Mechanisms of KCC2 upregulation during development

Gamma-aminobutyric acid (GABA) acting through ionotropic GABAA receptors plays a crucial role in the activity of the central nervous system (CNS). It triggers Ca2+ rise providing trophic support in developing neurons and conducts fast inhibitory function in mature neuronal networks. There is a developmental change in the GABAA reversal potential towards more negative levels during the first two postnatal weeks in rodent hippocampus. This change provides the basis for mature GABAergic activity and is attributable to the developmental expression of the neuron-specific potassium chloride cotransporter 2 (KCC2). In this work we have studied the mechanisms responsible for the control of KCC2 developmental expression. As a model system we used hippocampal dissociated cultures plated from embryonic day (E) 17 mice embryos before the onset of KCC2 expression. We showed that KCC2 was significantly up-regulated during the first two weeks of culture development. Interestingly, the level of KCC2 upregulation was not altered by chronic pharmacological blockage of action potentials as well as GABAergic and glutamatergic synaptic transmission. By in silico analysis of the proximal KCC2 promoter region we identified 10 candidate transcription factor binding sites that are highly conserved in mammalian KCC2 genes. One of these transcription factors, namely early growth response factor 4 (Egr4), had similar developmental profile as KCC2 and considerably increased the activity of mouse KCC2 gene in neuronal cells. Next we investigated the involvement of neurotrophic factors in regulation of Egr4 and KCC2 expression. We found that in immature hippocampal cultures Egr4 and KCC2 levels were strongly up-regulated by brain derived neurotrophic factor (BDNF)and neurturin. The effect of neurotrophic factors was dependent on the activation of a mitogen activated protein kinase (MAPK) signal transduction pathway. Intact Egr4-binding site in proximal KCC2 promoter was required for BDNF-induced KCC2 transcription. In vitro data were confirmed by several in vivo experiments where we detected an upregulation of KCC2 protein levels after intrahippocampal administration of BDNF or neurturin. Importantly, a MAPK-dependent rise in Egr4 and KCC2 expression levels was also observed after a period of kainic acid-induced seizure activity in neonatal rats suggesting that neuronal activity might be involved in Egr4-mediated regulation of KCC2 expression. Finally we demonstrated that the mammalian KCC2 gene (alias Slc12a5) generated two neuron-specific isoforms by using alternative promoters and first exons. A novel isoform of KCC2, termed KCC2a, differed from the previously known KCC2b isoform by 40 unique N-terminal amino acid residues. KCC2a expression was restricted to CNS,remained relatively constant during postnatal development, and contributed 20 50% of total KCC2 mRNA expression in the neonatal mouse brainstem and spinal cord. In summary, our data provide insight into the complex regulation of KCC2 expression during early postnatal development. Although basal KCC2 expression seems to be intrinsically regulated, it can be further augmented by neurotrophic factors or by enhanced activity triggering MAPK phosphorylation and Egr4 induction. Additional KCC2a isoform, regulated by another promoter, provides basal KCC2 level in neonatal brainstem and spinal cord required for survival of KCC2b knockout mice.

Functional expression and subcellular localization of the Cl- cotransporters KCC2 and NKCC1 in rodent hippocampal and neocortical neurons

