Modulatory effects of acid-sensing ion channels on action potential generation in hippocampal neurons.

Extracellular acidification has been shown to generate action potentials (APs) in several types of neurons. In this study, we investigated the role of acid-sensing ion channels (ASICs) in acid-induced AP generation in brain neurons. ASICs are neuronal Na(+) channels that belong to the epithelial Na(+) channel/degenerin family and are transiently activated by a rapid drop in extracellular pH. We compared the pharmacological and biophysical properties of acid-induced AP generation with those of ASIC currents in cultured hippocampal neurons. Our results show that acid-induced AP generation in these neurons is essentially due to ASIC activation. We demonstrate for the first time that the probability of inducing APs correlates with current entry through ASICs. We also show that ASIC activation in combination with other excitatory stimuli can either facilitate AP generation or inhibit AP bursts, depending on the conditions. ASIC-mediated generation and modulation of APs can be induced by extracellular pH changes from 7.4 to slightly <7. Such local extracellular pH values may be reached by pH fluctuations due to normal neuronal activity. Furthermore, in the plasma membrane, ASICs are localized in close proximity to voltage-gated Na(+) and K(+) channels, providing the conditions necessary for the transduction of local pH changes into electrical signals.

Rufinamide Attenuates Mechanical Allodynia in a Model of Neuropathic Pain in the Mouse and Stabilizes Voltage-gated Sodium Channel Inactivated State.

BACKGROUND:: Voltage-gated sodium channels dysregulation is important for hyperexcitability leading to pain persistence. Sodium channel blockers currently used to treat neuropathic pain are poorly tolerated. Getting new molecules to clinical use is laborious. We here propose a drug already marketed as anticonvulsant, rufinamide. METHODS:: We compared the behavioral effect of rufinamide to amitriptyline using the Spared Nerve Injury neuropathic pain model in mice. We compared the effect of rufinamide on sodium currents using in vitro patch clamp in cells expressing the voltage-gated sodium channel Nav1.7 isoform and on dissociated dorsal root ganglion neurons to amitriptyline and mexiletine. RESULTS:: In naive mice, amitriptyline (20 mg/kg) increased withdrawal threshold to mechanical stimulation from 1.3 (0.6-1.9) (median [95% CI]) to 2.3 g (2.2-2.5) and latency of withdrawal to heat stimulation from 13.1 (10.4-15.5) to 30.0 s (21.8-31.9), whereas rufinamide had no effect. Rufinamide and amitriptyline alleviated injury-induced mechanical allodynia for 4 h (maximal effect: 0.10 ± 0.03 g (mean ± SD) to 1.99 ± 0.26 g for rufinamide and 0.25 ± 0.22 g to 1.92 ± 0.85 g for amitriptyline). All drugs reduced peak current and stabilized the inactivated state of voltage-gated sodium channel Nav1.7, with similar effects in dorsal root ganglion neurons. CONCLUSIONS:: At doses alleviating neuropathic pain, amitriptyline showed alteration of behavioral response possibly related to either alteration of basal pain sensitivity or sedative effect or both. Side-effects and drug tolerance/compliance are major problems with drugs such as amitriptyline. Rufinamide seems to have a better tolerability profile and could be a new alternative to explore for the treatment of neuropathic pain.

Late Cretaceous to Eocene geology of the South Central American forearc area (southern Costa Rica and western Panama) : initiation and evolution of an intra-oceanic convergent margin

