Molecules and mechanisms of glial and synaptic plasticity

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Vascular and morphological changes of the optic nerve head following therapeutic intraocular pressure reduction in open angle glaucoma and ocular hypertension

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Expression profile of plasticity-related mRNAs in the cortex and hippocampus of young and aged rats and of 3xTg and wild type mice

De récents travaux ont mis en évidence que des dysfonctionnements dans l’expression de gènes impliqués dans la plasticité synaptique contribuent aux déclins cognitifs qu’on observe chez les gens âgés et à la progression de la maladie d’Alzheimer. Notre étude avait comme objectif d’étudier le profil d’expression d’ARNm spécifiques impliqués dans la plasticité synaptique chez des rats jeunes et âgés et chez des souris transgéniques 3xTg et WT. Des expériences en qRT-PCR ont été effectuées dans des extraits de cortex et d’hippocampe de rats jeunes et âgés et de souris 3xTg et WT, respectivement. Les résultats ont démontré une augmentation significative de l’expression d’ARNm MAP1B, Stau2, BDNF, CREB et AGO2 principalement dans l’hippocampe (régions CA1-CA3) des souris 3xTg comparé aux souris WT. Une diminution significative a également été observée pour l’ARNm αCaMKII dans le cortex des souris 3xTg comparé aux souris WT. Contrairement à ces observations, aucun changement n’a été observé pour l’expression de gènes impliqués dans la plasticité synaptique chez les rats âgés comparé aux rats jeunes. Ces résultats démontrent qu’un dysfonctionnement existe réellement au début de la maladie d’Alzheimer dans l’expression de gènes spécifiques impliqués dans la plasticité synaptique et contribue potentiellement à la progression de la maladie en engendrant un déséquilibre entre la LTP et la LTD. De plus, les différences d’expressions sont particulièrement observées dans l’hippocampe (régions CA1-CA3) ce qui est consistant avec les études sur la progression de la maladie d’Alzheimer puisqu’il est connu que la région CA1 de l’hippocampe est la plus vulnérable à l’apparition de la maladie. Ces résultats permettent une meilleure compréhension des événements moléculaires qui deviennent dérégulés à l’apparition de la maladie d’Alzheimer.

La torsion des métatarses : étude de sa plasticité chez l'humain

Il a été démontré que la torsion des têtes métatarsiennes est influencée par le mode de locomotion chez les primates et peut être utilisée pour déterminer la présence ou non d’une arche longitudinale chez les ancêtres hominines. Chez l’humain moderne, l’arche longitudinale rend le pied plus inversé que chez les grands singes, provoquant un léger basculement de l’axe dorsoplantaire de l’articulation proximale des métatarses. Ainsi, les têtes métatarsiennes subissent une torsion par rapport à l’axe de la diaphyse pour que leur surface plantaire reste parallèle au sol. Comme les femmes ont une arche longitudinale plus haute que les hommes et comme le port du soulier à semelles rigides provoque des changements morphologiques au niveau du pied, rendant l’arche longitudinale plus haute et l’hallux moins divergeant, il est attendu que la torsion métatarsienne soit différente selon le sexe et le type de soulier porté. Ce mémoire examine donc l’effet du contexte environnemental du pied et de la plasticité de la torsion des têtes métatarsiennes en comparant différentes populations humaines. L’échantillon disponible pour cette étude est constitué de 166 individus provenant de 18 sites archéologiques différents comprenant 57 hommes, 35 femmes et 74 individus de sexe indéterminé qui ont été divisés en quatre grands groupes : Amérindiens, Inuits, Militaires et Euro-canadiens. Il n’y a aucune différence de torsion entre les hommes et les femmes, ce qui suggère que la différence de hauteur de l’arche longitudinale entre les hommes et les femmes n’est pas assez importante pour être perçues au niveau de la torsion des têtes métatarsiennes. La topographie ne semble pas provoquer assez de modifications au niveau du pied pour provoquer une torsion différentielle des têtes métatarsiennes. Cependant, la surface du sol, plat ou accidenté, pourrait être un facteur modifiant ce trait. Finalement, le port de souliers constrictif à semelles dures comparativement aux souliers souples, tels les mocassins, provoque une torsion différentielle des têtes métatarsiennes. Les individus chaussant des souliers à semelles souples ont un premier métatarsien présentant une plus grande éversion et un troisième, quatrième et cinquième métatarsien présentant une plus petite éversion comparativement aux individus chaussant des souliers constrictifs. Ces résultats viennent appuyer l’hypothèse de la capacité plastique de la torsion des têtes métatarsiennes.

