Clinical Proton MR Spectroscopy in Central Nervous System Disorders.

A large body of published work shows that proton (hydrogen 1 [(1)H]) magnetic resonance (MR) spectroscopy has evolved from a research tool into a clinical neuroimaging modality. Herein, the authors present a summary of brain disorders in which MR spectroscopy has an impact on patient management, together with a critical consideration of common data acquisition and processing procedures. The article documents the impact of (1)H MR spectroscopy in the clinical evaluation of disorders of the central nervous system. The clinical usefulness of (1)H MR spectroscopy has been established for brain neoplasms, neonatal and pediatric disorders (hypoxia-ischemia, inherited metabolic diseases, and traumatic brain injury), demyelinating disorders, and infectious brain lesions. The growing list of disorders for which (1)H MR spectroscopy may contribute to patient management extends to neurodegenerative diseases, epilepsy, and stroke. To facilitate expanded clinical acceptance and standardization of MR spectroscopy methodology, guidelines are provided for data acquisition and analysis, quality assessment, and interpretation. Finally, the authors offer recommendations to expedite the use of robust MR spectroscopy methodology in the clinical setting, including incorporation of technical advances on clinical units. © RSNA, 2014 Online supplemental material is available for this article.

Juvenile onset central nervous system folate deficiency and rheumatoid arthritis.

Isolated cerebral folate deficiency was detected in a 13-year-old girl with cognitive and motor difficulties and juvenile rheumatoid arthritis. Her serum contains autoantibodies that block membrane-bound folate receptors that are on the choroid plexus and diminish the uptake of folate into the spinal fluid. Whereas her serum folate exceeded 21 ng/mL, her spinal fluid contained 3.2 ng/mL of 5-methyltetrahydrofolate as a consequence of the autoantibodies diminishing the uptake of this folate.

Viral Escape in the Central Nervous System with Multidrug-Resistant Human Immunodeficiency Virus-1

In this study, we report the case of a patient infected with human immunodeficiency virus (HIV)-1 who developed ataxia and neurocognitive impairment due to viral escape within the central nervous system (CNS) with a multidrug-resistant HIV-1 despite long-term viral suppression in plasma. Antiretroviral therapy optimization with drugs with high CNS penetration led to viral suppression in the CSF, regression of ataxia, and improvement of neurocognitive symptoms.

Intrinsic responses to Borna disease virus infection of the central nervous system

Immune cells invading the central nervous system (CNS) in response to Borna disease virus (BDV) antigens are central to the pathogenesis of Borna disease (BD). We speculate that the response of the resident cells of the brain to infection may be involved in the sensitization and recruitment of these inflammatory cells. To separate the responses of resident cells from those of cells infiltrating from the periphery, we used dexamethasone to inhibit inflammatory reactions in BD. Treatment with dexamethasone prevented the development of clinical signs of BD, and the brains of treated animals showed no neuropathological lesions and a virtual absence of markers of inflammation, cell infiltration, or activation normally seen in the CNS of BDV-infected rats. In contrast, treatment with dexamethasone exacerbated the expression of BDV RNA, which was paralleled by a similarly elevated expression of mRNAs for egr-1, c-fos, and c-jun. Furthermore, dexamethasone failed to inhibit the increase in expression of mRNAs for tumor necrosis factor α, macrophage inflammatory protein 1β, interleukin 6, and mob-1, which occurs in the CNS of animals infected with BDV. Our findings suggest that these genes, encoding transcription factors, chemokines, and proinflammatory cytokines, might be directly activated in CNS resident cells by BDV. This result supports the hypothesis that the initial phase of the inflammatory response to BDV infection in the brain may be dependent upon virus-induced activation of CNS resident cells.

Adenoviral and adeno-associated viral transfer of genes to the peripheral nervous system

Targeted expression of foreign genes to the peripheral nervous system is interesting for many applications, including gene therapy of neuromuscular diseases, neuroanatomical studies, and elucidation of mechanisms of axonal flow. Here we describe a microneurosurgical technique for injection of replication-defective viral vectors into dorsal root ganglia (DRG). Adenovirus- and adeno-associated virus-based vectors with transcriptional competence for DRG neurons led to expression of the gene of interest throughout the first neuron of the sensory system, from the distal portions of the respective sensory nerve to the ipsilateral nucleus gracilis and cuneatus, which contains the synapses to the spinothalamic tracts. Use of Rag-1 ablated mice, which lack all B and T lymphocytes, allowed for sustained expression for periods exceeding 100 days. In immunocompetent mice, long-term (52 days) expression was achieved with similar efficiency by using adeno-associated viral vectors. DRG injection was vastly superior to intraneural injection into the sciatic nerve, which mainly transduced Schwann cells in the vicinity of the site of inoculation site but only inefficiently transduced nerve fibers, whereas i.m. injection did not lead to any significant expression of the reporter gene in nerve fibers. The versatile and efficient transduction of genes of interest should enable a wide variety of functional studies of peripheral nervous system pathophysiology.