Résumé : L'arc volcanique du sud de l'Amérique Centrale se situe sur la marge SW de la Plaque Caraïbe, au-dessus des plaques subduites de Cocos et Nazca. Il s'agit de l'un des arcs intra-océaniques les plus étudiés au monde, qui est généralement considéré comme s'étant développé à la fin du Crétacé le long d'un plateau océanique (le Plateau Caraïbe ou CLIP) et se trouvant actuellement dans un régime de subduction érosive. Au cours des dernières décennies, des efforts particuliers ont été faits pour comprendre les processus liés à la subduction sur la base d'études géophysiques et géochimiques. Au sud du Costa Rica et à l'ouest du Panama, des complexes d'accrétions et structures à la base de l'arc volcanique ont été exposés grâce à la subduction de rides asismiques et de failles transformantes. Des affleurements, situés jusqu'à seulement 15 km de la fosse, offrent une possibilité unique de mieux comprendre quelques uns des processus ayant lieu le long de la zone de subduction. Nous présentons de nouvelles contraintes sur l'origine de ces affleurements en alliant une étude de terrain poussée, de nouvelles données géochimiques, sédimentaires et paléontologiques, ainsi que des observations structurales effectuées en télédétection. Une nouvelle stratigraphie tectonique entre le Campanien et l'Éocène est définie pour la région d'avant-arc située entre la Péninsule d'Osa (Costa Rica) et la Péninsule d'Azuero (Panama). Nos résultats montrent que la partie externe de la marge est composée d'un arrangement complexe de roches ignées et de séquences sédimentaires de recouvrement qui comprennent principalement le socle de l'arc, des roches d'arc primitif, des fragments de monts sous-marins accrétés et des mélanges d'accrétion. Des preuves sont données pour le développement de l'arc volcanique du sud de l'Amérique Centrale sur un plateau océanique. Le début de la subduction le long de la marge SW de la Plaque Caraïbe a eu lieu au Campanien et a généré des roches d'arc primitif caractérisées par des affinités géochimiques particulières, globalement intermédiaires entre des affinités de plateau et d'arc insulaire. L'arc était mature au Maastrichtien et formait un isthme essentiellement continu entre l'Amérique du Nord et l'Amérique du Sud. Ceci a permis la migration de faunes terrestres entre les Amériques et pourrait avoir contribué à la crise fin Crétacé -Tertiaire en réduisant les courants océaniques subéquatoriaux entre le Pacifique et l'Atlantique. Plusieurs unités composées de fragments de monts sous-marins accrétés sont définies. La nature et l'arrangement structural de ces unités définissent de nouvelles contraintes sur les modes d'accrétion des monts sous-marins/îles océaniques et sur l'évolution de la marge depuis la formation de la zone de subduction. Entre la fin du Crétacé et l'Éocène moyen, la marge a enregistré plusieurs épisodes ponctuels d'accrétion de monts sous-marins alternant avec de la subduction érosive. A l'Éocène moyen, un événement tectonique régional pourrait avoir causé un fort couplage entre les plaques supérieure et inférieure, menant à des taux plus important d'accrétion de monts sous-marins. Durant cette période, la situation le long de la marge était très semblable à la situation actuelle et caractérisée par la présence de monts sous-marins subductants et l'absence d'accrétion de sédiments. L'enregistrement géologique montre qu'il n'est pas possible d'attribuer une nature érosive ou accrétionnaire à la marge dans le passé ou -par analogie- aujourd'hui, parce que (1) les processus d'accrétion et érosifs varient fortement spatialement et temporellement et (2) il est impossible d'évaluer la quantité exacte de matériel tectoniquement enlevé à la marge depuis le début de la subduction. Au sud du Costa Rica, certains fragments de monts sous-marins accrétés sont représentatifs d'une interaction entre une ride et un point chaud dans le Pacifique au Crétacé terminal/Paléocène. L'existence de ces fragments de monts sous-marins et la morphologie du fond de l'Océan Pacifique indiquent que la formation de la ride de Cocos-Nazca s'est formée au moins ~40 Ma avant l'âge proposé par les modèles tectoniques actuels. Au Panama, nous avons identifié une île océanique d'âge début Éocène qui a été accrétée à l'Éocène moyen. L'accrétion a eu lieu à très faible profondeur par détachement de l'île dans la fosse, et a mené à une exceptionnelle préservation des structures volcaniques. Des affleurement comprenant aussi bien des parties basses et hautes de l'édifice volcanique on été étudiées, depuis la phase sous-marine bouclier jusqu'à la phase subaérienne post-bouclier. La stratigraphie nous a permis de différencier les laves de la phase sous-marine de celles de la phase subaérienne. La composition des laves indique une diminution progressive de l'intensité de la fusion partielle de la source et