The work presented here has focused on the role of cation-chloride cotransporters (CCCs) in (1) the regulation of intracellular chloride concentration within postsynaptic neurons and (2) on the consequent effects on the actions of the neurotransmitter gamma-aminobutyric acid (GABA) mediated by GABAA receptors (GABAARs) during development and in pathophysiological conditions such as epilepsy. In addition, (3) we found that a member of the CCC family, the K-Cl cotransporter isoform 2 (KCC2), has a structural role in the development of dendritic spines during the differentiation of pyramidal neurons. Despite the large number of publications dedicated to regulation of intracellular Cl-, our understanding of the underlying mechanisms is not complete. Experiments on GABA actions under resting steady-state have shown that the effect of GABA shifts from depolarizing to hyperpolarizing during maturation of cortical neurons. However, it remains unclear, whether conclusions from these steady-state measurements can be extrapolated to the highly dynamic situation within an intact and active neuronal network. Indeed, GABAergic signaling in active neuronal networks results in a continuous Cl- load, which must be constantly removed by efficient Cl- extrusion mechanisms. Therefore, it seems plausible to suggest that key parameters are the efficacy and subcellular distribution of Cl- transporters rather than the polarity of steady-state GABA actions. A further related question is: what are the mechanisms of Cl- regulation and homeostasis during pathophysiological conditions such as epilepsy in adults and neonates? Here I present results that were obtained by means of a newly developed method of measurements of the efficacy of a K-Cl cotransport. In Study I, the developmental profile of KCC2 functionality during development was analyzed both in dissociated neuronal cultures and in acute hippocampal slices. A novel method of photolysis of caged GABA in combination with Cl- loading to the somata was used in this study to assess the extrusion efficacy of KCC2. We demonstrated that these two preparations exhibit a different temporal profile of functional KCC2 upregulation. In Study II, we reported an observation of highly distorted dendritic spines in neurons cultured from KCC2-/- embryos. During their development in the culture dish, KCC2-lacking neurons failed to develop mature, mushroom-shaped dendritic spines but instead maintained an immature phenotype of long, branching and extremely motile protrusions. It was shown that the role of KCC2 in spine maturation is not based on its transport activity, but is mediated by interactions with cytoskeletal proteins. Another important player in Cl- regulation, NKCC1 and its role in the induction and maintenance of native Cl- gradients between the axon initial segment (AIS) and soma was the subject of Study III. There we demonstrated that this transporter mediates accumulation of Cl- in the axon initial segment of neocortical and hippocampal principal neurons. The results suggest that the reversal potential of the GABAA response triggered by distinct populations of interneurons show large subcellular variations. Finally, a novel mechanism of fast post-translational upregulation of the membrane-inserted, functionally active KCC2 pool during in-vivo neonatal seizures and epileptiform-like activity in vitro was identified and characterized in Study IV. The seizure-induced KCC2 upregulation may act as an intrinsic antiepileptogenic mechanism.

A Real-time clustering system for spatio-temporal signals from network of neurons

Over past few years, the studies of cultured neuronal networks have opened up avenues for understanding the ion channels, receptor molecules, and synaptic plasticity that may form the basis of learning and memory. The hippocampal neurons from rats are dissociated and cultured on a surface containing a grid of 64 electrodes. The signals from these 64 electrodes are acquired using a fast data acquisition system MED64 (Alpha MED Sciences, Japan) at a sampling rate of 20 K samples with a precision of 16-bits per sample. A few minutes of acquired data runs in to a few hundreds of Mega Bytes. The data processing for the neural analysis is highly compute-intensive because the volume of data is huge. The major processing requirements are noise removal, pattern recovery, pattern matching, clustering and so on. In order to interface a neuronal colony to a physical world, these computations need to be performed in real-time. A single processor such as a desk top computer may not be adequate to meet this computational requirements. Parallel computing is a method used to satisfy the real-time computational requirements of a neuronal system that interacts with an external world while increasing the flexibility and scalability of the application. In this work, we developed a parallel neuronal system using a multi-node Digital Signal processing system. With 8 processors, the system is able to compute and map incoming signals segmented over a period of 200 ms in to an action in a trained cluster system in real time.

A study of epileptogenic network structures in rat hippocampal cultures using first spike latencies during synchronization events

Study of hypersynchronous activity is of prime importance for combating epilepsy. Studies on network structure typically reconstruct the network by measuring various aspects of the interaction between neurons and subsequently measure the properties of the reconstructed network. In sub-sampled networks such methods lead to significant errors in reconstruction. Using rat hippocampal neurons cultured on a multi-electrode array dish and a glutamate injury model of epilepsy in vitro, we studied synchronous activity in neuronal networks. Using the first spike latencies in various neurons during a network burst, we extract various recurring spatio-temporal onset patterns in the networks. Comparing the patterns seen in control and injured networks, we observe that injured networks express a wide diversity in their foci (origin) and activation pattern, while control networks show limited diversity. Furthermore, we note that onset patterns in glutamate injured networks show a positive correlation between synchronization delay and physical distance between neurons, while control networks do not.

