Cortical and autonomic modulation of attentional control /

Whereas the role of the anterior cingulate cortex (ACC) in cognitive control has received considerable attention, much less work has been done on the role of the ACC in autonomic regulation. Its connections through the vagus nerve to the sinoatrial node of the heart are thought to exert modulatory control over cardiovascular arousal. Therefore, ACC is not only responsible for the implementation of cognitive control, but also for the dynamic regulation of cardiovascular activity that characterizes healthy heart rate and adaptive behaviour. However, cognitive control and autonomic regulation are rarely examined together. Moreover, those studies that have examined the role of phasic vagal cardiac control in conjunction with cognitive performance have produced mixed results, finding relations for specific age groups and types of tasks but not consistently. So, while autonomic regulatory control appears to support effective cognitive performance under some conditions, it is not presently clear just what factors contribute to these relations. The goal of the present study was, therefore, to examine the relations between autonomic arousal, neural responsivity, and cognitive performance in the context of a task that required ACC support. Participants completed a primary inhibitory control task with a working memory load embedded. Pre-test cardiovascular measures were obtained, and ontask ERPs associated with response control (N2/P3) and error-related processes (ERN/Pe) were analyzed. Results indicated that response inhibition was unrelated to phasic vagal cardiac control, as indexed by respiratory sinus arrhythmia (RSA). However, higher resting RSA was associated with larger ERN ampUtude for the highest working memory load condition. This finding suggests that those individuals with greater autonomic regulatory control exhibited more robust ACC error-related responses on the most challenging task condition. On the other hand, exploratory analyses with rate pressure product (RPP), a measure of sympathetic arousal, indicated that higher pre-test RPP (i.e., more sympathetic influence) was associated with more errors on "catch" NoGo trials, i.e., NoGo trials that simultaneously followed other NoGo trials, and consequently, reqviired enhanced response control. Higher pre-test RPP was also associated with smaller amplitude ERNs for all three working memory loads and smaller ampUtude P3s for the low and medium working memory load conditions. Thus, higher pretest sympathetic arousal was associated with poorer performance on more demanding "catch" NoGo trials and less robust ACC-related electrocortical responses. The findings firom the present study highlight tiie interdependence of electrocortical and cardiovascular processes. While higher pre-test parasympathetic control seemed to relate to more robust ACC error-related responses, higher pre-test sympathetic arousal resulted in poorer inhibitory control performance and smaller ACC-generated electrocortical responses. Furthermore, these results provide a base from which to explore the relation between ACC and neuro/cardiac responses in older adults who may display greater variance due to the vulnerabihty of these systems to the normal aging process.

The Influence of Cerebral Blood Flow and Carbon Dioxide on Neuromuscular Responses During Environmental Stress

Although reductions in cerebral blood flow (CBF) may be implicated in the development of central fatigue during environmental stress, the contribution from hypocapnia-induced reductions in CBF versus reductions in CBF per se has yet to be isolated. The current research program examined the influence of CBF, with and without consequent hypocapnia, on neuromuscular responses during hypoxia and passive heat stress. To this end, neuromuscular responses, as indicated by motor evoked potentials (MEP), maximal M-wave (Mmax) and cortical voluntary activation (cVA) of the flexor carpi radialis muscle during isometric wrist flexion, was assessed in three separate projects: 1) hypocapnia, independent of concomitant reductions in CBF; 2) altered CBF during severe hypoxia and; 3) thermal hyperpnea-mediated reductions in CBF, independent of hypocapnia. All projects employed a custom-built dynamic end-tidal forcing system to control end-tidal PCO2 (PETCO2), independent of the prevailing environmental conditions, and cyclooxygenase inhibition using indomethacin (Indomethacin, 1.2 mg·Kg-1) to selectively reduce CBF (estimated using transcranial Doppler ultrasound) without changes in PETCO2. A primary finding of the present research program is that the excitability of the corticospinal tract is inherently sensitive to changes in PaCO2, as demonstrated by a 12% increase in MEP amplitude in response to moderate hypocapnia. Conversely, CBF mediated reductions in cerebral O2 delivery appear to decrease corticospinal excitability, as indicated by a 51-64% and 4% decrease in MEP amplitude in response to hypoxia and passive heat stress, respectively. The collective evidence from this research program suggests that impaired voluntary activation is associated with reductions in CBF; however, it must be noted that changes in cVA were not linearly correlated with changes in CBF. Therefore, other factors independent of CBF, such as increased perception of effort, distress or discomfort, may have contributed to the reductions in cVA. Despite the functional association between reductions in CBF and hypocapnia, both variables have distinct and independent influence on the neuromuscular system. Therefore, future studies should control or acknowledge the separate mechanistic influence of these two factors.

Évaluation pré-clinique et clinique de deux nouvelles stratégies dans le traitement des maladies cardiovasculaires : activité anti-thrombotique de l'inhibition du récepteur P2Y1 et activité anti-inflammatoire de l'inhibition du récepteur PAR-1.