une diminution de la température des laves produites durant les derniers stades de l'activité volcanique. Nous interprétons ces changements comme étant liés à l'éloignement progressif de l'île océanique de la zone de fusion ou point chaud. Abstract The southern Central American volcanic front lies on the SW edge of the Caribbean Plate, inboard of the subducting Cocos and Nazca Plates. It is one of the most studied intra-oceanic convergent margins around the world, which is generally interpreted to have developed in the late Cretaceous along an oceanic plateau (the Caribbean Large Igneous Province or CLIP) and to be currently undergoing a regime of subduction erosion. In the last decades a particular effort has been made to understand subduction-related processes on the basis of geophysical and geochemical studies. In southern Costa Rica and western Panama accretionary complexes and structures at the base of the volcanic front have been exposed in response to subduction of aseismic ridges and transforms. Onland exposures are located as close as to 15 km from the trench and provide a unique opportunity to better understand some of the processes occurring along the subduction zone. We provide new constraints on the origins of these exposures by integrating a comprehensive field work, new geochemical, sedimentary and paleontological data, as well as structural observations based on remote imaging. A new Campanian to Eocene tectonostratigraphy is defined for the forearc area located between the Osa Peninsula (Costa Rica) and the Azuero Peninsula (Panama). Our results show that the outer margin is composed of a complicated arrangement of igneous complexes and overlapping sedimentary sequences that essentially comprise an arc basement, primitive island-arc rocks, accreted seamount fragments and accretionary mélanges. Evidences are provided for the development of the southern Central American arc on the top an oceanic plateau. The subduction initiation along the SW edge of the Caribbean Plate occurred in the Campanian and led to formation of primitive island-arc rocks characterized by unusual geochemical affinities broadly intermediate between plateau and arc affinities. The arc was mature in the Maastrichtian and was forming a predominantly continuous landbridge between the North and South Americas. This allowed migration of terrestrial fauna between the Americas and may have contributed to the Cretaceous-Tertiary crisis by limiting trans-equatorial oceanic currents between the Pacific and the Atlantic. Several units composed of accreted seamount fragments are defined. The nature of the units and their structural arrangement provide new constraints on the modes of accretion of seamounts/oceanic islands and on the evolution of the margin since subduction initiation. Between the late Cretaceous and the middle Eocene, the margin recorded several local episodes of seamount accretion alternating with tectonic erosion. In the middle Eocene a regional tectonic event may have triggered strong coupling between the overriding and subducting plates, leading to higher rates of seamount accretion. During this period the situation along the margin was very similar to the present and characterized by subducting seamounts and absence of sediment accretion. The geological record shows that it is not possible to ascribe an overall erosive or accretionary nature to the margin in the past and, by analogy, today, because (1) accretionary and erosive processes exhibit significant lateral and temporal variations and (2) it is impossible to estimate the exact amount of material tectonically eroded from the margin since subduction initiation. In southern Costa Rica, accreted seamount fragments point toward a plume-ridge interaction in the Pacific in the late Cretaceous/Paleocene. This occurrence of accreted seamount fragments and morphology of the Pacific Ocean floor is indicative of the formation of the Cocos-Nazca spreading system at least ~40 Ma prior to the age proposed in current tectonic models. In Panama, we identified a remarkably-well preserved early Eocene oceanic island that accreted in the middle Eocene. The accretion probably occurred at very shallow depth by detachment of the island in the trench and led to an exceptional preservation of the volcanic structures. Exposures of both deep and superficial parts of the volcanic edifice have been studied, from the submarine-shield to subaerial-postshield stages. The stratigraphy allowed us to distinguish lavas produced during the submarine and subaerial stages. The lava compositions likely define a progressive diminution of source melting and a decrease in the temperature of erupted melts in the latest stages of volcanic activity. We interpret these changes to primarily reflect the progressive migration of the oceanic island out of the melting region or hotspot.