A study of epileptogenic network structures in rat hippocampal cultures using first spike latencies during synchronization events

Study of hypersynchronous activity is of prime importance for combating epilepsy. Studies on network structure typically reconstruct the network by measuring various aspects of the interaction between neurons and subsequently measure the properties of the reconstructed network. In sub-sampled networks such methods lead to significant errors in reconstruction. Using rat hippocampal neurons cultured on a multi-electrode array dish and a glutamate injury model of epilepsy in vitro, we studied synchronous activity in neuronal networks. Using the first spike latencies in various neurons during a network burst, we extract various recurring spatio-temporal onset patterns in the networks. Comparing the patterns seen in control and injured networks, we observe that injured networks express a wide diversity in their foci (origin) and activation pattern, while control networks show limited diversity. Furthermore, we note that onset patterns in glutamate injured networks show a positive correlation between synchronization delay and physical distance between neurons, while control networks do not.

Synconset Waves and Chains: Spiking Onsets in Synchronous Populations Predict and Are Predicted by Network Structure

Synfire waves are propagating spike packets in synfire chains, which are feedforward chains embedded in random networks. Although synfire waves have proved to be effective quantification for network activity with clear relations to network structure, their utilities are largely limited to feedforward networks with low background activity. To overcome these shortcomings, we describe a novel generalisation of synfire waves, and define `synconset wave' as a cascade of first spikes within a synchronisation event. Synconset waves would occur in `synconset chains', which are feedforward chains embedded in possibly heavily recurrent networks with heavy background activity. We probed the utility of synconset waves using simulation of single compartment neuron network models with biophysically realistic conductances, and demonstrated that the spread of synconset waves directly follows from the network connectivity matrix and is modulated by top-down inputs and the resultant oscillations. Such synconset profiles lend intuitive insights into network organisation in terms of connection probabilities between various network regions rather than an adjacency matrix. To test this intuition, we develop a Bayesian likelihood function that quantifies the probability that an observed synfire wave was caused by a given network. Further, we demonstrate it's utility in the inverse problem of identifying the network that caused a given synfire wave. This method was effective even in highly subsampled networks where only a small subset of neurons were accessible, thus showing it's utility in experimental estimation of connectomes in real neuronal-networks. Together, we propose synconset chains/waves as an effective framework for understanding the impact of network structure on function, and as a step towards developing physiology-driven network identification methods. Finally, as synconset chains extend the utilities of synfire chains to arbitrary networks, we suggest utilities of our framework to several aspects of network physiology including cell assemblies, population codes, and oscillatory synchrony.

A neural extracellular matrix-based method for in vitro hippocampal neuron culture and dopaminergic differentiation of neural stem cells

Background: The ability to recreate an optimal cellular microenvironment is critical to understand neuronal behavior and functionality in vitro. An organized neural extracellular matrix (nECM) promotes neural cell adhesion, proliferation and differentiation. Here, we expanded previous observations on the ability of nECM to support in vitro neuronal differentiation, with the following goals: (i) to recreate complex neuronal networks of embryonic rat hippocampal cells, and (ii) to achieve improved levels of dopaminergic differentiation of subventricular zone (SVZ) neural progenitor cells. Methods: Hippocampal cells from E18 rat embryos were seeded on PLL- and nECM-coated substrates. Neurosphere cultures were prepared from the SVZ of P4-P7 rat pups, and differentiation of neurospheres assayed on PLL- and nECM-coated substrates. Results: When seeded on nECM-coated substrates, both hippocampal cells and SVZ progenitor cells showed neural expression patterns that were similar to their poly-L-lysine-seeded counterparts. However, nECM-based cultures of both hippocampal neurons and SVZ progenitor cells could be maintained for longer times as compared to poly-L-lysine-based cultures. As a result, nECM-based cultures gave rise to a more branched neurite arborization of hippocampal neurons. Interestingly, the prolonged differentiation time of SVZ progenitor cells in nECM allowed us to obtain a purer population of dopaminergic neurons. Conclusions: We conclude that nECM-based coating is an efficient substrate to culture neural cells at different stages of differentiation. In addition, neural ECM-coated substrates increased neuronal survival and neuronal differentiation efficiency as compared to cationic polymers such as poly-L-lysine.