Alors que la plaquette a un rôle prépondérant dans le maintient de l'hémostase, son implication dans la formation de la thrombose est également incontestée. Il existe à présent des traitements antiplaquettaires mais ceux-ci présentent quelques failles. Le but de ma maîtrise a donc été de caractériser de nouvelles voies d'inhibition de l'activité plaquettaire. Les deux études qui ont été réalisées concernent l'inhibition de récepteurs couplés aux protéines G, soit le récepteur à l'ADP P2Y1 et le récepteur à la thrombine PAR-1. Dans un premier temps, l'étude du récepteur P2Y1 suggère que l'inhibition de celui-ci seul ou en combinaison avec l'inhibition du récepteur P2Y12 présente un potentiel thérapeutique chez des patients coronariens stables. Dans un deuxième temps, l'étude d'un nouvel antiplaquettaire qui est présentement en phase III de son développement clinique, soit le SCH 530348, a été effectuée. Étant un antagoniste du récepteur PAR-1, le SCH 530348 a des effets qui se répercutent à la fois chez la plaquette et les leucocytes qui possèdent eux aussi ce récepteur. Cette deuxième étude suggère que complémentairement à son effet chez la plaquette, cet inhibiteur diminue les marqueurs de l'inflammation systémique.

Manganese deposition in basal ganglia structures results from both portal-systemic shunting and liver dysfunction.

BACKGROUND & AIMS: Manganese (Mn) deposition could be responsible for the T(1)-weighted magnetic resonance signal hyperintensities observed in cirrhotic patients. These experiments were designed to assess the regional specificity of the Mn increases as well as their relationship to portal-systemic shunting or hepatobiliary dysfunction. METHODS: Mn concentrations were measured in (1) brain samples from basal ganglia structures (pallidum, putamen, caudate nucleus) and cerebral cortical structures (frontal, occipital cortex) obtained at autopsy from 12 cirrhotic patients who died in hepatic coma and from 12 matched controls; and from (2) brain samples (caudate/putamen, globus pallidus, frontal cortex) from groups (n = 8) of rats either with end-to-side portacaval anastomosis, with biliary cirrhosis, or with fulminant hepatic failure as well as from sham-operated and normal rats. RESULTS: Mn content was significantly increased in frontal cortex (by 38\%), occipital cortex (by 55\%), pallidum (by 186\%), putamen (by 66\%), and caudate (by 54\%) of cirrhotic patients compared with controls. Brain Mn content did not correlate with patient age, etiology of cirrhosis, or history of chronic hepatic encephalopathy. In cirrhotic and portacaval-shunted rats, Mn content was increased in pallidum (by 27\% and 57\%, respectively) and in caudate/putamen (by 57\% and 67\%, respectively) compared with control groups. Mn concentration in pallidum was significantly higher in portacaval-shunted rats than in cirrhotic rats. No significant changes in brain Mn concentrations were observed in rats with acute liver failure. CONCLUSIONS: These findings suggest that brain Mn deposition results both from portal-systemic shunting and from liver dysfunction.

The impact of early life adversity on cortical structure in adolescent twins followed since birth

Des études animales ont montré que l’exposition du foetus à l’adversité affecte le développement cérébral et la régulation d’émotions plus tard. Cette régulation serait reliée aux changements structurels cérébraux, particulièrement au circuit fronto-limbique. Cependant, ces résultats n’ont pas été entièrement répliqués chez l’humain. Le but de cette étude était de tester si l'adversité précoce conduit à des altérations structurelles des régions (orbitofrontal, préfrontal, cingulaire) fronto-limbiques, identifiées comme régions-clés dans la (de)régulation d’émotions. Les mesures principales de l’adversité étaient un poids léger à la naissance et l’hostilité maternelle puisqu’ils étaient parmi les plus prédictifs des résultats développementaux et comportementaux chez l’humain. Les mesures secondaires, incluant le tempérament difficile d’enfant et l’impulsivité en adolescence, étaient utilisées du à leur lien avec le développement cérébral et émotionnel. Les participants étaient des jumeaux identiques, membres de l’Étude des Jumeaux Nouveau-nés du Québec (ÉJNQ, N = 650 paires) suivis depuis 5 mois à 15 ans, leur âge actuel. Ceci a permis de mieux contrôler le facteur génétique et ainsi mieux isoler les effets d’environnement. Trente-sept paires ont été recrutées. La structure cérébrale de chacun, obtenue avec l’imagerie par résonance magnétique, a été analysée avec la régression linéaire. Le poids à la naissance n’a eu aucun effet. L’hostilité maternelle a prédit une réduction de l’aire du gyrus cingulaire postérieur. Tempérament difficile a prédit une réduction de l’aire du cortex orbitofrontal. L’impulsivité était associée avec l’aire et volume du cortex préfrontal réduits. Ces résultats soulignent l’importance des interventions précoces afin d’empêcher des altérations menant à la psychopathologie.

