Ultrastructural analysis of neuronal plasticity in the adult mouse

ABSTRACT Adult neuronal plasticity is a term that corresponds to a set of biological mechanisms allowing a neuronal circuit to respond and adapt to modifications of the received inputs. Mystacial whiskers of the mouse are the starting point of a major sensory pathway that provides the animal with information from its immediate environment. Through whisking, information is gathered that allows the animal to orientate itself and to recognize objects. This sensory system is crucial for nocturnal behaviour during which vision is not of much use. Sensory information of the whiskers are sent via brainstem and thalamus to the primary somatosensory area (S1) of the cerebral cortex in a strictly topological manner. Cell bodies in the layer N of S 1 are arranged in ring forming structures called barrels. As such, each barrel corresponds to the cortical representation in layer IV of a single whisker follicle. This histological feature allows to identify with uttermost precision the part of the cortex devoted to a given whisker and to study modifications induced by different experimental conditions. The condition used in the studies of my thesis is the passive stimulation of one whisker in the adult mouse for a period of 24 hours. It is performed by glueing a piece of metal on one whisker and placing the awake animal in a cage surrounded by an electromagnetic coil that generates magnetic field burst inducing whisker movement at a given frequency during 24 hours. I analysed the ultrastructure of the barrel corresponding the stimulated whisker using serial sections electron microscopy and computer-based three-dimensional reconstructions; analysis of neighbouring, unstimulated barrels as well as those from unstimulated mice served as control. The following elements were structurally analyzed: the spiny dendrites, the axons of excitatory as well as inhibitory cells, their connections via synapses and the astrocytic processes. The density of synapses and spines is upregulated in a barrel corresponding to a stimulated whisker. This upregulation is absent in the BDNF heterozygote mice, indicating that a certain level of activity-dependent released BDNF is required for synaptogenesis in the adult cerebral cortex. Synpaptogenesis is correlated with a modification of the astrocytes that place themselves in closer vicinity of the excitatory synapses on spines. Biochemical analysis revealed that the astrocytes upregulate the expression of transporters by which they internalise glutamate, the neurotransmitter responsible for the excitatory response of cortical neurons. In the final part of my thesis, I show that synaptogenesis in the stimulated barrel is due to the increase in the size of excitatory axonal boutons that become more frequently multisynaptic, whereas the inhibitory axons do not change their morphology but form more synapses with spines apposed to them. Taken together, my thesis demonstrates that all the cellular elements present in the neuronal tissue of the adult brain contribute to activity-dependent cortical plasticity and form part of a mechanism by which the animal responds to a modified sensory experience. Throughout life, the neuronal circuit keeps the faculty to adapt its function. These adaptations are partially transitory but some aspects remain and could be the structural basis of a memory trace in the cortical circuit. RESUME La plasticité neuronale chez l'adulte désigne un ensemble de mécanismes biologiques qui permettent aux circuits neuronaux de répondre et de s'adapter aux modifications des stimulations reçues. Les vibrisses des souris sont un système crucial fournissant des informations sensorielles au sujet de l'environnement de l'animal. L'information sensorielle collectée par les vibrisses est envoyée via le tronc cérébral et le thalamus à l'aire sensorielle primaire (S 1) du cortex cérébral en respectant strictement la somatotopie. Les corps cellulaires dans la couche IV de S 1 sont organisés en anneaux délimitant des structures nommées tonneaux. Chaque tonneau reçoit l'information d'une seule vibrisse et l'arrangement des tonneaux dans le cortex correspond à l'arrangement des vibrisses sur le museau de la souris. Cette particularité histologique permet de sélectionner avec certitude la partie du cortex dévolue à une vibrisse et de l'étudier dans diverses conditions. Le paradigme expérimental utilisé dans cette thèse est la stimulation passive d'une seule vibrisse durant 24 heures. Pour ce faire, un petit morceau de métal est collé sur une vibrisse et la souris est placée dans une cage entourée d'une bobine électromagnétique générant un champ qui fait vibrer le morceau de métal durant 24 heures. Nous analysons l'ultrastructure du cortex cérébral à l'aide de la microscopie électronique et des coupes sériées permettant la reconstruction tridimensionnelle à l'aide de logiciels informatiques. Nous observons les modifications des structures présentes : les dendrites épineuses, les axones des cellules excitatrices et inhibitrices, leurs connections par des synapses et les astrocytes. Le nombre de synapses et d'épines est augmenté dans un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée 24 heures. Basé sur cela, nous montrons dans ces travaux que cette réponse n'est pas observée dans des souris hétérozygotes BDNF+/-. Cette neurotrophine sécrétée en fonction de l'activité neuronale est donc nécessaire pour la synaptogenèse. La synaptogenèse est accompagnée d'une modification des astrocytes qui se rapprochent des synapses excitatrices au niveau des épines dendritiques. Ils expriment également plus de transporteurs chargés d'internaliser le glutamate, le neurotransmetteur responsable de la réponse excitatrice des neurones. Nous montrons aussi que les axones excitateurs deviennent plus larges et forment plus de boutons multi-synaptiques à la suite de la stimulation tandis que les axones inhibiteurs ne changent pas de morphologie mais forment plus de synapses avec des épines apposées à leur membrane. Tous les éléments analysés dans le cerveau adulte ont maintenu la capacité de réagir aux modifications de l'activité neuronale et répondent aux modifications de l'activité permettant une constante adaptation à de nouveaux environnements durant la vie. Les circuits neuronaux gardent la capacité de créer de nouvelles synapses. Ces adaptations peuvent être des réponses transitoires aux stimuli mais peuvent aussi laisser une trace mnésique dans les circuits.