Psychobiophysics of transcranial magnetic stimulation

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a technique that stimulates the brain using a magnetic coil placed on the scalp. Since it is applicable to humans non-invasively, directly interfering with neural electrical activity, it is potentially a good tool to study the direct relationship between perceptual experience and neural activity. However, it has been difficult to produce a clear perceptible phenomenon with TMS of sensory areas, especially using a single magnetic pulse. Also, the biophysical mechanisms of magnetic stimulation of single neurons have been poorly understood.

In the psychophysical part of this thesis, perceptual phenomena induced by TMS of the human visual cortex are demonstrated as results of the interactions with visual inputs. We first introduce a method to create a hole, or a scotoma, in a flashed, large-field visual pattern using single-pulse TMS. Spatial aspects of the interactions are explored using the distortion effect of the scotoma depending on the visual pattern, which can be luminance-defined or illusory. Its similarity to the distortion of afterimages is also discussed. Temporal interactions are demonstrated in the filling-in of the scotoma with temporally adjacent visual features, as well as in the effective suppression of transient visual features. Also, paired-pulse TMS is shown to lead to different brightness modulations in transient and sustained visual stimuli.

In the biophysical part, we first develop a biophysical theory to simulate the effect of magnetic stimulation on arbitrary neuronal structure. Computer simulations are performed on cortical neuron models with realistic structure and channels, combined with the current injection that simulates magnetic stimulation. The simulation results account for general and basic characteristics of the macroscopic effects of TMS including our psychophysical findings, such as a long inhibitory effect, dependence on the background activity, and dependence on the direction of the induced electric field.

The perceptual effects and the cortical neuron model presented here provide foundations for the study of the relationship between perception and neural activity. Further insights would be obtained from extension of our model to neuronal networks and psychophysical studies based on predictions of the biophysical model.

Intra- and inter-hemispheric interactions in somatosensory processing of pain : dynamical causal modeling analysis of fMRI data

La douleur est une expérience perceptive comportant de nombreuses dimensions. Ces dimensions de douleur sont inter-reliées et recrutent des réseaux neuronaux qui traitent les informations correspondantes. L’élucidation de l'architecture fonctionnelle qui supporte les différents aspects perceptifs de l'expérience est donc une étape fondamentale pour notre compréhension du rôle fonctionnel des différentes régions de la matrice cérébrale de la douleur dans les circuits corticaux qui sous tendent l'expérience subjective de la douleur. Parmi les diverses régions du cerveau impliquées dans le traitement de l'information nociceptive, le cortex somatosensoriel primaire et secondaire (S1 et S2) sont les principales régions généralement associées au traitement de l'aspect sensori-discriminatif de la douleur. Toutefois, l'organisation fonctionnelle dans ces régions somato-sensorielles n’est pas complètement claire et relativement peu d'études ont examiné directement l'intégration de l'information entre les régions somatiques sensorielles. Ainsi, plusieurs questions demeurent concernant la relation hiérarchique entre S1 et S2, ainsi que le rôle fonctionnel des connexions inter-hémisphériques des régions somatiques sensorielles homologues. De même, le traitement en série ou en parallèle au sein du système somatosensoriel constitue un autre élément de questionnement qui nécessite un examen plus approfondi. Le but de la présente étude était de tester un certain nombre d'hypothèses sur la causalité dans les interactions fonctionnelle entre S1 et S2, alors que les sujets recevaient des chocs électriques douloureux. Nous avons mis en place une méthode de modélisation de la connectivité, qui utilise une description de causalité de la dynamique du système, afin d'étudier les interactions entre les sites d'activation définie par un ensemble de données provenant d'une étude d'imagerie fonctionnelle. Notre paradigme est constitué de 3 session expérimentales en utilisant des chocs électriques à trois différents niveaux d’intensité, soit modérément douloureux (niveau 3), soit légèrement douloureux (niveau 2), soit complètement non douloureux (niveau 1). Par conséquent, notre paradigme nous a permis d'étudier comment l'intensité du stimulus est codé dans notre réseau d'intérêt, et comment la connectivité des différentes régions est modulée dans les conditions de stimulation différentes. Nos résultats sont en faveur du mode sériel de traitement de l’information somatosensorielle nociceptive avec un apport prédominant de la voie thalamocorticale vers S1 controlatérale au site de stimulation. Nos résultats impliquent que l'information se propage de S1 controlatéral à travers notre réseau d'intérêt composé des cortex S1 bilatéraux et S2. Notre analyse indique que la connexion S1→S2 est renforcée par la douleur, ce qui suggère que S2 est plus élevé dans la hiérarchie du traitement de la douleur que S1, conformément aux conclusions précédentes neurophysiologiques et de magnétoencéphalographie. Enfin, notre analyse fournit des preuves de l'entrée de l'information somatosensorielle dans l'hémisphère controlatéral au côté de stimulation, avec des connexions inter-hémisphériques responsable du transfert de l'information à l'hémisphère ipsilatéral.