Acute inactivation of the contralesional hemisphere for longer durations improves recovery after cortical injury

Au cours des dernières années, des méthodes non-invasives de stimulations permettant de moduler l’excitabilité des neurones suivant des lésions du système nerveux central ont été développées. Ces méthodes sont maintenant couramment utilisées pour étudier l’effet de l’inhibition du cortex contralésionnel sur la récupération motrice à la suite d’un accident vasculocérébral (AVC). Bien que plusieurs de ces études rapportent des résultats prometteurs, les paramètres permettant une récupération optimale demeurent encore inconnus. Chez les patients victimes d'un AVC, il est difficile de débuter les traitements rapidement et d'initier l’inhibition dans les heures suivant la lésion. L'impact de ce délai est toujours inconnu. De plus, aucune étude n’a jusqu’à maintenant évalué l’effet de la durée de l’inhibition sur la récupération du membre parétique. Dans le laboratoire du Dr Numa Dancause, nous avons utilisé un modèle bien établi de lésion ischémique chez le rat pour explorer ces questions. Nos objectifs étaient d’évaluer 1) si une inactivation de l’hémisphère contralésionnel initiée dans les heures qui suivent la lésion peut favoriser la récupération et 2) l’effet de la durée de l’inactivation sur la récupération du membre parétique. Suite à une lésion dans le cortex moteur induite par injections d’un vasoconstricteur, nous avons inactivé l’hémisphère contralésionnel à l’aide d’une pompe osmotique assurant l’infusion continue d’un agoniste du GABA (Muscimol). Dans différents groupes expérimentaux, nous avons inactivé l’hémisphère contralésionnel pour une durée de 3, 7 et 14 jours suivant la lésion. Dans un autre groupe, le Muscimol a été infusé pour 14 jours mais à un débit moindre de façon à pouvoir étudier le lien entre la fonction du membre non-parétique et la récupération du membre parétique. Les données comportementales de ces groupes ont été comparées à celles d’animaux ayant récupéré de façon spontanée d'une lésion similaire. Nos résultats indiquent que l’augmentation de la durée de l’inactivation (de 3 à 14 jours) accélère la récupération du membre parétique. De plus, les deux groupes ayant reçu une inactivation d'une durée de 14 jours ont montré une plus grande récupération fonctionnelle que le groupe n’ayant pas reçu d’inactivation de l’hémisphère contralésionnel, le groupe contrôle. Nos résultats suggèrent donc que l’inactivation de l’hémisphère contralésionnel initiée dans les heures suivant la lésion favorise la récupération du membre parétique. La durée d’inhibition la plus efficace (14 jours) dans notre modèle animal est beaucoup plus longues que celles utilisées jusqu’à maintenant chez l’homme. Bien qu’il soit difficile d’extrapoler la durée idéale à utiliser chez les patients à partir de nos données, nos résultats suggèrent que des traitements de plus longue durée pourraient être bénéfiques. Finalement, un message clair ressort de nos études sur la récupération fonctionnelle après un AVC: dans le développement de traitements basés sur l’inhibition de l’hémisphère contralésionnel, la durée de l’inactivation est un facteur clef à considérer.

Characterizing cortical myosin mini-filament regulation, length and its macroscopic implications in cytokinetic dynamics.

Au cours de la cytokinèse, le génome dédoublé est compartimentalisé en deux cellules filles. L’anneau contractile, une structure dynamique, est constitué d’actine, myosine (NMY-II) et d’autres protéines accessoires. NMY-2 est le seul moteur protéique impliqué dans la contraction de l’anneau durant la cytokinèse. Depuis longtemps, il a été considéré que celle-ci glissait le long des filaments d’actine grâce à sa capacité de traction. Récemment, plusieurs études ont découvert que son activité réticulante joue un rôle en cytokinèse et il est connu que la NMY-2 peut s’assembler en filaments bipolaires à partir de dimères. Ainsi, nous postulons que leur dimension (nombre de moteurs ATPasiques) pourrait dicter leur contribution en activité motrice et réticulante. Afin de déterminer la composition des filaments corticaux de NMY-2, nous avons utilisé une technique d'imagerie de molécules individuelles à l’aide de la microscopie TIRF. J’ai trouvé à travers l’analyse statistique de la distribution des NMY-2 mesurés que les filaments sont assemblés à deux dimensions constantes: Des filaments composés de 20 dimères et 30 dimères. La kinase Rho est une activatrice de NMY-2 nécessaire pour les niveaux physiologiques de NMY-2 sur l’anneau contractile, pour des cinétiques et fermeture concentrique de l’anneau. La déplétion de RhoK augmente l’abondance relative des filaments de 20 dimères. Ainsi, RhoK pourrait réguler le recrutement de la NMY et aussi l’assemblage des filaments corticaux de NMY-2. De plus, à l’aide de la microscopie confocale à temps réel, j’ai trouvé que lors de la déplétion de RhoK, il se produit une réduction du recrutement et du délai d’initiation du sillon, une fermeture lente et une augmentation significative de la concentricité de l’anneau. De plus, j’ai mesuré des défauts dans l’organisation corticale de l’anneau contractile en patch. La déplétion de MRCK-1 n’affecte pas l’initiation du sillon, les cinétiques de fermeture, ou la fermeture concentrique de l’anneau. Paradoxalement, la déplétion de MRCK-1 augmente le recrutement cortical de NMY-2, mais quand depleté simultanément avec Rho-K il diminue NMY-2 à l’équateur comparé à la déplétion seule de Rho-K. De plus, la double déplétion, conduit à un phénotype de concentricité de l’anneau, suivie d’un recentrage.