CARDIAC AND MUSCLE CHANNELOPATHIES: ROLES AND REGULATION OF VOLTAGE-GATED SODIUM CHANNELS

Abstract :The contraction of the heart or skeletal muscles is mainly due to the propagation, through excitable cells, of an electrical influx called action potential (AP). The AP results from the sequential opening of ion channels that generate inward or outward currents through the cell membrane. Among all the channels involved, the voltage-gated sodium channel is responsible for the rising phase of the action potential. Ten genes encode the different isoforms of these channels (from Nav1.1 to Nav1.9 and an atypical channel named NavX). Nav1.4 and Nav1.5 are the main skeletal muscle and cardiac sodium channels respectively. Their importance for muscle and heart function has been highlighted by the description of mutations in their encoding genes SCN4A and SCNSA. They lead respectively to neuromuscular disorders such as myotonia or paralysis (for Nav1.4), and to cardiac arrhythmias that can deteriorate into sudden cardiac death (for Nav1.5).The general aim of my PhD work has been to study diseases linked with channels dysfunction, also called channelopathies. In that purpose, I investigated the function and the regulation of the muscle and cardiac voltage-gated sodium channels. During the two first studies, I characterized the effects of two mutations affecting Nav1.4 and Nav1.5 function. I used the HEK293 model cells to express wild-type or mutant channels and then studied their biophysical properties with the patch-clamp technique, in whole cell configuration. We found that the SCN4A mutation produced complex alterations of the muscle sodium channel function, that could explain the myotonic phenotype described in patients carrying the mutation. In the second study, the index case was an heterozygous carrier of a SCNSA mutation that leads to a "loss of function" of the channel. The decreased sodium current measured with mutated Nay 1.5 channels, at physiological temperature, was a one of the factors that could explain the observed Brugada syndrome. The last project aimed at identifying a new potential protein interacting with the cardiac sodium channel. We found that the protein SAP97 binds the three last amino-acids of the C-terminus of Na,, 1.5. Our results also indicated that silencing the expression of SAP97 in HEK293 cells decreased the sodium current. Sodium channels lacking their three last residues also produced a reduced INa. These preliminary results suggest that SAP97 is implicated in the regulation of sodium channel. Whether this effect is direct or imply the action of an adaptor protein remains to be investigated. Moreover, our group has previously shown that Nav1.5 channels are localized to lateral membranes of cardiomyocytes by the dystrophin multiprotein complex (DMC). This suggests that sodium channels are distributed in, at least, two different pools: one targeted at lateral membranes by DMC and the other at intercalated discs by another protein such as SAP97.These studies reveal that cardiac and muscle diseases may result from ion channel mutations but also from regulatory proteins affecting their regulation.Résumé :La contraction des muscles et du coeur est principalement due à la propagation, à travers les cellules excitables, d'un stimulus électrique appelé potentiel d'action (PA). C'est l'ouverture séquentielle de plusieurs canaux ioniques transmembranaires, permettant l'entrée ou la sortie d'ions dans la cellule, qui est à l'origine de ce PA. Parmi tous les canaux ioniques impliqués dans ce processus, les canaux sodiques dépendant du voltage sont responsables de la première phase du potentiel d'action. Les différentes isoformes de ces canaux (de Nav1.1 à Nav1.9 et NavX) sont codées par dix gènes distincts. Nav1.4 et Nav1.5 sont les principaux variants exprimés respectivement dans le muscle et le coeur. Plusieurs mutations ont été décrites dans les gènes qui codent pour ces deux canaux: SCN4A (pour Nav1.4) et SCNSA (pour Nav1.5). Elles sont impliquées dans des pathologies neuromusculaires telles que des paralysies ou myotonies (SCN4A) ou des arythmies cardiaques pouvant conduire à la mort subite cardiaque (SCNSA).Mon travail de thèse a consisté à étudier les maladies liées aux dysfonctionnements de ces canaux, aussi appelées canalopathies. J'ai ainsi analysé la fonction et la régulation des canaux sodiques dépendant du voltage dans le muscle squelettique et le coeur. A travers les deux premières études, j'ai ainsi pu examiner les conséquences de deux mutations affectant respectivement les canaux Nav1.4 et Nav1.5. Les canaux sauvages ou mutants ont été exprimés dans des cellules HEK293 afin de caractériser leurs propriétés biophysiques par la technique du patch clamp en configuration cellule entière. Nous avons pu déterminer que la mutation trouvée dans le gène SCN4A engendrait des modifications importantes de la fonction du canal musculaire. Ces altérations fournissent des indications nous permettant d'expliquer certains aspects de la myotonie observée chez les membres de la famille étudiée. Le patient présenté dans la deuxième étude était hétérozygote pour la mutation identifiée dans le gène SCNSA. La perte de fonction des canaux Nav1.5 ainsi engendrée, a été observée lors d'analyses à températures physiologiques. Elle représente l'un des éléments pouvant potentiellement expliquer le syndrome de Brugada du patient. La dernière étude a consisté à identifier une nouvelle protéine impliquée dans la régulation du canal sodique cardiaque. Nos expériences ont démontré que les trois derniers acides aminés de la partie C-terminale de Nav1.5 pouvaient interagir avec la protéine SAP97. Lorsque que l'expression de la SAP97 est réduite dans les cellules HEK293, cela induit une baisse importante du courant sodique. De même, les canaux tronqués de leurs trois derniers acides aminés génèrent un flux ionique réduit. Ces résultats préliminaires suggèrent que SAP97 est peut-être impliquée dans la régulation du canal Na,,1.5. Des expériences complémentaires permettront de déterminer si ces deux protéines interagissent directement ou si une protéine adaptatrice est nécessaire. De plus, nous avons préalablement montré que les canaux Nav1.5 étaient localisés au niveau de la membrane latérale des cardiomyocytes par le complexe multiprotéique de la dystrophine (DMC). Ceci suggère que les canaux sodiques peuvent être distribués dans un minimum de deux pools, l'un ciblé aux membranes latérales pax le DMC et l'autre dirigé vers les disques intercalaires par des protéines telles que SAP97.L'ensemble de ces études met en évidence que certaines maladies musculaires et cardiaques peuvent être la conséquence directe de mutations de canaux ioniques, mais que l'action de protéines auxiliaires peut aussi affecter leur fonction.

FXYD Proteins Reverse Inhibition of the Na+-K+ Pump Mediated by Glutathionylation of Its {beta}1 Subunit.