La sécrétion de la protéine Tau : nouveau mécanisme de propagation de la pathologie de Tau dans la maladie d'Alzheimer

Tau est une protéine associée aux microtubules enrichie dans l’axone. Dans la maladie d’Alzheimer, Tau devient anormalement hyperphosphorylée, s’accumule dans le compartiment somato-dendritique et s’agrège pour former des enchevêtrements neurofibrillaires (NFTs). Ces NFTs se propagent dans le cerveau dans un ordre bien précis. Ils apparaissent d’abord dans le cortex transenthorinal pour ensuite se propager là où ces neurones projettent, c’est-à-dire au cortex entorhinal. Les NFTs s’étendent ensuite à l’hippocampe puis à différentes régions du cortex et néocortex. De plus, des études récentes ont démontré que la protéine Tau peut être sécrétée par des lignées neuronales et que lorsqu’on injecte des agrégats de Tau dans un cerveau de souris, ceux-ci peuvent pénétrer dans les neurones et induire la pathologie de Tau dans le cerveau. Ces observations ont mené à l’hypothèse que la protéine Tau pathologique pourrait être sécrétée par les neurones, pour ensuite être endocytée par les cellules avoisinantes et ainsi propager la maladie. L’objectif de la présente étude était donc de prouver la sécrétion de la protéine Tau par les neurones et d’identifier par quelle voie elle est secrétée. Nos résultats ont permis de démontrer que la protéine Tau est sécrétée par des neurones corticaux de souris de type sauvage ainsi que dans un modèle de surexpression dans des cellules HeLa et PC12. Nos résultats indiquent que la sécrétion de Tau se ferait par les autophagosomes. Finalement, nous avons démontré que la protéine Tau sécrétée est déphosphorylée et clivée par rapport à la protéine Tau intracellulaire non sécrétée.

Neural substrates and functional connectivity associated with sleep-dependent and independent consolidation of new motor skills

