Down-regulation of transcripts for Na channel α-SNS in spinal sensory neurons following axotomy

Spinal sensory (dorsal root ganglion; DRG) neurons display slowly inactivating, tetrodotoxin-resistant (TTX-R), and rapidly inactivating, TTX-sensitive (TTX-S) Na currents. Attenuation of the TTX-R Na current and enhancement of TTX-S Na current have been demonstrated in cutaneous afferent DRG neurons in the adult rat after axotomy and may underlie abnormal bursting. We show here that steady-state levels of transcripts encoding the α-SNS subunit, which is associated with a slowly inactivating, TTX-R current when expressed in oocytes, are reduced significantly 5 days following axotomy of DRG neurons, and continue to be expressed at reduced levels, even after 210 days. Steady-state levels of α-III transcripts, which are present at low levels in control DRG neurons, show a pattern of transiently increased expression. In situ hybridization using α-SNS- and α-III-specific riboprobes showed a decreased signal for α-SNS, and an increased signal for α-III, in both large and small DRG neurons following axotomy. Reduced levels of α-SNS may explain the selective loss of slowly inactivating, TTX-R current. The abnormal electrophysiological properties of DRG neurons following axonal injury thus appear to reflect a switch in Na channel gene expression.

Altered gene expression in the host brain caused by a trematode parasite: Neuropeptide genes are preferentially affected during parasitosis

Schistosome parasites adjust the physiology and behavior of their intermediate molluscan hosts to their own benefit. Previous studies demonstrated effects of the avian-schistosome Trichobilharzia ocellata on peptidergic centers in the brain of the intermediate snail host Lymnaea stagnalis. In particular, electrophysiological properties and peptide release of growth- and reproduction-controlling neuroendocrine neurons were affected. We now have examined the possibility that the expression of genes that control physiology and behavior of the host might be altered during parasitosis. A cDNA library of the brain of parasitized Lymnaea was constructed and differentially screened by using mRNA from the brain of both parasitized and nonparasitized snails. This screening yielded a number of clones, including previously identified cDNAs as well as novel neuronal transcripts, which appear to be differentially regulated. The majority of these transcripts encode neuropeptides. Reverse Northern blot analysis confirmed that neuropeptide gene expression is indeed affected in parasitized animals. Moreover, the expression profiles of 10 transcripts tested showed a differential, parasitic stage-specific regulation. Changes in expression could in many cases already be observed between 1.5 and 5 hr postinfection, suggesting that changes in gene expression are a direct effect of parasitosis. We suggest that direct regulation of neuropeptide gene expression is a strategy of parasites to induce physiological and behavioral changes in the host.

Sodium channels and pain

Although it is well established that hyperexcitability and/or increased baseline sensitivity of primary sensory neurons can lead to abnormal burst activity associated with pain, the underlying molecular mechanisms are not fully understood. Early studies demonstrated that, after injury to their axons, neurons can display changes in excitability, suggesting increased sodium channel expression, and, in fact, abnormal sodium channel accumulation has been observed at the tips of injured axons. We have used an ensemble of molecular, electrophysiological, and pharmacological techniques to ask: what types of sodium channels underlie hyperexcitability of primary sensory neurons after injury? Our studies demonstrate that multiple sodium channels, with distinct electrophysiological properties, are encoded by distinct mRNAs within small dorsal root ganglion (DRG) neurons, which include nociceptive cells. Moreover, several DRG neuron-specific sodium channels now have been cloned and sequenced. After injury to the axons of DRG neurons, there is a dramatic change in sodium channel expression in these cells, with down-regulation of some sodium channel genes and up-regulation of another, previously silent sodium channel gene. This plasticity in sodium channel gene expression is accompanied by electrophysiological changes that poise these cells to fire spontaneously or at inappropriate high frequencies. Changes in sodium channel gene expression also are observed in experimental models of inflammatory pain. Thus, sodium channel expression in DRG neurons is dynamic, changing significantly after injury. Sodium channels within primary sensory neurons may play an important role in the pathophysiology of pain.