The seven members of the FXYD protein family associate with the Na(+)-K(+) pump and modulate its activity. We investigated whether conserved cysteines in FXYD proteins are susceptible to glutathionylation and whether such reactivity affects Na(+)-K(+) pump function in cardiac myocytes and Xenopus oocytes. Glutathionylation was detected by immunoblotting streptavidin precipitate from biotin-GSH loaded cells or by a GSH antibody. Incubation of myocytes with recombinant FXYD proteins resulted in competitive displacement of native FXYD1. Myocyte and Xenopus oocyte pump currents were measured with whole-cell and two-electrode voltage clamp techniques, respectively. Native FXYD1 in myocytes and FXYD1 expressed in oocytes were susceptible to glutathionylation. Mutagenesis identified the specific cysteine in the cytoplasmic terminal that was reactive. Its reactivity was dependent on flanking basic amino acids. We have reported that Na(+)-K(+) pump β(1) subunit glutathionylation induced by oxidative signals causes pump inhibition in a previous study. In the present study, we found that β(1) subunit glutathionylation and pump inhibition could be reversed by exposing myocytes to exogenous wild-type FXYD3. A cysteine-free FXYD3 derivative had no effect. Similar results were obtained with wild-type and mutant FXYD proteins expressed in oocytes. Glutathionylation of the β(1) subunit was increased in myocardium from FXYD1(-/-) mice. In conclusion, there is a dependence of Na(+)-K(+) pump regulation on reactivity of two specifically identified cysteines on separate components of the multimeric Na(+)-K(+) pump complex. By facilitating deglutathionylation of the β(1) subunit, FXYD proteins reverse oxidative inhibition of the Na(+)-K(+) pump and play a dynamic role in its regulation.

ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.

Neurophysiological effects of vasopressin and oxytocin in the central amygdala of the rat : a potential mechanism for the opposite modulation of anxiety and fear behavior

Abstract The amygdala is a group of nuclei in the temporal lobe of the brain that plays a crucial role in anxiety and fear behavior. Sensory information converges in the basolateral and lateral nuclei of the amygdala, which have been the first regions in the brain where the acquisition of new (fear) memories has been associated with long term changes in synaptic transmission. These nuclei, in turn, project to the central nucleus of the amygdala. The central amygdala, through its extensive projections to numerous nuclei in the midbrain and brainstem, plays a pivotal role in the orchestration of the rapid autonomic and endocrine fear responses. In the central amygdala a large number of neuropeptides and receptors is expressed, among which high levels of vasopressin and oxytocin receptors. Local injections of these peptides into the amygdala modulate several aspects of the autonomic fear reaction. Interestingly, their effects are opposing: vasopressin tends to enhance the fear reactions, whereas oxytocin has anxiolytic effects. In order to investigate the neurophysiological mechanisms that could underlie this opposing modulation of the fear behavior, we studied the effects of vasopressin and oxytocin on the neuronal activity in an acute brain slice preparation of the rat central amygdala. We first assessed the effects of vasopressin and oxytocin on the spontaneous activity of central amygdala neurons. Extracellular single unit recordings revealed two major populations of neurons: a majority of neurons was excited by vasopressin and inhibited by oxytocin, whereas other neurons were only excited by oxytocin receptor activation. The inhibitory effect of oxytocin could be reduced by the block of GABAergic transmission, whereas the excitatory effects of vasopressin and oxytocin were not affected. In a second step we identified the cellular mechanisms for the excitatory effects of both peptides as well as the morphological and biochemical mechanisms underlying the opposing effects, by using sharp electrode recordings together with intracellular labelings. We revealed that oxytocin-excited neurons are localized in the lateral part (CeL) whereas vasopressin excited cells are found in the medial part of the central amygdala (CeM). The tracing of the neuronal morphology showed that the axon collaterals of the oxytocin-excited neurons project from the CeL, far into the CeM. Combined immunohistochemical stainings indicated that these projections are GABAergic. In the third set of experiments we investigated the synaptic interactions between the two identified cell populations. Whole-cell patch-clamp recordings in the CeM revealed that the inhibitory effect of oxytocin was caused by the massive increase of inhibitory GABAergic currents, which was induced by the activation of CeL neurons. Finally, the effects of vasopressin and oxytocin on evoked activity were investigated. We found on the one hand, that the probability of evoking action potentials