The involvement of nitric oxide in bovine follicular development and ovulation

Comprendre les événements paracriniens qui régulent la fertilité chez la vache est nécessaire non seulement en raison de l'importance agricole de cette espèce, mais aussi pour son utilisation potentielle comme modèle chez l’humain. L'oxyde nitrique (NO), un gaz de radicaux libres, a été impliqué dans la croissance folliculaire et l'ovulation chez les rongeurs et d'autres espèces, mais chez la vache c’est une énigme fascinante : le NO est produit par les cellules de la granulosa bovine et est régulé par la FSH, mais la présence et le profil d'expression des enzymes responsables de la synthèse de NO (NOS) dans les cellules de la granulosa tout au long de la croissance folliculaire ne sont pas claires. Les objectifs de cette thèse sont: (1) élucider le mécanisme de contrôle des NOS et les conséquences de la production d'oxyde nitrique pour le fonctionnement des cellules de la granulosa au cours du développement folliculaire chez la vache et (2) déterminer la régulation des NOS pendant la cascade ovulatoire induite par LH chez les cellules de la granulosa bovine et si l'activité des NOS pour l’expression des gènes critiques dans la cascade ovulatoire chez cette espèce. Les résultats sont séparés en 2 articles. Dans le premier article, la régulation de NOS2 dans les cellules de la granulosa bovine a été explorée. L'abondance des ARNm codant pour NOS2 a été stimulée par la FSH et l’IGF1 en augmentant l’estradiol, et un blocage de l'action de l’estradiol a conséquemment réduit les niveaux d'ARNm codant pour NOS2. De plus, l'inhibition de l'activité des NOS a augmenté l'apoptose dans les cellules de la granulosa in vitro. Dans le second article, il a été démontré que le pic de LH induit une activation des NOS dans les cellules de la granulosa, et que l'activité de NOS induit la production de NO, ce qui est essentiel pour l’expression des gènes critiques dans la cascade ovulatoire induite par LH comme EREG/AREG/PTGS2. Ensemble, les résultats présentés dans ces 2 articles suggèrent que les niveaux physiologiques d'activité des NOS peuvent contribuer à la croissance et la survie des cellules de la granulosa et indiquent également que NO peut être essentiel pour l'ovulation chez les bovins.

L'inhibition de la production d'AMPc est modulée différemment à court et long terme par l'internalisation du récepteur opioïde delta

Les opioïdes sont les analgésiques les plus puissants mais leur utilisation prolongée peut entraîner le développement d’une tolérance analgésique. La tolérance serait en partie associée à l’inhibition prolongée de l’adénosine monophosphate cyclique (AMPc) entraînant des changements compensatoires dans la voie de l’adénylate cyclase. Pour cette étude, nous avons eu recours à un biosenseur basée sur la technologie de Bioluminescence Resonnance Energy Transfer (BRET) et qui fournit des mesures de l’AMPc en fonction du temps réel. Durant les 15 premières minutes de stimulation, la réponse de l’AMPc est bi-phasique. Cette progression de la réponse à l’AMPc n’est pas la même pour tous les ligands. Par exemple, la deltorphine II qui induit l’internalisation du récepteur opioïde delta (DOR) affiche une baisse de l’inhibition de l’AMPc. À l’inverse la morphine qui n’induit pas l’internalisation du DOR affiche une réponse stable à l’inhibition de l’AMPc. Ainsi le profil d’internalisation permet de prédire la progression de l’inhibition de l’AMPc à court terme (15 minutes). Nous avons aussi mesuré la réponse à l’AMPc durant 30, 60 et 120 min, étant donné qu’un traitement chronique aux opioïdes induit une tolérance analgésique. Selon les résultats obtenus, le profil d’internalisation du DOR induits par les ligands ne permet pas d’expliquer l’inhibition persistante de l’AMPc.