Spontaneous inflammatory demyelinating disease in transgenic mice showing central nervous system-specific expression of tumor necrosis factor alpha.

Cytokines are now recognized to play important roles in the physiology of the central nervous system (CNS) during health and disease. Tumor necrosis factor alpha (TNF-alpha) has been implicated in the pathogenesis of several human CNS disorders including multiple sclerosis, AIDS dementia, and cerebral malaria. We have generated transgenic mice that constitutively express a murine TNF-alpha transgene, under the control of its own promoter, specifically in their CNS and that spontaneously develop a chronic inflammatory demyelinating disease with 100% penetrance from around 3-8 weeks of age. High-level expression of the transgene was seen in neurons distributed throughout the brain. Disease is manifested by ataxia, seizures, and paresis and leads to early death. Histopathological analysis revealed infiltration of the meninges and CNS parenchyma by CD4+ and CD8+ T lymphocytes, widespread reactive astrocytosis and microgliosis, and focal demyelination. The direct action of TNF-alpha in the pathogenesis of this disease was confirmed by peripheral administration of a neutralizing anti-murine TNF-alpha antibody. This treatment completely prevented the development of neurological symptoms, T-cell infiltration into the CNS parenchyma, astrocytosis, and demyelination, and greatly reduced the severity of reactive microgliosis. These results demonstrate that overexpression of TNF-alpha in the CNS can cause abnormalities in nervous system structure and function. The disease induced in TNF-alpha transgenic mice shows clinical and histopathological features characteristic of inflammatory demyelinating CNS disorders in humans, and these mice represent a relevant in vivo model for their further study.

A role for ciliary neurotrophic factor as an inducer of reactive gliosis, the glial response to central nervous system injury.

Within the central nervous system (CNS) ciliary neurotrophic factor (CNTF) is expressed by astrocytes where it remains stored as an intracellular protein; its release and function as an extracellular ligand are thought to occur in the event of cellular injury. We find that overexpression of CNTF in transgenic mice recapitulates the glial response to CNS lesion, as does its injection into the uninjured brain. These results demonstrate that CNTF functions as an inducer of reactive gliosis, a condition associated with a number of neurological diseases of the CNS.

Parkinson's disease and gastrointestinal dysfunctions: morphological, neurochemical and functional modifications of the enteric nervous system associated with central dopaminergic impairment

Parkinson’s disease (PD) is frequently associated with gastrointestinal (GI) symptoms, mostly represented by abdominal distension, constipation and defecatory dysfunctions. Despite GI dysfunctions have a major impact on the clinical picture of PD, there is currently a lack of information on the neurochemical, pathological and functional correlates of GI dysmotility associated with PD. Moreover, there is a need of effective and safe pharmacological therapies for managing GI disturbances in PD patients. The present research project has been undertaken to investigate the relationships between PD and related GI dysfunctions by means of investigations in an animal model of PD induced by intranigral injection of 6-hydroxydopamine (6-OHDA). The use of the 6-OHDA experimental model of PD in the present program has allowed to pursue the following goals: 1) to examine the impact of central dopaminergic denervation on colonic excitatory cholinergic and tachykininergic neuromotility by means of molecular, histomorphologic and functional approaches; 2) to elucidate the role of gut inflammation in the onset and progression of colonic dysmotility associated with PD, characterizing the degree of inflammation and oxidative damage in colonic tissues, as well as identifying the immune cells involved in the production of pro-inflammatory cytokines in the gut; 3) to evaluate the impact of chronic treatment with L-DOPA plus benserazide on colonic neuromuscular activity both in control and PD animals. The results suggest that central nigrostriatal dopaminergic denervation is associated with an impaired excitatory cholinergic neurotransmission and an enhanced tachykininergic control, resulting in a dysregulated smooth muscle motor activity, which likely contributes to the concomitant decrease in colonic transit rate. These motor alterations might result from the occurrence of a condition of gut inflammation associated with central intranigral denervation. The treatment with L-DOPA/BE following central dopaminergic neurodegeneration can restore colonic motility, likely through a normalization of the cholinergic enteric neurotransmission, and it can also improve the colonic inflammation associated with central dopaminergic denervation.