La mémoire n’est pas un processus unitaire et est souvent divisée en deux catégories majeures: la mémoire déclarative (pour les faits) et procédurale (pour les habitudes et habiletés motrices). Pour perdurer, une trace mnésique doit passer par la consolidation, un processus par lequel elle devient plus robuste et moins susceptible à l’interférence. Le sommeil est connu comme jouant un rôle clé pour permettre le processus de consolidation, particulièrement pour la mémoire déclarative. Depuis plusieurs années cependant, son rôle est aussi reconnu pour la mémoire procédurale. Il est par contre intéressant de noter que ce ne sont pas tous les types de mémoire procédurale qui requiert le sommeil afin d’être consolidée. Entre autres, le sommeil semble nécessaire pour consolider un apprentissage de séquences motrices (s’apparentant à l’apprentissage du piano), mais pas un apprentissage d’adaptation visuomotrice (tel qu’apprendre à rouler à bicyclette). Parallèlement, l’apprentissage à long terme de ces deux types d’habiletés semble également sous-tendu par des circuits neuronaux distincts; c’est-à-dire un réseau cortico-striatal et cortico-cérébelleux respectivement. Toutefois, l’implication de ces réseaux dans le processus de consolidation comme tel demeure incertain. Le but de cette thèse est donc de mieux comprendre le rôle du sommeil, en contrôlant pour le simple passage du temps, dans la consolidation de ces deux types d’apprentissage, à l’aide de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle et d’analyses de connectivité cérébrale. Nos résultats comportementaux supportent l’idée que seul l’apprentissage séquentiel requiert le sommeil pour déclencher le processus de consolidation. Nous suggérons de plus que le putamen est fortement associé à ce processus. En revanche, les performances d’un apprentissage visuomoteur s’améliorent indépendamment du sommeil et sont de plus corrélées à une plus grande activation du cervelet. Finalement, en explorant l’effet du sommeil sur la connectivité cérébrale, nos résultats démontrent qu’en fait, un système cortico-striatal semble être plus intégré suite à la consolidation. C’est-à-dire que l’interaction au sein des régions du système est plus forte lorsque la consolidation a eu lieu, après une nuit de sommeil. En opposition, le simple passage du temps semble nuire à l’intégration de ce réseau cortico-striatal. En somme, nous avons pu élargir les connaissances quant au rôle du sommeil pour la mémoire procédurale, notamment en démontrant que ce ne sont pas tous les types d’apprentissages qui requièrent le sommeil pour amorcer le processus de consolidation. D’ailleurs, nous avons également démontré que cette dissociation de l’effet du sommeil est également reflétée par l’implication de deux réseaux cérébraux distincts. À savoir, un réseau cortico-striatal et un réseau cortico-cérébelleux pour la consolidation respective de l’apprentissage de séquence et d’adaptation visuomotrice. Enfin, nous suggérons que la consolidation durant le sommeil permet de protéger et favoriser une meilleure cohésion au sein du réseau cortico-striatal associé à notre tâche; un phénomène qui, s’il est retrouvé avec d’autres types d’apprentissage, pourrait être considéré comme un nouveau marqueur de la consolidation.

Sensibilité cérébrale à la lumière en fonction du vieillissement et d’aspects physiologiques fonctionnels de l’œil

Outre ses effets sur le système visuel classique permettant la formation des images, la lumière agit sur plusieurs fonctions « non-visuelles ». Celles-ci incluent la constriction pupillaire, la température corporelle, la sécrétion hormonale, le cycle veille-sommeil, la vigilance et les performances cognitives. Les fonctions non-visuelles sont préférentiellement sensibles aux lumières à longueurs d’ondes courtes (lumière bleue) en comparaison aux longueurs d’ondes plus longues (lumière verte). Il est proposé que le vieillissement s’accompagne d’une diminution de la sensibilité des fonctions non-visuelles à la lumière. Cette recherche vise à évaluer les effets de l’âge sur la constriction pupillaire et la sensibilité cérébrale à la lumière lors de l’exécution de tâche cognitive. Deux groupes de sujets, 16 jeunes (18-30 ans) et 14 âgés (55-70 ans), ont suivis un protocole de pupillométrie visant à mesurer la dynamique pupillaire lors d’exposition à des lumières bleues et vertes monochromatiques de trois intensités différentes. Les résultats ont montré davantage de constriction en bleu qu’en vert et des effets plus importants suivant l’augmentation de l’intensité lumineuse. Nos résultats ne montrent cependant pas de différence d’âge sur la constriction pupillaire à la lumière suggérant la préservation de cette réponse non-visuelle. Dans un deuxième temps, les mêmes sujets ont exécuté une tâche cognitive en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) tandis qu’ils étaient maintenus dans la noirceur, ou exposés à des lumières bleues. Les résultats ont montré une diminution des effets de la lumière avec l’âge dans le thalamus, l’amygdale, l’insula et l’aire ventrale tegmentale, régions engagées dans la vigilance, l’attention et les processus émotionnels. Les modifications qui s’opèrent sur les différentes fonctions non-visuelles avec l’âge ne semblent pas homogènes. Ces résultats corroborent les évidences animales qui montrent différents seuils de sensibilités à la lumière et la présence de réseaux neuronaux partiellement indépendants pour les diverses réponses non-visuelles. De plus, ils sont les premiers à démontrer que les effets neuronaux stimulants de la lumière bleue sur la cognition sont diminués avec l’âge. Les recherches devront évaluer si cette diminution de sensibilité influence les performances cognitives au cours du vieillissement. Enfin, un raffinement de nos connaissances permettra de mieux adapter l’environnement lumineux avec l’âge.