Development and plasticity of locomotor circuits in the zebrafish spinal cord

A fundamental goal in neurobiology is to understand the development and organization of neural circuits that drive behavior. In the embryonic spinal cord, the first motor activity is a slow coiling of the trunk that is sensory-independent and therefore appears to be centrally driven. Embryos later become responsive to sensory stimuli and eventually locomote, behaviors that are shaped by the integration of central patterns and sensory feedback. In this thesis I used a simple vertebrate model, the zebrafish, to investigate in three manners how developing spinal networks control these earliest locomotor behaviors. For the first part of this thesis, I characterized the rapid transition of the spinal cord from a purely electrical circuit to a hybrid network that relies on both chemical and electrical synapses. Using genetics, lesions and pharmacology we identified a transient embryonic behavior preceding swimming, termed double coiling. I used electrophysiology to reveal that spinal motoneurons had glutamate-dependent activity patterns that correlated with double coiling as did a population of descending ipsilateral glutamatergic interneurons that also innervated motoneurons at this time. This work (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2014) suggests that double coiling is a discrete step in the transition of the motor network from an electrically coupled circuit that can only produce simple coils to a spinal network driven by descending chemical neurotransmission that can generate more complex behaviors. In the second part of my thesis, I studied how spinal networks filter sensory information during self-generated movement. In the zebrafish embryo, mechanosensitive sensory neurons fire in response to light touch and excite downstream commissural glutamatergic interneurons to produce a flexion response, but spontaneous coiling does not trigger this reflex. I performed electrophysiological recordings to show that these interneurons received glycinergic inputs during spontaneous fictive coiling that prevented them from firing action potentials. Glycinergic inhibition specifically of these interneurons and not other spinal neurons was due to the expression of a unique glycine receptor subtype that enhanced the inhibitory current. This work (Knogler & Drapeau, Frontiers in Neural Circuits, 2014) suggests that glycinergic signaling onto sensory interneurons acts as a corollary discharge signal for reflex inhibition during movement. v In the final part of my thesis I describe work begun during my masters and completed during my doctoral degree studying how homeostatic plasticity is expressed in vivo at central synapses following chronic changes in network activity. I performed whole-cell recordings from spinal motoneurons to show that excitatory synaptic strength scaled up in response to decreased network activity, in accordance with previous in vitro studies. At the network level, I showed that homeostatic plasticity mechanisms were not necessary to maintain the timing of spinal circuits driving behavior, which appeared to be hardwired in the developing zebrafish. This study (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2010) provided for the first time important in vivo results showing that synaptic patterning is less plastic than synaptic strength during development in the intact animal. In conclusion, the findings presented in this thesis contribute widely to our understanding of the neural circuits underlying simple motor behaviors in the vertebrate spinal cord.

Pathogenèse de l’oedème cérébral dans l’encéphalopathie hépatique minimale : rôles du stress oxydatif et du lactate

L’encéphalopathie hépatique (EH) est un syndrome neuropsychiatrique découlant des complications de l'insuffisance hépatique. Les patients souffrant d'une insuffisance hépatique chronique (IHC) présentent fréquemment une EH minimale (EHM) caractérisée par des dysfonctions cognitives subtiles qui affectent leur qualité de vie. L'insuffisance hépatique entraîne une hyperammoniémie, le facteur central dans la pathogenèse de l'EH. Pourtant, les taux d'ammoniaque sérique ne sont pas corrélés avec la sévérité de l'EH lors d'une IHC, suggérant que d'autres facteurs y contribuent. L'oedème cérébral est une caractéristique neuropathologique décrite chez les patients souffrant d'une EHM et plusieurs facteurs dont le stress oxydatif, les altérations du métabolisme énergétique et l'augmentation de la glutamine cérébrale pourraient contribuer à la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC. Les mécanismes sous-jacents exacts ainsi que les relations entre ces facteurs et l'ammoniaque ne sont pas connus. Présentement, le seul traitement efficace de l'IHC est la transplantation hépatique, une option thérapeutique très limitée. Le but de cette thèse est de contribuer à l'avancement des connaissances sur les mécanismes sous-jacents liés au rôle du stress oxydatif, de la glutamine et du lactate dans la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC afin d'envisager de nouvelles options thérapeutiques. Les objectifs précis étaient: 1. Établir le rôle de l’ammoniaque et sa relation avec le stress oxydatif dans la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC. 2. Établir le rôle du stress oxydatif dans la pathogenèse de l'oedème cérébral, sa relation avec l'ammoniaque et l'effet du traitement avec des antioxydants. 3. Confirmer l'effet synergique entre l'ammoniaque et le stress oxydatif dans la pathogenèse de l'oedème cérébral. 4. Établir le rôle du lactate et de la glutamine dans la pathogenèse de l'oedème cérébral et leur relation avec l’ammoniaque. Pour atteindre ces objectifs, 2 modèles animaux d'EHM obtenus par microchirurgie chez le rat ont été utilisés: 1) la ligature de voie biliaire, un modèle d'IHC et 2) l'anastomose porto-cave, un modèle d'hyperammoniémie induite par la dérivation portosystémique. Nos résultats démontrent que l'ammoniaque et le stress oxydatif indépendamment n'induisent pas l'oedème cérébral lors d'une EHM. Pourtant, lorsque les 2 facteurs agissent ensemble ils présentent ii un effet synergique qui entraîne le développement de l'oedème cérébral, le stress oxydatif étant une première insulte, qui est suivie par l'hyperammoniémie comme deuxième insulte. En plus, le stress oxydatif a été mis en évidence seulement au niveau systémique, et non au niveau central dans notre modèle d'IHC en association avec l'oedème cérébral, suggérant que le stress oxydatif systémique est une conséquence de la dysfonction hépatique et que l'hyperammoniémie n’induit pas le stress oxydatif ni systémique ni central. Nous avons démontré qu’une augmentation du lactate cérébral est une conséquence directe de l'hyperammoniémie et joue un rôle important dans la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC, tandis qu’une augmentation de la glutamine au niveau cérébral n'est pas un facteur clé. La compréhension de ces mécanismes a entraîné la proposition de 3 nouvelles stratégies thérapeutiques potentielles pour l'EHM. Elles ciblent la diminution de l'ammoniaque sérique, la réduction du stress oxydatif et l'inhibition de la synthèse du lactate.