in the CeM by stimulating the basolateral amygdala afferents was enhanced under vasopressin, whereas it decreased under oxytocin. On the other hand, the impact of cortical afferents stimulation on the CeL neurons was enhanced by oxytocin application. Taken together, these findings have allowed us to develop a model, in which the opposing behavioral effects of vasopressin and oxytocin are caused by a selective activation of two distinct populations of neurons in the GABAergic network of the central amygdala. Our model could help to develop new anxiolytic treatments, which modulate simultaneously both receptor systems. By acting on a GABAergic network, such treatments can further be tuned by combinations with classical benzodiazepines. Résumé: L'amygdale est un groupe de noyaux cérébraux localisés dans le lobe temporal. Elle joue un rôle essentiel dans les comportements liés à la peur et l'anxiété. L'information issue des aires sensorielles converge vers les noyaux amygdaliens latéraux et basolatéraux, qui sont les projections vers différents noyaux du tronc cérébral et de l'hypothalamus, joue un rôle clef premières régions dans lesquelles il a été démontré que l'acquisition d'une nouvelle mémoire (de peur) était associée à des changements à long terme de la transmission synaptique. Ces noyaux envoient leurs projections sur l'amygdale centrale, qui à travers ses propres dans l'orchestration des réponses autonomes et endocrines de peur. Le contrôle de l'activité neuronale dans l'amygdale centrale module fortement la réaction de peur. Ainsi, un grand nombre de neuropeptides sont spécifiquement exprimés dans l'amygdale centrale et un bon nombre d'entre eux interfère dans la réaction de peur et d'anxiété. Chez les rats, une forte concentration de récepteurs à l'ocytocine et à la vasopressine est exprimée dans le noyau central, et l'injection de ces peptides dans l'amygdale influence différents aspects de la réaction viscérale associée à la peur. Il est intéressant de constater que ces peptides exercent des effets opposés. Ainsi, la vasopressine augmente la réaction de peur alors que l'ocytocine a un effet anxiolytique. Afin d'investiguer les mécanismes neurophysiologiques responsables de ces effets opposés, nous avons étudié l'effet de la vasopressine et de l'ocytocine sur l'activité neuronale de préparations de tranches de cerveau de rats contenant entre autres de l'amygdale centrale. Tout d'abord, notre intérêt s'est porté sur les effets de ces deux neuropeptides sur l'activité spontanée dans l'amygdale centrale. Des enregistrements extracellulaires ont révélé différentes populations de neurones ; une majorité était excitée par la vasopressine et inhibée par l'ocytocine ; d'autres étaient seulement excités par l'activation du récepteur à l'ocytocine. L'effet inhibiteur de l'ocytocine a pu être réduit par l'inhibition de la transmission GABAergique, alors que ses effets excitateurs n'étaient pas affectés. Dans un deuxième temps, nous avons identifié les mécanismes cellulaires responsables de l'effet excitateur de ces deux peptides et analysé les caractéristiques morphologiques et biochimiques des neurones affectés. Des enregistrements intracellulaires ont permis de localiser les neurones excités par l'ocytocine dans la partie latérale de l'amygdale centrale (CeL), et ceux excités par la vasopressine dans sa partie médiale (CeM). Le traçage morphologique des neurones a révélé que les collatérales axonales des cellules excitées par l'ocytocine projetaient du CeL loin dans le CeM. De plus, des colorations immuno-histochimiques ont révélé que ces projections étaient GABAergiques. Dans un troisième temps, nous avons étudié les interactions synaptiques entre ces deux populations de cellules. Les enregistrements en whole-cell patch-clamp dans le CeM ont démontré que les effets inhibiteurs de l'ocytocine résultaient de l'augmentation massive des courants GABAergique résultant de l'activation des neurones dans le CeL. Finalement, les effets de l'ocytocine et de la vasopressine sur l'activité évoquée ont été étudiés. Nous avons pu montrer que la probabilité d'évoquer un potentiel d'action dans le CeM, par stimulation de l'amygdale basolatérale, était augmentée sous l'effet de la vasopressine et diminuée sous l'action de l'ocytocine. Par contre, l'impact de la stimulation des afférences corticales sur les neurones du CeL était augmenté par l'application de l'ocytocine. L'ensemble de ces résultats nous a permis de développer un modèle dans lequel les effets comportementaux opposés de la vasopressine et de l'ocytocine sont causés par une activation sélective des deux différentes populations de neurones dans un réseau GABAergique. Un tel modèle pourrait mener au développement de nouveaux traitements anxiolytiques en modulant l'activité des deux récepteurs simultanément. En agissant sur un réseau GABAergique, les effets d'un tel traitement pourraient être rendus encore plus sélectifs en association avec des benzodiazépines classiques.