Changes in voltage activation, Cs+ sensitivity, and ion permeability in H5 mutants of the plant K+ channel KAT1.

KAT1 is a voltage-dependent inward rectifying K+ channel cloned from the higher plant Arabidopsis thaliana [Anderson, J. A., Huprikar, S. S., Kochian, L. V., Lucas, W. J. & Gaber, R. F. (1992) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89, 3736-3740]. It is related to the Shaker superfamily of K+ channels characterized by six transmembrane spanning domains (S1-S6) and a putative pore-forming region between S5 and S6 (H5). The 115 region between Pro-247 and Pro-271 in KAT1 contains 14 additional amino acids when compared with Shaker [Aldrich, R. W. (1993) Nature (London) 362, 107-108]. We studied various point mutations introduced into H5 to determine whether voltage-dependent plant and animal K+ channels share similar pore structures. Through heterologous expression in Xenopus oocytes and voltage-clamp analysis combined with phenotypic analysis involving a potassium transport-defective Saccharomyces cerevisiae strain, we investigated the selectivity filter of the mutants and their susceptibility toward inhibition by cesium and calcium ions. With respect to electrophysiological properties, KAT1 mutants segregated into three groups: (i) wild-type-like channels, (ii) channels modified in selectivity and Cs+ or Ca2+ sensitivity, and (iii) a group that was additionally affected in its voltage dependence. Despite the additional 14 amino acids in H5, this motif in KAT1 is also involved in the formation of the ion-conducting pore because amino acid substitutions at Leu-251, Thr-256, Thr-259, and Thr-260 resulted in functional channels with modified ionic selectivity and inhibition. Creation of Ca2+ sensitivity and an increased susceptibility to Cs+ block through mutations within the narrow pore might indicate that both blockers move deeply into the channel. Furthermore, mutations close to the rim of the pore affecting the half-activation potential (U1/2) indicate that amino acids within the pore either interact with the voltage sensor or ion permeation feeds back on gating.

Palmitoylation of the GluR6 kainate receptor.

The G-protein-coupled metabotropic glutamate receptor mGluR1 alpha and the ionotropic glutamate receptor GluR6 were examined for posttranslational palmitoylation. Recombinant receptors were expressed in baculovirus-infected insect cells or in human embryonic kidney cells and were metabolically labeled with [3H]palmitic acid. The metabotropic mGluR1 alpha receptor was not labeled whereas the GluR6 kainate receptor was labeled after incubation with [3H]palmitate. The [3H]palmitate labeling of GluR6 was eliminated by treatment with hydroxylamine, indicating that the labeling was due to palmitoylation at a cysteine residue via a thioester bond. Site-directed mutagenesis was used to demonstrate that palmitoylation of GluR6 occurs at two cysteine residues, C827 and C840, located in the carboxyl-terminal domain of the molecule. A comparison of the electrophysiological properties of the wild-type and unpalmitoylated mutant receptor (C827A, C840A) showed that the kainate-gated currents produced by the unpalmitoylated mutant receptor were indistinguishable from those of the wild-type GluR6. The unpalmitoylated mutant was a better substrate for protein kinase C than the wild-type GluR6 receptor. These data indicate that palmitoylation may not modulate kainate channel function directly but instead affect function indirectly by regulating the phosphorylation state of the receptor.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Which diagnostic findings in disorders with excessive daytime sleepiness are really helpful? A retrospective study.