Le GABA comme marqueur de récupération suite à une commotion cérébrale dans le sport ?

L’association démontrée récemment entre les commotions cérébrales dans le sport et le développement possible de maladies neurodégénératives a suggéré la possibilité que des altérations persistantes soient présentes dans le cerveau de l’athlète commotionné. En fait, des altérations neurophysiologiques ont récemment été révélées au sein du cortex moteur primaire (M1) d’athlètes ayant un historique de commotions via la stimulation magnétique transcrânienne (SMT). Plus précisément, la période silencieuse corticale (PSC), une mesure d’inhibition liée aux récepteurs GABAB, était anormalement élevée, et cette hyper-inhibition était présente jusqu’à 30 ans post-commotion. La PSC, et possiblement le GABA, pourraient donc s’avérer des marqueurs objectifs des effets persistants de la commotion cérébrale. Toutefois, aucune étude à ce jour n’a directement évalué les niveaux de GABA chez l’athlète commotionné. Ainsi, les études cliniques et méthodologiques composant le présent ouvrage comportent deux objectifs principaux: (1) déterminer si l’inhibition excessive (GABA et PSC) est un marqueur des effets persistants de la commotion cérébrale; (2) déterminer s’il est possible de moduler l’inhibition intracorticale de façon non-invasive dans l’optique de développer de futurs avenues de traitements. L’article 1 révèle une préservation des systèmes sensorimoteurs, somatosensoriels et de l’inhibition liée au GABAA chez un groupe d’athlètes universitaires asymptomatiques ayant subi de multiples commotions cérébrales en comparaison avec des athlètes sans historique connu de commotion cérébrale. Cependant, une atteinte spécifique des mesures liées au système inhibiteur associé aux récepteurs GABAB est révélée chez les athlètes commotionnés en moyenne 24 mois post-commotion. Dans l’article 2, aucune atteinte des mesures SMT liées au système inhibiteur n’est révélée en moyenne 41 mois après la dernière commotion cérébrale chez un groupe d’athlètes asymptomatiques ayant subi 1 à 5 commotions cérébrales. Bien qu’aucune différence entre les groupes n’est obtenue quant aux concentrations de GABA et de glutamate dans M1 via la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), des corrélations différentielles suggèrent la présence d’un déséquilibre métabolique entre le GABA et le glutamate chez les athlètes commotionnés. L’article 3 a démontré, chez des individus en bonne santé, un lien entre la PSC et la transmission glutamatergique, ainsi que le GABA et le glutamate. Ces résultats suggèrent que la PSC ne reflète pas directement les concentrations du GABA mesurées par la SRM, mais qu’un lien étroit entre la GABA et le glutamate est présent. L’article 4 a démontré la possibilité de moduler la PSC avec la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SÉTcd) anodale chez des individus en santé, suggérant l’existence d’un potentiel thérapeutique lié à l’utilisation de cette technique. L’article 5 a illustré un protocole d’évaluation des effets métaboliques de la SÉTcd bilatérale. Dans l’article 6, aucune modulation des systèmes GABAergiques révélées par la SMT et la SRM n’est obtenue suite à l’utilisation de ce protocole auprès d’individus en santé. Cet article révèle également que la SÉTcd anodale n’engendre pas de modulation significative du GABA et du glutamate. En somme, les études incluent dans le présent ouvrage ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets neurophysiologiques et métaboliques des commotions cérébrales, mais également sur le mécanisme d’action des diverses méthodologies utilisées.