Mechanisms underlying functional recovery after in vivo focal cerebral ischemia : from preconditioning to diffusion MRI

Version abregée L'ischémie cérébrale est la troisième cause de mort dans les pays développés, et la maladie responsable des plus sérieux handicaps neurologiques. La compréhension des bases moléculaires et anatomiques de la récupération fonctionnelle après l'ischémie cérébrale est donc extrêmement importante et représente un domaine d'intérêt crucial pour la recherche fondamentale et clinique. Durant les deux dernières décennies, les chercheurs ont tenté de combattre les effets nocifs de l'ischémie cérébrale à l'aide de substances exogènes qui, bien que testées avec succès dans le domaine expérimental, ont montré un effet contradictoire dans l'application clinique. Une approche différente mais complémentaire est de stimuler des mécanismes intrinsèques de neuroprotection en utilisant le «modèle de préconditionnement» : une brève insulte protège contre des épisodes d'ischémie plus sévères à travers la stimulation de voies de signalisation endogènes qui augmentent la résistance à l'ischémie. Cette approche peut offrir des éléments importants pour clarifier les mécanismes endogènes de neuroprotection et fournir de nouvelles stratégies pour rendre les neurones et la glie plus résistants à l'attaque ischémique cérébrale. Dans un premier temps, nous avons donc étudié les mécanismes de neuroprotection intrinsèques stimulés par la thrombine, un neuroprotecteur «préconditionnant» dont on a montré, à l'aide de modèles expérimentaux in vitro et in vivo, qu'il réduit la mort neuronale. En appliquant une technique de microchirurgie pour induire une ischémie cérébrale transitoire chez la souris, nous avons montré que la thrombine peut stimuler les voies de signalisation intracellulaire médiées par MAPK et JNK par une approche moléculaire et l'analyse in vivo d'un inhibiteur spécifique de JNK (L JNK) .Nous avons également étudié l'impact de la thrombine sur la récupération fonctionnelle après une attaque et avons pu démontrer que ces mécanismes moléculaires peuvent améliorer la récupération motrice. La deuxième partie de cette étude des mécanismes de récupération après ischémie cérébrale est basée sur l'investigation des bases anatomiques de la plasticité des connections cérébrales, soit dans le modèle animal d'ischémie transitoire, soit chez l'homme. Selon des résultats précédemment publiés par divers groupes ,nous savons que des mécanismes de plasticité aboutissant à des degrés divers de récupération fonctionnelle sont mis enjeu après une lésion ischémique. Le résultat de cette réorganisation est une nouvelle architecture fonctionnelle et structurelle, qui varie individuellement selon l'anatomie de la lésion, l'âge du sujet et la chronicité de la lésion. Le succès de toute intervention thérapeutique dépendra donc de son interaction avec la nouvelle architecture anatomique. Pour cette raison, nous avons appliqué deux techniques de diffusion en résonance magnétique qui permettent de détecter les changements de microstructure cérébrale et de connexions anatomiques suite à une attaque : IRM par tenseur de diffusion (DT-IR1V) et IRM par spectre de diffusion (DSIRM). Grâce à la DT-IRM hautement sophistiquée, nous avons pu effectuer une étude de follow-up à long terme chez des souris ayant subi une ischémie cérébrale transitoire, qui a mis en évidence que les changements microstructurels dans l'infarctus ainsi que la modification des voies anatomiques sont corrélés à la récupération fonctionnelle. De plus, nous avons observé une réorganisation axonale dans des aires où l'on détecte une augmentation d'expression d'une protéine de plasticité exprimée dans le cône de croissance des axones (GAP-43). En appliquant la même technique, nous avons également effectué deux études, rétrospective et prospective, qui ont montré comment des paramètres obtenus avec DT-IRM peuvent monitorer la rapidité de récupération et mettre en évidence un changement structurel dans les voies impliquées dans les manifestations cliniques. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons décrit la manière dont la DS-IRM peut être appliquée dans le domaine expérimental et clinique pour étudier la plasticité cérébrale après ischémie. Abstract Ischemic stroke is the third leading cause of death in developed countries and the disease responsible for the most serious long-term neurological disability. Understanding molecular and anatomical basis of stroke recovery is, therefore, extremely important and represents a major field of interest for basic and clinical research. Over the past 2 decades, much attention has focused on counteracting noxious effect of the ischemic insult with exogenous substances (oxygen radical scavengers, AMPA and NMDA receptor antagonists, MMP inhibitors etc) which were successfully tested in the experimental field -but which turned out to have controversial effects in clinical trials. A different but complementary approach to address ischemia pathophysiology and treatment options is to stimulate and investigate intrinsic mechanisms of neuroprotection using the "preconditioning effect": applying a brief insult protects against subsequent prolonged and detrimental ischemic episodes, by up-regulating powerful endogenous pathways that increase resistance to injury. We believe that this approach might offer an important insight into the molecular mechanisms responsible for endogenous neuroprotection. In addition, results from preconditioning model experiment may provide new strategies for making brain cells "naturally" more resistant to ischemic injury and accelerate their rate of functional recovery. In the first part of this work, we investigated down-stream mechanisms of neuroprotection induced by thrombin, a well known neuroprotectant which has been demonstrated to reduce stroke-induced cell death in vitro and in vivo experimental models. Using microsurgery to induce transient brain ischemia in mice, we showed that thrombin can stimulate both MAPK and JNK intracellular pathways through a molecular biology approach and an in vivo analysis of a specific kinase inhibitor (L JNK1). We also studied thrombin's impact on functional recovery demonstrating that these molecular mechanisms could enhance post-stroke motor outcome. The second part of this study is based on investigating the anatomical basis underlying connectivity remodeling, leading to functional improvement after stroke. To do this, we used both a mouse model of experimental ischemia and human subjects with stroke. It is known from previous data published in literature, that the brain adapts to damage in a way that attempts to preserve motor function. The result of this reorganization is a new functional and structural architecture, which will vary from patient to patient depending on the anatomy of the damage, the biological age of the patient and the chronicity of the lesion. The success of any given therapeutic intervention will depend on how well it interacts with this new architecture. For this reason, we applied diffusion magnetic resonance techniques able to detect micro-structural and connectivity changes following an ischemic lesion: diffusion tensor MRI (DT-MRI) and diffusion spectrum MRI (DS-MRI). Using DT-MRI, we performed along-term follow up study of stroke mice which showed how diffusion changes in the stroke region and fiber tract remodeling is correlating with stroke recovery. In addition, axonal reorganization is shown in areas of increased plasticity related protein expression (GAP 43, growth axonal cone related protein). Applying the same technique, we then performed a retrospective and a prospective study in humans demonstrating how specific DTI parameters could help to monitor the speed of recovery and show longitudinal changes in damaged tracts involved in clinical symptoms. Finally, in the last part of this study we showed how DS-MRI could be applied both to experimental and human stroke and which perspectives it can open to further investigate post stroke plasticity.