Higher-dimensional rotating charged black holes

Using the blackfold approach, we study new classes of higher-dimensional rotating black holes with electric charges and string dipoles, in theories of gravity coupled to a 2-form or 3-form field strength and to a dilaton with arbitrary coupling. The method allows to describe not only black holes with large angular momenta, but also other regimes that include charged black holes near extremality with slow rotation. We construct explicit examples of electric rotating black holes of dilatonic and non-dilatonic Einstein-Maxwell theory, with horizons of spherical and non-spherical topology. We also find new families of solutions with string dipoles, including a new class of prolate black rings. Whenever there are exact solutions that we can compare to, their properties in the appropriate regime are reproduced precisely by our solutions. The analysis of blackfolds with string charges requires the formulation of the dynamics of anisotropic fluids with conserved string-number currents, which is new, and is carried out in detail for perfect fluids. Finally, our results indicate new instabilities of near-extremal, slowly rotating charged black holes, and motivate conjectures about topological constraints on dipole hair.

A unique role for Kv3 voltage-gated potassium channels in starburst amacrine cell signaling in mouse retina

Direction-selective retinal ganglion cells show an increased activity evoked by light stimuli moving in the preferred direction. This selectivity is governed by direction-selective inhibition from starburst amacrine cells occurring during stimulus movement in the opposite or null direction. To understand the intrinsic membrane properties of starburst cells responsible for direction-selective GABA release, we performed whole-cell recordings from starburst cells in mouse retina. Voltage-clamp recordings revealed prominent voltage-dependent K+ currents. The currents were mostly blocked by 1 mm TEA, activated rapidly at voltages more positive than -20 mV, and deactivated quickly, properties reminiscent of the currents carried by the Kv3 subfamily of K+ channels. Immunoblots confirmed the presence of Kv3.1 and Kv3.2 proteins in retina and immunohistochemistry revealed their expression in starburst cell somata and dendrites. The Kv3-like current in starburst cells was absent in Kv3.1-Kv3.2 knock-out mice. Current-clamp recordings showed that the fast activation of the Kv3 channels provides a voltage-dependent shunt that limits depolarization of the soma to potentials more positive than -20 mV. This provides a mechanism likely to contribute to the electrical isolation of individual starburst cell dendrites, a property thought essential for direction selectivity. This function of Kv3 channels differs from that in other neurons where they facilitate high-frequency repetitive firing. Moreover, we found a gradient in the intensity of Kv3.1b immunolabeling favoring proximal regions of starburst cells. We hypothesize that this Kv3 channel gradient contributes to the preference for centrifugal signal flow in dendrites underlying direction-selective GABA release from starburst amacrine cells.

Oscillations, phase-of-firing coding, and spike timing-dependent plasticity: an efficient learning scheme

Recent experiments have established that information can be encoded in the spike times of neurons relative to the phase of a background oscillation in the local field potential—a phenomenon referred to as “phase-of-firing coding” (PoFC). These firing phase preferences could result from combining an oscillation in the input current with a stimulus-dependent static component that would produce the variations in preferred phase, but it remains unclear whether these phases are an epiphenomenon or really affect neuronal interactions—only then could they have a functional role. Here we show that PoFC has a major impact on downstream learning and decoding with the now well established spike timing-dependent plasticity (STDP). To be precise, we demonstrate with simulations how a single neuron equipped with STDP robustly detects a pattern of input currents automatically encoded in the phases of a subset of its afferents, and repeating at random intervals. Remarkably, learning is possible even when only a small fraction of the afferents (~10%) exhibits PoFC. The ability of STDP to detect repeating patterns had been noted before in continuous activity, but it turns out that oscillations greatly facilitate learning. A benchmark with more conventional rate-based codes demonstrates the superiority of oscillations and PoFC for both STDP-based learning and the speed of decoding: the oscillation partially formats the input spike times, so that they mainly depend on the current input currents, and can be efficiently learned by STDP and then recognized in just one oscillation cycle. This suggests a major functional role for oscillatory brain activity that has been widely reported experimentally.

Dysregulation of voltage-gated sodium channels by ubiquitin ligase NEDD4-2 in neuropathic pain.

Peripheral neuropathic pain is a disabling condition resulting from nerve injury. It is characterized by the dysregulation of voltage-gated sodium channels (Navs) expressed in dorsal root ganglion (DRG) sensory neurons. The mechanisms underlying the altered expression of Navs remain unknown. This study investigated the role of the E3 ubiquitin ligase NEDD4-2, which is known to ubiquitylate Navs, in the pathogenesis of neuropathic pain in mice. The spared nerve injury (SNI) model of traumatic nerve injury-induced neuropathic pain was used, and an Nav1.7-specific inhibitor, ProTxII, allowed the isolation of Nav1.7-mediated currents. SNI decreased NEDD4-2 expression in DRG cells and increased the amplitude of Nav1.7 and Nav1.8 currents. The redistribution of Nav1.7 channels toward peripheral axons was also observed. Similar changes were observed in the nociceptive DRG neurons of Nedd4L knockout mice (SNS-Nedd4L-/-). SNS-Nedd4L-/- mice exhibited thermal hypersensitivity and an enhanced second pain phase after formalin injection. Restoration of NEDD4-2 expression in DRG neurons using recombinant adenoassociated virus (rAAV2/6) not only reduced Nav1.7 and Nav1.8 current amplitudes, but also alleviated SNI-induced mechanical allodynia. These findings demonstrate that NEDD4-2 is a potent posttranslational regulator of Navs and that downregulation of NEDD4-2 leads to the hyperexcitability of DRG neurons and contributes to the genesis of pathological pain.

Investigation of resins suitable for the preparation of biological sample for 3-D electron microscopy.