Inhibition réversible et photomarquage de la transglutaminase tissulaire

La transglutaminase tissulaire est une enzyme dépendante du calcium qui catalyse la formation de liens isopeptidiques, entre les chaînes latérales de résidus glutamine et lysine, permettant, par le fait même, la réticulation des protéines dans les systèmes biologiques. Elle joue un rôle, entre autres, dans l’endocytose, la régulation du développement des cellules, et même dans l’apoptose. Néanmoins, une dérégulation de l’activité biologique de cette enzyme peut entrainer différentes pathologies, comme la formation de cataractes, de plaques amyloïdes dans la maladie d’Alzheimer, ou encore peut mener au développement de la maladie céliaque. C’est pourquoi une meilleure connaissance du mécanisme d’action de cette enzyme et la possibilité de réguler son action à l’aide de substrats ou d’inhibiteurs sont nécessaires. Dans cette optique, une méthode d’expression et de purification de la transglutaminase humaine a été développée, permettant de travailler directement avec la cible pharmacologique désirée. De plus, une étude du mode d’inhibition et de liaison d’une classe d’inhibiteurs réversibles précédemment découverte dans le groupe, soit la famille des trans-cinnamoyles, a permis d’identifier que la puissance de ces molécules est influencée par la présence du calcium et qu’une inhibition dépendante du temps est observée, en lien avec un potentiel équilibre conformationnel lent de la transglutaminase. D’un autre côté, la susceptibilité à une attaque nucléophile par des thiols de cette classe de molécule rend leur potentiel pharmacologique grandement diminué, et c’est pourquoi une nouvelle famille de molécules a été identifiée, basée sur un squelette ynone, avec une valeur d’IC50 très prometteuse de 2,6 μM, en faisant un des meilleurs inhibiteurs réversibles de la transglutaminase développés à ce jour. Finalement, une stratégie de photomarquage jumelée à une analyse de spectrométrie de masse en tandem a été développée pour la découverte du site de liaison du substrat dérivé de la lysine, dans le but de mieux comprendre le mécanisme complexe de cette enzyme.

Bases moléculaires et cellulaires d’un trouble neurodéveloppemental causé par l’haploinsuffisance de SYNGAP1.

La déficience intellectuelle est la cause d’handicap la plus fréquente chez l’enfant. De nombreuses évidences convergent vers l’idée selon laquelle des altérations dans les gènes synaptiques puissent expliquer une fraction significative des affections neurodéveloppementales telles que la déficience intellectuelle ou encore l’autisme. Jusqu’à récemment, la majorité des mutations associées à la déficience intellectuelle a été liée au chromosome X ou à la transmission autosomique récessive. D’un autre côté, plusieurs études récentes suggèrent que des mutations de novo dans des gènes à transmission autosomique dominante, requis dans les processus de la plasticité synaptique peuvent être à la source d’une importante fraction des cas de déficience intellectuelle non syndromique. Par des techniques permettant la capture de l’exome et le séquençage de l’ADN génomique, notre laboratoire a précédemment reporté les premières mutations pathogéniques dans le gène à transmission autosomique dominante SYNGAP1. Ces dernières ont été associées à des troubles comportementaux tels que la déficience intellectuelle, l’inattention, des problèmes d’humeur, d’impulsivité et d’agressions physiques. D’autres patients sont diagnostiqués avec des troubles autistiques et/ou des formes particulières d’épilepsie généralisée. Chez la souris, le knock-out constitutif de Syngap1 (souris Syngap1+/-) résulte en des déficits comme l’hyperactivité locomotrice, une réduction du comportement associée à l’anxiété, une augmentation du réflexe de sursaut, une propension à l’isolation, des problèmes dans le conditionnement à la peur, des troubles dans les mémoires de travail, de référence et social. Ainsi, la souris Syngap1+/- représente un modèle approprié pour l’étude des effets délétères causés par l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur le développement de circuits neuronaux. D’autre part, il est de première importance de statuer si les mutations humaines aboutissent à l’haploinsuffisance de la protéine. SYNGAP1 encode pour une protéine à activité GTPase pour Ras. Son haploinsuffisance entraîne l’augmentation des niveaux d’activité de Ras, de phosphorylation de ERK, cause une morphogenèse anormale des épines dendritiques et un excès dans la concentration des récepteurs AMPA à la membrane postsynaptique des neurones excitateurs. Plusieurs études suggèrent que l’augmentation précoce de l’insertion des récepteurs AMPA au sein des synapses glutamatergiques contribue à certains phénotypes observés chez la souris Syngap1+/-. En revanche, les conséquences de l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur les circuits neuronaux GABAergiques restent inconnues. Les enjeux de mon projet de PhD sont: 1) d’identifier l’impact de mutations humaines dans la fonction de SYNGAP1; 2) de déterminer si SYNGAP1 contribue au développement et à la fonction des circuits GABAergiques; 3) de révéler comment l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux circuits GABAergiques affecte le comportement et la cognition. Nous avons publié les premières mutations humaines de type faux-sens dans le gène SYNGAP1 (c.1084T>C [p.W362R]; c.1685C>T [p.P562L]) ainsi que deux nouvelles mutations tronquantes (c.2212_2213del [p.S738X]; c.283dupC [p.H95PfsX5]). Ces dernières sont toutes de novo à l’exception de c.283dupC, héritée d’un père mosaïque pour la même mutation. Dans cette étude, nous avons confirmé que les patients pourvus de mutations dans SYNGAP1 présentent, entre autre, des phénotypes associés à des troubles comportementaux relatifs à la déficience intellectuelle. En culture organotypique, la transfection biolistique de l’ADNc de Syngap1 wild-type dans des cellules pyramidales corticales réduit significativement les niveaux de pERK, en fonction de l’activité neuronale. Au contraire les constructions plasmidiques exprimant les mutations W362R, P562L, ou celle précédemment répertoriée R579X, n’engendre aucun effet significatif sur les niveaux de pERK. Ces résultats suggèrent que ces mutations faux-sens et tronquante résultent en la perte de la fonction de SYNGAP1 ayant fort probablement pour conséquences d’affecter la régulation du développement cérébral. Plusieurs études publiées suggèrent que les déficits cognitifs associés à l’haploinsuffisance de SYNGAP1 peuvent émerger d’altérations dans le développement des neurones excitateurs glutamatergiques. Toutefois, si, et auquel cas, de quelle manière ces mutations affectent le développement des interneurones GABAergiques résultant en un déséquilibre entre l’excitation et l’inhibition et aux déficits cognitifs restent sujet de controverses. Par conséquent, nous avons examiné la contribution de Syngap1 dans le développement des circuits GABAergiques. A cette fin, nous avons généré une souris mutante knockout conditionnelle dans laquelle un allèle de Syngap1 est spécifiquement excisé dans les interneurones GABAergiques issus de l’éminence ganglionnaire médiale (souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+). En culture organotypique, nous avons démontré que la réduction de Syngap1 restreinte aux interneurones inhibiteurs résulte en des altérations au niveau de leur arborisation axonale et dans leur densité synaptique. De plus, réalisés sur des coupes de cerveau de souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+, les enregistrements des courants inhibiteurs postsynaptiques miniatures (mIPSC) ou encore de ceux évoqués au moyen de l’optogénétique (oIPSC) dévoilent une réduction significative de la neurotransmission inhibitrice corticale. Enfin, nous avons comparé les performances de souris jeunes adultes Syngap1+/-, Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ à celles de leurs congénères contrôles dans une batterie de tests comportementaux. À l’inverse des souris Syngap1+/-, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ ne présentent pas d’hyperactivité locomotrice, ni de comportement associé à l’anxiété. Cependant, elles démontrent des déficits similaires dans la mémoire de travail et de reconnaissance sociale, suggérant que l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux interneurones GABAergiques dérivés de l’éminence ganglionnaire médiale récapitule en partie certains des phénotypes cognitifs observés chez la souris Syngap1+/-. Mes travaux de PhD établissent pour la première fois que les mutations humaines dans le gène SYNGAP1 associés à la déficience intellectuelle causent la perte de fonction de la protéine. Mes études dévoilent, également pour la première fois, l’influence significative de ce gène dans la régulation du développement et de la fonction des interneurones. D’admettre l’atteinte des cellules GABAergiques illustre plus réalistement la complexité de la déficience intellectuelle non syndromique causée par l’haploinsuffisance de SYNGAP1. Ainsi, seule une compréhension raffinée de cette condition neurodéveloppementale pourra mener à une approche thérapeutique adéquate.