Criblage génétique et caractérisation fonctionnelle des mutations dans les différentes sous-unités du récepteur GABAA associées à l'épilepsie génétique généralisée

Les épilepsies génétiques généralisées (ÉGGs) sont un groupe de syndromes épileptiques hétérogènes qui se manifestent habituellement durant les périodes de l’enfance et de l’adolescence. Les ÉGGs représentent 30% de toutes les épilepsies. Il n’existe présentement aucun remède à l’épilepsie génétique généralisée. Au sein de ce groupe d’épilepsies, les sujets sont le plus souvent dépourvus de lésions cérébrales, ce qui signifie que les facteurs génétiques jouent un rôle important dans l’étiologie de la maladie. Au cours des dernières années, plusieurs gènes impliqués dans des formes familiales d’ÉGG ont été identifiés. La majorité d'entre elles codent pour des canaux ioniques incluant le récepteur-ligand GABAA (RGABAA). De ce groupe, des mutations ont été identifiées dans quatre sous-unités du récepteur GABAA. Dans un premier temps, l’objectif général de cette thèse vise l’évaluation de la composante génétique de notre cohorte d’ÉGG expliquée par les gènes codant pour les sous-unités du récepteur GABAA. Puis, dans un second souffle, le rôle des variants identifiés est défini et analysé afin de mieux cerner leurs impacts dans la pathogénèse de ce phénotype. La première partie du projet consiste en une analyse exhaustive des mutations existantes dans la partie codante des 19 gènes GABRA pour des patients atteints d’ÉGG. En criblant des familles québécoises avec ÉGG, nous avons identifié 22 variants rares incluant 19 faux-sens et 3 non-sens dans 14 sous-unités du RGABAA. En séquençant ces gènes dans une grande cohorte de cas et de contrôles, nous avons établi le profil des variations rares pour ceux-ci. Ces données suggèrent qu’une proportion significative (8%) des patients atteints d’ÉGG ont des variants rares sur les gènes du RGABAA. La deuxième partie porte directement sur certains gènes identifiés lors de la première partie. De ce groupe, cinq nouvelles mutations ont été découvertes dans des gènes déjà associés à l’épilepsie (GABRA1 et GABRG2). Nous avons constaté l’impact de ces mutations dans les mécanismes génétiques de l’épilepsie, en mesurant les effets des variants sur la structure et la fonction du récepteur GABAA. La troisième partie se concentre sur notre hypothèse, voulant que les RGABAA mutants altèrent l’effet du GABA durant le développement du système nerveux central (SNC). L’objectif principal vise à déterminer la contribution relative de chacune des sous-unités mutées dans le développement du SNC. Ainsi, nous avons démontré qu’une telle perte de fonction a un impact significatif sur le développement des synapses GABAergiques et glutamatergiques ainsi que sur la plasticité des circuits corticaux. Nos résultats nous ont permis de préciser comment les mutations dans les gènes GABRA peuvent mener à l’ÉGG. Éventuellement, la caractérisation moléculaire de ces mutations contribuera à l’élaboration de nouveaux outils diagnostiques et facilitera la mise au point de traitements mieux ciblés pour les gens atteints de cette condition neurologique chronique.

Mechanisms of translation regulation in long-term synaptic plasticity

Les souvenirs sont encodés dans le cerveau grâce aux configurations uniques de vastes réseaux neuronaux. Chaque connexion dans ces circuits est apte à être modifiée. Ces changements durables s’opèrent au niveau des synapses grâce à une synthèse de protéines de novo et génèrent ce qu’on nomme des traces mnésiques. Plusieurs preuves indiquent que, dans certaines formes de plasticité synaptique à long terme, cette synthèse a lieu dans les dendrites près des synapses activées plutôt que dans le corps cellulaire. Cependant, les mécanismes qui régulent cette traduction de protéines demeurent encore nébuleux. La phase d’initiation de la traduction est une étape limitante et hautement régulée qui, selon plusieurs chercheurs, constitue la cible principale des mécanismes de régulation de la traduction dans la plasticité synaptique à long terme. Le présent projet de recherche infirme cette hypothèse dans une certaine forme de plasticité synaptique, la dépression à long terme dépendante des récepteurs métabotropiques du glutamate (mGluR-LTD). À l’aide d’enregistrements électrophysiologiques de neurones hippocampiques en culture couplés à des inhibiteurs pharmacologiques, nous montrons que la régulation de la traduction implique les étapes de l’élongation et de la terminaison et non celle de l’initiation. De plus, nous démontrons grâce à des stratégies de knockdown d’expression d’ARN que la protéine de liaison d’ARNm Staufen 2 joue un rôle déterminant dans la mGluR-LTD induite en cultures. Dans leur ensemble, les résultats de la présente étude viennent appuyer un modèle de régulation de la traduction locale de protéines qui est indépendante de l’initiation.