La biologie moléculaire est-elle utile au praticien [Is molecular biology useful to the practitioner?]

The relative importance of molecular biology in clinical practice is often underestimated. However, numerous procedures in clinical diagnosis and new therapeutic drugs have resulted from basic molecular research. Furthermore, understanding of the physiological and physiopathological mechanisms underlying several human diseases has been improved by the results of basic molecular research. For example, cloning of the gene encoding leptin has provided spectacular insights into the understanding of the mechanisms involved in the control of food intake and body weight maintenance in man. In cystic fibrosis, the cloning and identification of several mutations in the gene encoding the chloride channel transmembrane regulator (CFTR) have resolved several important issues in clinical practice: cystic fibrosis constitutes a molecular defect of a single gene. There is a strong correlation between the clinical manifestations or the severity of the disease (phenotype) with the type of mutations present in the CFTR gene (genotype). More recently, identification of mutations in the gene encoding a subunit of the renal sodium channel in the Liddle syndrome has provided important insight into the physiopathological understanding of mechanisms involved in this form of hereditary hypertension. Salt retention and secondary high blood pressure are the result of constitutive activation of the renal sodium channel by mutations in the gene encoding the renal sodium channel. It is speculated that less severe mutations in this channel could result in a less severe form of hypertension which may correspond to patients suffering from high blood pressure with low plasma renin activity. Several tools, most notably PCR, are derived from molecular research and are used in everyday practice, i.e. in prenatal diagnosis and in the diagnosis of several infectious diseases including tuberculosis and hepatitis. Finally, the production of recombinant proteins at lower cost and with fewer side effects is used in everyday clinical practice. Gene therapy remains an extraordinary challenge in correcting severe hereditary or acquired diseases. The use of genetically modified animal cell lines producing growth factors, insulin or erythropoetin, which are subsequently encapsulated and transferred to man, represents an attractive approach for gene therapy.