Investigation du rôle de Myo9b dans la migration des interneurones GABAergiques corticaux

Les encéphalopathies épileptogènes sont des maladies graves de l’enfance associant une épilepsie, souvent réfractaire, et un retard de développement. Les mécanismes sous-tendant ces maladies sont peu connus. Cependant, nous postulons que ces épilepsies puissent être causées par une dysfonction du réseau inhibiteur. En effet, des défauts de migration ou de maturation des interneurones GABAergiques (INs) corticaux induisent l’épilepsie, tant chez l’humain que chez la souris. Dans le but d’étudier les causes génétiques des encéphalopathies épileptogènes sporadiques inexpliquées, le laboratoire de la Dre Rossignol a procédé au séquençage d’exome entier d’une cohorte d’enfants atteints. Cela a permis d’identifier, chez un patient, une nouvelle mutation de novo, possiblement pathogène, dans le gène MYO9b. MYO9b est impliqué dans la migration de cellules immunitaires et cancéreuses et est exprimée durant le développement cérébral. Nous émettons l’hypothèse voulant que MYO9b puisse être importante pour la migration des INs corticaux. Les résultats présentés dans ce mémoire démontrent que Myo9b est exprimé dès le stade embryonnaire par les progéniteurs des INs corticaux et que son expression se restreint aux INs dans le cortex mature. De plus, nous démontrons que la répression ex vivo de Myo9b sélectivement dans les INs au sein de tranches corticales organotypiques embryonnaires mène à des défauts morphologiques majeurs de ces cellules en migration. En effet, ces cellules présentent une morphologie multipolaire et des neurites rostraux plus longs et plus complexes. Ces changements morphologiques pourraient avoir un impact majeur sur la migration des INs et ainsi perturber le développement des réseaux inhibiteurs.