Nature of crossmodal plasticity in the blind brain and interplay with sight restoration

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université catholique de Louvain.

Mechanisms of translation regulation in long-term synaptic plasticity

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

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.

L’altération des interactions neurone-glie à la jonction neuromusculaire de souris âgées

Durant le vieillissement, l’ensemble des fonctions de l’organisme se détériore, que ce soit aussi bien au niveau moteur que cognitif. Le vieillissement s’accompagne d’une diminution de la force, ainsi que de la masse musculaire. Des études récentes tendent à montrer que cette perte de masse musculaire que l’on appelle sarcopénie aurait pour origine un dérèglement de la jonction neuromusculaire. Les changements au niveau du présynaptique et du post synaptiques lors du vieillissement normal font l’objet de plusieurs études, mais les changements relatifs aux cellules de Schwann périsynaptique sont très peu connus. Le but de cette étude est donc d’analyser les modifications des interactions neurone-glie à la jonction neuromusculaire. Dans cette étude, nous montrons que certaines fonctions des cellules gliales de la synapse âgée sont déréglées, en particulier, le type de récepteurs activés par une stimulation nerveuse à haute fréquence. D’autre part, nos résultats montrent que les mécanismes responsables de l’augmentation de la transmission synaptique suite à cette stimulation nerveuse à haute fréquence sont altérés à la synapse âgée. Enfin, outre les modifications de la terminaison axonale et de la fibre musculaire, les cellules gliales montrent des signes de réorganisation structurelle propre à une synapse en réparation. Ces résultats montrent que le fonctionnement de la jonction neuromusculaire et a fortiori les interactions neurones-glie sont altérées lors du vieillissement normal.

Vacuum-ultraviolet photochemically initiated modification of polystyrene surfaces: morphological changes and mechanistic investigations

Vacuum-ultraviolet (VUV) irradiation (kexc: 172 ± 12 nm) of polystyrene films in the presence of oxygen produced not only oxidatively functionalized surfaces, but generated also morphological changes. Whereas OH- and C=O-functionalized surfaces might be used for e.g. secondary functionalization, enhanced aggregation or printing, processes leading to morphological changes open new possibilities of microstructurization. Series of experiments made under different experimental conditions brought evidence of two different reaction pathways: introduction of OH- and C=O-groups at the polystyrene pathways is mainly due to the reaction of reactive oxygen species (hydroxyl radicals, atomic oxygen, ozone) produced in the gas phase between the VUV-radiation source and the substrate. However, oxidative fragmentation leading to morphological changes, oxidation products of low molecular weight and eventually to mineralization of the organic substrate is initiated by electronic excitation of the polymer leading to C–C-bond homolysis and to a complex oxidation manifold after trapping of the C-centred radicals by molecular oxygen. The pathways of oxidative functionalization or fragmentation could be differentiated by FTIR-ATR analysis of irradiated polystyrene surfaces before and after washing with acetonitrile and microscopic fluorescence analysis of the surfaces secondarily functionalized with the N,N,N-tridodecyl-triaza-triangulenium (TATA) cation. Ozonization of the polystyrene leads to oxidative functionalization of the polymer surface but cannot initiate the fragmentation of the polymer backbone. Oxidative fragmentation is initiated by electronic excitation of the polymer (contact-mode AFM analysis), and evidence of the generation of intermediate C-centred radicals is given e.g. by experiments in the absence of oxygen leading to cross-linking (solubility effects, optical microscopy, friction-mode AFM) and disproportionation (fluorescence).