Due to extensive clinical and electrophysiological overlaps, the correct diagnosis of disorders with excessive daytime sleepiness is often challenging. The aim of this study was to provide diagnostic measures that help discriminating such disorders, and to identify parameters, which don't. In this single-center study, we retrospectively identified consecutive treatment-naïve patients who suffered from excessive daytime sleepiness, and analyzed clinical and electrophysiological measures in those patients in whom a doubtless final diagnosis could be made. Of 588 patients, 287 reported subjective excessive daytime sleepiness. Obstructive sleep apnea is the only disorder that could be identified by polysomnography alone. The diagnosis of insufficient sleep syndrome relies on actigraphy as patients underestimate their sleep need and the disorder shares several clinical and electrophysiological properties with both narcolepsy type 1 and idiopathic hypersomnia. Sleep stage sequencing on MSLT appears helpful to discriminate between insufficient sleep syndrome and narcolepsy. Sleep inertia is a strong indicator for idiopathic hypersomnia. There are no distinctive electrophysiological findings for the diagnosis of restless legs syndrome. Altogether, EDS disorders are common in neurological sleep laboratories, but usually cannot be diagnosed based on PSG and MSLT findings alone. The diagnostic value of actigraphy recordings can hardly be overestimated.

Ca2+-activated K+(BK) channel inactivation contributes to spike broadening during repetitive firing in the rat lateral amygdala

In many neurons, trains of action potentials show frequency-dependent broadening. This broadening results from the voltage-dependent inactivation of K+ currents that contribute to action potential repolarisation. In different neuronal cell types these K+ currents have been shown to be either slowly inactivating delayed rectifier type currents or rapidly inactivating A-type voltage-gated K+ currents. Recent findings show that inactivation of a Ca2+-dependent K+ current, mediated by large conductance BK-type channels, also contributes to spike broadening. Here, using whole-cell recordings in acute slices, we examine spike broadening in lateral amygdala projection neurons. Spike broadening is frequency dependent and is reversed by brief hyperpolarisations. This broadening is reduced by blockade of voltage-gated Ca2+ channels and BK channels. In contrast, broadening is not blocked by high concentrations of 4-aminopyridine (4-AP) or alpha-dendrotoxin. We conclude that while inactivation of BK-type Ca2+-activated K+ channels contributes to spike broadening in lateral amygdala neurons, inactivation of another as yet unidentified outward current also plays a role.

Developmental changes in expression of GABA(A) receptor-channels in rat intrinsic cardiac ganglion neurones

The effects of gamma-aminobutyric acid (GABA) on the electrophysiological properties of intracardiac neurones were investigated in the intracardiac ganglion plexus in situ and in dissociated neurones from neonatal, juvenile and adult rat hearts. Focal application of GABA evoked a depolarizing, excitatory response in both intact and dissociated intracardiac ganglion neurones. Under voltage clamp, both GABA and muscimol elicited inward currents at -60 mV in a concentration-dependent manner. The fast, desensitizing currents were mimicked by the GABA(A) receptor agonists muscimol and taurine, and inhibited by the GABA(A) receptor antagonists, bicuculline and picrotoxin. The GABA(A0) antagonist (1,2,5,6-tetrahydropyridin-4-yl)methyl phosphonic acid (TPMPA), had no effect on GABA-induced currents, suggesting that GABA(A) receptor-channels mediate the response. The GABA-evoked current amplitude recorded from dissociated neurones was age dependent whereby the peak current density measured at -100 mV was similar to 20 times higher for intracardiac neurones obtained from neonatal rats (P2-5) compared with adult rats (P45-49). The decrease in GABA sensitivity occurred during the first two postnatal weeks and coincides with maturation of the sympathetic innervation of the rat heart. Immunohistochemical staining using antibodies against GABA demonstrate the presence of GABA in the intracardiac ganglion plexus of the neonatal rat heart. Taken together, these results suggest that GABA and taurine may act as modulators of neurotransmission and cardiac function in the developing mammalian intrinsic cardiac nervous system.