In the last two decades, the third-dimension has become a focus of attention in electron microscopy to better understand the interactions within subcellular compartments. Initially, transmission electron tomography (TEM tomography) was introduced to image the cell volume in semi-thin sections (∼500nm). With the introduction of the focused ion beam scanning electron microscope, a new tool, FIB-SEM tomography, became available to image much larger volumes. During TEM tomography and FIB-SEM tomography, the resin section is exposed to a high electron/ion dose such that the stability of the resin embedded biological sample becomes an important issue. The shrinkage of a resin section in each dimension, especially in depth, is a well-known phenomenon. To ensure the dimensional integrity of the final volume of the cell, it is important to assess the properties of the different resins and determine the formulation which has the best stability in the electron/ion beam. Here, eight different resin formulations were examined. The effects of radiation damage were evaluated after different times of TEM irradiation. To get additional information on mass-loss and the physical properties of the resins (stiffness and adhesion), the topography of the irradiated areas was analysed with atomic force microscopy (AFM). Further, the behaviour of the resins was analysed after ion milling of the surface of the sample with different ion currents. In conclusion, two resin formulations, Hard Plus and the mixture of Durcupan/Epon, emerged that were considerably less affected and reasonably stable in the electron/ion beam and thus suitable for the 3-D investigation of biological samples.

Closed loop electrical muscle stimulation in spinal cord injured rehabilitation

The effect of motor training using closed loop controlled Functional Electrical Stimulation (FES) on motor performance was studied in 5 spinal cord injured (SCI) volunteers. The subjects trained 2 to 3 times a week during 2 months on a newly developed rehabilitation robot (MotionMaker?). The FES induced muscle force could be adequately adjusted throughout the programmed exercises by the way of a closed loop control of the stimulation currents. The software of the MotionMaker? allowed spasms to be detected accurately and managed in a way to prevent any harm to the SCI persons. Subjects with incomplete SCI reported an increased proprioceptive awareness for motion and were able to achieve a better voluntary activation of their leg muscles during controlled FES. At the end of the training, the voluntary force of the 4 incomplete SCI patients was found increased by 388% on their most affected leg and by 193% on the other leg. Active mobilisation with controlled FES seems to be effective in improving motor function in SCI persons by increasing the sensory input to neuronal circuits involved in motor control as well as by increasing muscle strength.

General electromagnetic simulation tool to predict the microwave nonlinear response of planar, arbitrarily-shaped HTS structures

This work describes a simulation tool being developed at UPC to predict the microwave nonlinear behavior of planar superconducting structures with very few restrictions on the geometry of the planar layout. The software is intended to be applicable to most structures used in planar HTS circuits, including line, patch, and quasi-lumped microstrip resonators. The tool combines Method of Moments (MoM) algorithms for general electromagnetic simulation with Harmonic Balance algorithms to take into account the nonlinearities in the HTS material. The Method of Moments code is based on discretization of the Electric Field Integral Equation in Rao, Wilton and Glisson Basis Functions. The multilayer dyadic Green's function is used with Sommerfeld integral formulation. The Harmonic Balance algorithm has been adapted to this application where the nonlinearity is distributed and where compatibility with the MoM algorithm is required. Tests of the algorithm in TM010 disk resonators agree with closed-form equations for both the fundamental and third-order intermodulation currents. Simulations of hairpin resonators show good qualitative agreement with previously published results, but it is found that a finer meshing would be necessary to get correct quantitative results. Possible improvements are suggested.

Performance Characteristics of an Axial-Flux Solid-Rotor-Core Induction Motor

The integration of electric motors and industrial appliances such as pumps, fans, and compressors is rapidly increasing. For instance, the integration of an electric motor and a centrifugal pump provides cost savings and improved performance characteristics. Material cost savings are achieved when an electric motor is integrated into the shaft of a centrifugal pump, and the motor utilizes the bearings of the pump. This arrangement leads to a smaller configuration that occupies less floor space. The performance characteristics of a pump drive can be improved by using the variable-speed technology. This enables the full speed control of the drive and the absence of a mechanical gearbox and couplers. When using rotational speeds higher than those that can be directly achieved by the network frequency the structure of the rotor has to be mechanically durable. In this thesis the performance characteristics of an axial-flux solid-rotor-core induction motor are determined. The motor studied is a one-rotor-one-stator axial-flux induction motor, and thus, there is only one air-gap between the rotor and the stator. The motor was designed for higher rotational speeds, and therefore a good mechanical strength of the solid-rotor-core rotor is required to withstand the mechanical stresses. The construction of the rotor and the high rotational speeds together produce a feature, which is not typical of traditional induction motors: the dominating loss component of the motor is the rotor eddy current loss. In the case of a typical industrial induction motor instead the dominating loss component is the stator copper loss. In this thesis, several methods to decrease the rotor eddy current losses in the case of axial-flux induction motors are presented. A prototype motor with 45 kW output power at 6000 min-1 was designed and constructed for ascertaining the results obtained from the numerical FEM calculations. In general, this thesis concentrates on the methods for improving the electromagnetic properties of an axial-flux solid-rotor-core induction motor and examines the methods for decreasing the harmonic eddy currents of the rotor. The target is to improve the efficiency of the motor and to reach the efficiency standard of the present-day industrial induction motors equipped with laminated rotors.