Somatic embryogenesis in Triticum aestivum L. Morphological observations on germination

Somatic embryos were induced from scutellar callus of immature zygotic embryos of T aestivum cv. Chinese Spring. Observations on precociously germinating somatic embryos revealed that: (i) In the initial stages the coleoptile is split, exposes the shoot apex and forms a green trichomatous leafy structure. In the germinating zygotic embryo, the coleoptile is tubular, (ii) Unlike what has been inferred earlier the leafy structure is the coleoptile and not the scutellum, (iii) Bipolarity of the embryoid is established later when root develops at the basal end.

A Study of Morphological Operators with Applications

The present work deals with the A study of morphological opertors with applications. Morphology is now a.necessary tool for engineers involved with imaging applications. Morphological operations have been viewed as filters the properties of which have been well studied (Heijmans, 1994). Another well-known class of non-linear filters is the class of rank order filters (Pitas and Venetsanopoulos, 1990). Soft morphological filters are a combination of morphological and weighted rank order filters (Koskinen, et al., 1991, Kuosmanen and Astola, 1995). They have been introduced to improve the behaviour of traditional morphological filters in noisy environments. The idea was to slightly relax the typical morphological definitions in such a way that a degree of robustness is achieved, while most of the desirable properties of typical morphological operations are maintained. Soft morphological filters are less sensitive to additive noise and to small variations in object shape than typical morphological filters. They can remove positive and negative impulse noise, preserving at the same time small details in images. Currently, Mathematical Morphology allows processing images to enhance fuzzy areas, segment objects, detect edges and analyze structures. The techniques developed for binary images are a major step forward in the application of this theory to gray level images. One of these techniques is based on fuzzy logic and on the theory of fuzzy sets.Fuzzy sets have proved to be strongly advantageous when representing in accuracies, not only regarding the spatial localization of objects in an image but also the membership of a certain pixel to a given class. Such inaccuracies are inherent to real images either because of the presence of indefinite limits between the structures or objects to be segmented within the image due to noisy acquisitions or directly because they are inherent to the image formation methods.

Morphological filtering on hypergraphs

The focus of this article is to develop computationally efficient mathematical morphology operators on hypergraphs. To this aim we consider lattice structures on hypergraphs on which we build morphological operators. We develop a pair of dual adjunctions between the vertex set and the hyper edge set of a hypergraph H, by defining a vertex-hyperedge correspondence. This allows us to recover the classical notion of a dilation/erosion of a subset of vertices and to extend it to subhypergraphs of H. Afterward, we propose several new openings, closings, granulometries and alternate sequential filters acting (i) on the subsets of the vertex and hyperedge set of H and (ii) on the subhypergraphs of a hypergraph

Structural And Surface Morphological Investigation Of Formation Stages Of Highly (002) Oriented Zno Films On Glass Substrates By Spray Pyrolysis Method

ZnO thin films were coated on amorphous glass substrate at various temperatures in the range 160-500 0C by spray pyrolysis method. The as deposited films were characterised by using XRD and SEM. Wurtzite phase of ZnO was formed at a substrate temperature of 400 0C, highly oriented (002) phase was developed with respect to increase of substrate temperature from 450 to 500 0C. Morphological and growth mode of these films were analyzed with respect to structural orientation of films from wurtzite to highly (002) oriented phase. Present study reveals that substrate temperature was one of the important parameters which determine the crystalline quality, population of defects, grain size, orientation and morphology of the films

Automatic Segmentation Framework for Primary Tumors From Brain MRIs Using Morphological Filtering Techniques

This paper describes a novel framework for automatic segmentation of primary tumors and its boundary from brain MRIs using morphological filtering techniques. This method uses T2 weighted and T1 FLAIR images. This approach is very simple, more accurate and less time consuming than existing methods. This method is tested by fifty patients of different tumor types, shapes, image intensities, sizes and produced better results. The results were validated with ground truth images by the radiologist. Segmentation of the tumor and boundary detection is important because it can be used for surgical planning, treatment planning, textural analysis, 3-Dimensional modeling and volumetric analysis