Changes in cortical and sub-cortical patterns of activity associated with aging during the performance of a lexical set-shifting task

Bien que le passage du temps altère le cerveau, la cognition ne suit pas nécessairement le même destin. En effet, il existe des mécanismes compensatoires qui permettent de préserver la cognition (réserve cognitive) malgré le vieillissement. Les personnes âgées peuvent utiliser de nouveaux circuits neuronaux (compensation neuronale) ou des circuits existants moins susceptibles aux effets du vieillissement (réserve neuronale) pour maintenir un haut niveau de performance cognitive. Toutefois, la façon dont ces mécanismes affectent l’activité corticale et striatale lors de tâches impliquant des changements de règles (set-shifting) et durant le traitement sémantique et phonologique n’a pas été extensivement explorée. Le but de cette thèse est d’explorer comment le vieillissement affecte les patrons d’activité cérébrale dans les processus exécutifs d’une part et dans l’utilisation de règles lexicales d’autre part. Pour cela nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) lors de la performance d’une tâche lexicale analogue à celle du Wisconsin. Cette tâche a été fortement liée à de l’activité fronto-stritale lors des changements de règles, ainsi qu’à la mobilisation de régions associées au traitement sémantique et phonologique lors de décisions sémantiques et phonologiques, respectivement. Par conséquent, nous avons comparé l’activité cérébrale de jeunes individus (18 à 35 ans) à celle d’individus âgés (55 à 75 ans) lors de l’exécution de cette tâche. Les deux groupes ont montré l’implication de boucles fronto-striatales associées à la planification et à l’exécution de changements de règle. Toutefois, alors que les jeunes semblaient activer une « boucle cognitive » (cortex préfrontal ventrolatéral, noyau caudé et thalamus) lorsqu’ils se voyaient indiquer qu’un changement de règle était requis, et une « boucle motrice » (cortex postérieur préfrontal et putamen) lorsqu’ils devaient effectuer le changement, les participants âgés montraient une activation des deux boucles lors de l’exécution des changements de règle seulement. Les jeunes adultes tendaient à présenter une augmentation de l’activité du cortex préfrontal ventrolatéral, du gyrus fusiforme, du lobe ventral temporale et du noyau caudé lors des décisions sémantiques, ainsi que de l’activité au niveau de l’aire de Broca postérieur, de la junction temporopariétale et du cortex moteur lors de décisions phonologiques. Les participants âgés ont montré de l’activité au niveau du cortex préfrontal latéral et moteur durant les deux types de décisions lexicales. De plus, lorsque les décisions sémantiques et phonologiques ont été comparées entre elles, les jeunes ont montré des différences significatives au niveau de plusieurs régions cérébrales, mais pas les âgés. En conclusion, notre première étude a montré, lors du set-shifting, un délai de l’activité cérébrale chez les personnes âgées. Cela nous a permis de conceptualiser l’Hypothèse Temporelle de Compensation (troisième manuscrit) qui consiste en l’existence d’un mécanisme compensatoire caractérisé par un délai d’activité cérébrale lié au vieillissement permettant de préserver la cognition au détriment de la vitesse d’exécution. En ce qui concerne les processus langagiers (deuxième étude), les circuits sémantiques et phonologiques semblent se fusionner dans un seul circuit chez les individus âgés, cela représente vraisemblablement des mécanismes de réserve et de compensation neuronales qui permettent de préserver les habilités langagières.