The English malady, or, A treatise of nervous diseases of all kinds : as spleen, vapours, lowness of spirits, hypochondriacal, and hysterical distempers, &c., in three parts: Part I. Of the nature and cause of nervous distempers : Part II. Of the cure of nervous distempers : Part III. Variety of cases that illustrate and confirm the method of cure : with the author's own case at large /

Each part has special title page.

Non-coding RNAs in the nervous system

Increasing evidence suggests that the development and function of the nervous system is heavily dependent on RNA editing and the intricate spatiotemporal expression of a wide repertoire of non-coding RNAs, including micro RNAs, small nucleolar RNAs and longer non-coding RNAs. Non-coding RNAs may provide the key to understanding the multi-tiered links between neural development, nervous system function, and neurological diseases.

In vivo and in vitro aspects of imidazoline-2(1/2)sites within the central nervous system

The in vivo and in vitro characteristics of the I2 binding site were probed using the technique of drug discrimination and receptor autoradiography. Data presented in this thesis indicates the I2 ligand 2-BFI generates a cue in drug discrimination. Further studies indicated agmatine, a proposed endogenous imidazoline ligand, and a number of imidazoline and imidazole analogues of 2-BFI substitute significantly for 2-BFI. In addition to specific I2 ligands the administration of NRl's (noradrenaline reuptake inhibitors), the sympathomimetic d-amphetamine, the α1-adrenoceptor agonist methoxamine, but not the β1 agonist dobutamine or the β2 agonist salbutamol, gave rise to significant levels of substitution for the 2-BFI cue. The administration of the α1-adrenoceptor antagonist WB4101, prior to 2- BFI itself significantly reduced levels of 2-BFI appropriate responding. Administration of the reversible MAO-A inhibitors moclobemide and Ro41-1049, but not the reversible MAO-B inhibitors lazabemide and Ro16-6491, gave rise to potent dose dependent levels of substitution for the 2-BFI cue. Further studies indicated the administration of a number of β-carbolines and the structurally related indole alkaloid ibogaine also gave rise to dose dependent significant levels of substitution. Due to the relationship of indole alkaloids to serotonin the 5-HT releaser fenfluramine and a number of SSRI's (selective serotonin reuptake inhibitor) were also administered and these compounds gave rise to significant partial (20-80% responses to the 2-BFI lever) levels of substitution. The autoradiographical studies reported here indicate [3H]2-BFI labels I2 sites within the rat arcuate nucleus, area postrema, pineal gland, interpeduncular nucleus and subfornical organ. Subsequent experiments confirmed that the drug discrimination dosing schedule significantly increases levels of [3H]2-BFI 12 binding within two of these nuclei. However, levels of [3H]2-BFI specific binding were significantly reduced within four of these nuclei after chronic treatment with the irreversible MAO inhibitors deprenyl and tranylcypromine but not pargyline, which only reduced levels significantly in two. Further autoradiographical studies indicated that the distribution of [3H]2-BFI within the C57/B mouse compares favourably to that within the rat. Comparison of these levels of binding to those from transgenic mice who over-express MAO-B indicates two possibly distinct populations of [3H]2-BFI 12 sites exist in mouse brain. The data presented here indicates the 2-BFI cue is associated with the selective activation of α1-adrenoceptors and possibly 5-HT receptors. 2-BFI trained rats recognise reversible MAO-A but not MAO-B inhibitors. However, data within this thesis indicates the autoradiographical distribution of I2 sites bears a closer resemblance to that of MAO-B not MAO-A and further studies using transgenic mice that over-express MAO-B suggests a non-MAO-B I2 site exists in mouse brain.

Autonomic nervous system, circadian rhythms, and primary open-angle glaucoma

The etiology of primary open-angle glaucoma (POAG) remains the subject of continuing investigation. Despite the many known risk factors and mechanism of damage, the principal treatment objectives in POAG still consist of reduction of intraocular pressure, which although straightforward in many cases, often leaves the clinician with the question of how far to pursue a sufficiently low pressure to prevent further damage. Other risk factors such as hemodynamic insufficiency due to vascular dysregulation and abnormal blood pressure are often overlooked in the day-to-day practice; their harmful effects for glaucoma are, it seems, more potent at night while the patient sleeps and when clinical investigation is most difficult. Although the status of autonomic nervous system is an important determinant of the systemic hemodynamic parameters, this issue is usually ignored by the clinician in the process of glaucoma diagnosis. Consequently, there is a lack of alternative therapies tailored to address associated systemic risk factors for POAG on a case and chronological basis; this approach could be more effective in preventing the progression and visual loss in selected glaucoma cases. © 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Optimizing Western Blots for the Detection of Endogenous α-Synuclein in the Enteric Nervous System

International audience

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.