Synaptic activation of transient receptor potential channels by metabotropic glutamate receptors in the lateral amygdala

Classical mammalian transient receptor potential channels form non-selective cation channels that open in response to activation of phospholipase C-coupled metabotropic receptors, and are thought to play a key role in calcium homeostasis in non-excitable cells. Within the nervous system transient receptor potential channels are widely distributed but their physiological roles are not well understood. Here we show that in the rat lateral amygdala transient receptor potential channels mediate an excitatory synaptic response to glutamate. Activation of group l etabotropic glutamate receptors on pyramidal neurons in the lateral amygdala with either exogenous or synaptically released glutamate evokes an inward current at negative potentials with a current voltage relationship showing a region of negative slope and steep outward rectification. This current is blocked by inhibiting G protein function with GTP-beta-S, by inhibiting phospholipase C or by infusing transient receptor potential antibodies into lateral amygdala pyramidal neurons. Using RT-PCR and Western blotting we show that transient receptor potential 1, transient receptor potential 4 and transient receptor potential 5 are present in the lateral amygdala. Single cell PCR confirms the presence of transient receptor potential 1 and transient receptor potential 5 in pyramidal neurons and we show by co-immunoprecipitation that transient receptor potential 1 and transient receptor potential 5 co-assemble as a heteromultimers in the amygdala. These results show that in lateral amygdala pyramidal neurons synaptically released glutamate activates transient receptor potential channels, which we propose are likely to be heteromultimeric channels containing transient receptor potential 1 and transient receptor potential 5/transient receptor potential 4. (c) 2005 Published by Elsevier Ltd on behalf of IBRO.

Functional astrocyte-neuron lactate shuttle in a human stem cell-derived neuronal network

The NT2.D1 cell line is one of the most well-documented embryocarcinoma cell lines, and can be differentiated into neurons and astrocytes. Great focus has also been placed on defining the electrophysiological properties of the neuronal cells, and more recently we have investigated the functional properties of their associated astrocytes. We now show for the first time that human stem cell-derived astrocytes produce glycogen and that co-cultures of these cells demonstrate a functional astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS). The ANLS hypothesis proposes that during neuronal activity, glutamate released into the synaptic cleft is taken up by astrocytes and triggers glucose uptake, which is converted into lactate and released via monocarboxylate transporters for neuronal use. Using mixed cultures of NT2-derived neurons and astrocytes, we have shown that these cells modulate their glucose uptake in response to glutamate. Additionally, we demonstrate that in response to increased neuronal activity and under hypoglycaemic conditions, co-cultures modulate glycogen turnover and increase lactate production. Similar results were also shown after treatment with glutamate, potassium, isoproterenol, and dbcAMP. Together, these results demonstrate for the first time a functional ANLS in a human stem cell-derived co-culture. © 2013 ISCBFM.

Functional astrocyte-neuron lactate shuttle in a human stem cell derived neuronal network

The development of stem cell-derived neuronal networks will promote experimental system development for drug screening, toxicological testing and disease modelling, providing that they mirror closely the functional competencies of their in vivo counterparts. The NT2 cell line is one of the best documented embryocarcinoma cell lines, and can be differentiated into neurons and astrocytes. Great focus has also been placed on defining the electrophysiological properties of these cells, and more recently we have investigated the functional properties of their associated astrocytes. We now show for the first time in a human stem cell derived co-culture model that these cultures are also metabolically competent and demonstrate a functional astrocyte neuron lactate shuttle (ANLS). The ANLS hypothesis proposes that during neuronal activity, glutamate released into the synaptic cleft is taken up by astrocytes and triggers glucose uptake which is converted into lactate and released via monocarboxylate transporters for neuronal use. Using mixed cultures of NT2 derived neurons and astrocytes we have shown that these cells modulate their glucose uptake in response to glutamate, an effect that was blocked by cytochalasin B and ouabain. Additionally we demonstrate that in response to increased neuronal activity and under hypoglycaemic conditions, co-cultures modulate glycogen turnover and increase lactate production. Similar results were also shown following treatment with glutamate, potassium, Isoproterenol and dbcAMP. Together these results demonstrate for the first time a functional ANLS in a human stem cell derived co-culture.