Aide-mémoire de biochimie et de biologie moléculaire

Cet aide-mémoire présente l'essentiel des connaissances actuelles en biochimie et biologie moléculaire. Plus de 1 400 rubriques et de multiples renvois permettent la compréhension immédiate des concepts et notions abordés. Les termes anglais les plus courants sont mentionnés et traduits. L'objectif n'étant pas de concurrencer les nombreux ouvrages fondamentaux déjà disponibles, les notions les plus élémentaires ne sont pas exposées. Dans ce même esprit, un souci d'originalité a présidé au choix des figures et tableaux. Afin d'offrir une vue globale des phénomènes métaboliques et de leurs moyens d'étude, de très nombreux compléments sont présentés en biologie cellulaire, génétique, immunologie et microbiologie. Ainsi rédigé, Aide-mémoire de biochimie et biologie moléculaire a été conçu pour accompagner les étudiants des 1er, 2e et 3e cycles de sciences de la vie, médecine et pharmacie, mais aussi pour constituer un ouvrage de référence que consulteront avec profit les enseignants et chercheurs de tous niveaux, ainsi que les techniciens de laboratoire.

Aide-mémoire de biochimie et de biologie moléculaire

Cet aide-mémoire présente un condensé de l'essentiel des connaissances actuelles en biochimie et biologie moléculaire. Plus de 1 200 rubriques et de multiples renvois permettent la compréhension immédiate des concepts et notions abordés. Les termes anglais les plus courants sont mentionnés et traduits. L'objectif n'étant pas de concurrencer les nombreux ouvrages fondamentaux déjà disponibles, les notions les plus élémentaires ne sont pas exposées. Dans ce même esprit, un souci d'originalité a présidé au choix des figures et tableaux. Afin d'offrir une vue globale des phénomènes métaboliques et de leurs moyens d'étude, de très nombreux compléments sont présentés en biologie cellulaire, génétique, immunologie et microbiologie. Ainsi rédigé, Aide-mémoire de biochimie et de biologie moléculaire a été conçu pour accompagner les étudiants des 1er, 2ème et 3ème cycles de biologie, médecine et pharmacie, mais aussi pour constituer un ouvrage de référence que consulteront avec profit les enseignants et chercheurs de tous niveaux, ainsi que les techniciens de laboratoire.

Aide-mémoire de biochimie et de biologie moléculaire

Cet aide-mémoire de biochimie et de biologie moléculaire présente l'essentiel des connaissances actuelles en biochimie et biologie moléculaire. Plus de 1500 rubriques et de multiples renvois permettent la compréhension immédiate des concepts et notions abordés. Les termes anglais les plus courants sont mentionnés et traduits. L'objectif n'étant pas de concurrencer les nombreux ouvrages fondamentaux déjà disponibles, les notions les plus élémentaires ne sont pas exposées. Dans ce même esprit, un souci d'originalité a présidé au choix des figures et tableaux. Afin d'offrir une vue globale des phénomènes métaboliques et de leurs moyens d'étude, de très nombreux compléments sont présentés en biologie cellulaire, génétique, immunologie et microbiologie. Ainsi rédigé, Aide-mémoire de biochimie et biologie moléculaire a été conçu pour accompagner les étudiants des 1er, 2e et 3e cycles de sciences de la vie, médecine et pharmacie, mais aussi pour constituer un ouvrage de référence que consulteront avec profit les enseignants et chercheurs de tous niveaux, ainsi que les techniciens de laboratoire.

Des relations déraisonnables ? Marie Bonaparte, son chien Topsy, la biologie et la psychanalyse

Analysée par Sigmund Freud, Marie Bonaparte (1882-1962) devint son élève et eu un rôle capital dans le développement de la psychanalyse en France. Elle fut aussi une proche de Gustave Le Bon (1841-1931), passionnée comme lui par les sciences et fréquenta notamment les scientifiques de L'Institut Pasteur. Outre son oeuvre de psychanalyste, elle publia en 1937 un texte sur le cancer de sa chienne Topsy qui sera traduit en allemand par Freud et connaitra un réel succès éditorial. L'analyse de cet ouvrage met à jour non seulement les spécificités de son rapport à l'animal mais aussi celui qu'elle entretient avec la science.