the frequency of stimuli that failed to elicit an evoked postjunctional response in the mutants compared to litter mate controls, resulting in a 50% reduction in mean quantal content at mutant terminals. Compared to littermate controls, beta2-laminin-deficient terminals showed greater synaptic depression when subjected to high frequency stimulation. Furthermore, the paired pulse ratio of the first two stimuli was significantly lower in beta2-laminin mutant terminals. Statistical analysis of the binomial parameters of release showed that the decrease in quantal content was due to a decrease in the number of release sites without any significant change in the average probability of release. This suggestion was supported by the observation of fewer synaptic vesicle protein 2 (SV2)-positive varicosities in beta2-laminin-deficient terminals and by ultrastructural observations showing smaller terminal profiles and increased Schwann cell invasion in beta2-laminin mutants; the differences between beta2-laminin mutants and wild-type mice were the same at both P8 and P18. From these results we conclude that beta2-laminin plays a role in the early structural development of the neuromuscular junction. We also suggest that transmitter release activity may act as a deterrent to Schwarm cell invasion in the absence of beta2-laminin.

Synaptology of the proximal segment of pyramidal cell basal dendrites

Pyramidal neurons are covered with dendritic spines, the main postsynaptic targets of excitatory (asymmetrical) synapses. However, the proximal portion of both the apical and basal dendrites is devoid of spines, suggesting a lack of excitatory inputs to this region. In the present study we used electron microscopy to analyse the proximal region of the basal dendrites of supra- and infragranular pyramidal cells to determine if this is the case. The proximal region of 80 basal dendrites sampled from the rat hindlimb representation in the primary somatosensory cortex was studied by electron microscopy A total of 317 synapses were found within this region of the dendrites, all of which were of the symmetrical type. These results suggest that glutamate receptors, although present in the cytoplasm, are not involved in synaptic junctions in the proximal portion of the dendrites. These data further support the idea that inhibitory terminals exclusively innervate the proximal region of basal dendrites.

Molecular structure and function of the glycine receptor chloride channel

The glycine receptor chloride channel (GlyR) is a member of the nicotinic acetylcholine receptor family of ligand-gated ion channels. Functional receptors of this family comprise five subunits and are important targets for neuroactive drugs. The GlyR is best known for mediating inhibitory neurotransmission in the spinal cord and brain stem, although recent evidence suggests it may also have other physiological roles, including excitatory neurotransmission in embryonic neurons. To date, four alpha-subunits (alpha1 to alpha4) and one beta-subunit have been identified. The differential expression of subunits underlies a diversity in GlyR pharmacology. A developmental switch from alpha2 to alpha1beta is completed by around postnatal day 20 in the rat. The beta-subunit is responsible for anchoring GlyRs to the subsynaptic cytoskeleton via the cytoplasmic protein gephyrin. The last few years have seen a surge in interest in these receptors. Consequently, a wealth of information has recently emerged concerning Glyl? molecular structure and function. Most of the information has been obtained from homomeric alpha1 GlyRs, with the roles of the other subunits receiving relatively little attention. Heritable mutations to human GlyR genes give rise to a rare neurological disorder, hyperekplexia (or startle disease). Similar syndromes also occur in other species. A rapidly growing list of compounds has been shown to exert potent modulatory effects on this receptor. Since GlyRs are involved in motor reflex circuits of the spinal cord and provide inhibitory synapses onto pain sensory neurons, these agents may provide lead compounds for the development of muscle relaxant and peripheral analgesic drugs.

Glycinergic and GABAergic synaptic activity differentially regulate motoneuron survival and skeletal muscle innervation

GABAergic and glycinergic synaptic transmission is proposed to promote the maturation and refinement of the developing CNS. Here we provide morphological and functional evidence that glycinergic and GABAergic synapses control motoneuron development in a region-specific manner during programmed cell death. In gephyrin-deficient mice that lack all postsynaptic glycine receptor and some GABA(A) receptor clusters, there was increased spontaneous respiratory motor activity, reduced respiratory motoneuron survival, and decreased innervation of the diaphragm. In contrast, limb-innervating motoneurons showed decreased spontaneous activity, increased survival, and increased innervation of their target muscles. Both GABA and glycine increased limb-innervating motoneuron activity and decreased respiratory motoneuron activity in wild-type mice, but only glycine responses were abolished in gephyrin-deficient mice. Our results provide genetic evidence that the development of glycinergic and GABAergic synaptic inputs onto motoneurons plays an important role in the survival, axonal branching, and spontaneous activity of motoneurons in developing mammalian embryos.