Comparison of mesencephalic free-floating tissue culture grafts and cell suspension grafts in the 6-hydroxydopamine-lesioned rat

Ventral mesencephalon (VM) of fetal rat and human origin grown as free-floating roller-tube (FFRT) cultures can survive subsequent grafting to the adult rat striatum. To further explore the functional efficacy of such grafts, embryonic day 13 ventral mesencephalic tissue was grafted either after 7 days in culture or directly as dissociated cell suspensions, and compared with regard to neuronal survival and ability to normalize rotational behavior in adult rats with unilateral 6-hydroxydopamine (6-OHDA) lesions. Other lesioned rats received injections of cell-free medium and served as controls. The amphetamine-induced rotational behavior of all 6-OHDA-lesioned animals was monitored at various time points from 18 days before transplantation and up to 80 days after transplantation. Tyrosine hydroxylase (TH) immunostaining of the histologically processed brains served to assess the long-term survival of grafted dopaminergic neurons and to correlate that with the behavioral effects. Additional cultures and acutely prepared explants were also fixed and stored for histological investigation in order to estimate the loss of dopaminergic neurons in culture and after transplantation. Similar behavioral improvements in terms of significant reductions in amphetamine-induced rotations were observed in rats grafted with FFRT cultures (127%) and rats grafted with cell suspensions (122%), while control animals showed no normalization of rotational behavior. At 84 days after transplantation, there were similar numbers of TH-immunoreactive (TH-ir) neurons in grafts of cultured tissue (775 +/- 98, mean +/- SEM) and grafts of fresh, dissociated cell suspension (806 +/- 105, mean +/- SEM). Cell counts in fresh explants, 7-day-old cultures, and grafted cultures revealed a 68.2% loss of TH-ir cells 7 days after explantation, with an additional 23.1% loss after grafting, leaving 8.7% of the original number of TH-ir cells in the intracerebral grafts. This is to be compared with a survival rate of 9.1% for the TH-ir cells in the cell-suspension grafts. Immunostaining for the calcium-binding proteins calretinin, calbindin, and parvalbumin showed no differences in the neuronal expression of these proteins between the two graft types. In conclusion, we found comparable dopaminergic cell survival and functional effects of tissue-culture grafts and cell-suspension grafts, which currently is the type of graft most commonly used for experimental and clinical grafting. In this sense the result is promising for the development of an effective in vitro storage of fetal nigral tissue, which at the same time would allow neuroprotective and neurotrophic treatment prior to intracerebral transplantation.

Directed differentiation and functional maturation of cortical interneurons from human embryonic stem cells

Human pluripotent stem cells are a powerful tool for modeling brain development and disease. The human cortex is composed of two major neuronal populations: projection neurons and local interneurons. Cortical interneurons comprise a diverse class of cell types expressing the neurotransmitter GABA. Dysfunction of cortical interneurons has been implicated in neuropsychiatric diseases, including schizophrenia, autism, and epilepsy. Here, we demonstrate the highly efficient derivation of human cortical interneurons in an NKX2.1::GFP human embryonic stem cell reporter line. Manipulating the timing of SHH activation yields three distinct GFP+ populations with specific transcriptional profiles, neurotransmitter phenotypes, and migratory behaviors. Further differentiation in a murine cortical environment yields parvalbumin- and somatostatin-expressing neurons that exhibit synaptic inputs and electrophysiological properties of cortical interneurons. Our study defines the signals sufficient for modeling human ventral forebrain development in vitro and lays the foundation for studying cortical interneuron involvement in human disease pathology.

Calmodulin -regulated processes and intracellular calcium in the heat stress response of mammalian cells

Three approaches were used to examine the role of Ca$\sp{2+}$- and/or calmodulin (CaM)-regulated processes in the mammalian heat stress response. The focus of the first approach was on the major Ca$\sp{2+}$-binding protein, CaM, and involved the use of CaM antagonists that perturbed CaM-regulated processes during heat stress. The second approach involved the use of a cell line and its BPV-1 transformants that express increased basal levels of CaM, or parvalbumin--a Ca$\sp{2+}$-binding protein not normally found in these cells. The last approach used Ca$\sp{2+}$ chelators to buffer Ca$\sp{2+}$-transients.^ The principle conclusions resulting from these three experimental approaches are: (1) CaM antagonists cause a temperature-dependent potentiation of heat killing, but do not inhibit the triggering and development of thermotolerance suggesting some targets for heat killing are different from those that lead to thermotolerance; (2) Members of major HSP families (especially HSP70) can bind to CaM in a Ca$\sp{2+}$-dependent manner in vitro, and HSP have been associated with events leading to thermotolerance. But, because thermotolerance is not affected by CaM antagonists, and antagonists should interfere with HSP binding to CaM, the events leading to triggering or developing thermotolerance were not strongly dependent on HSP binding to CaM; (3) CaM antagonists can also bind to HSP70 (and possibly other HSP) suggesting an alternative mechanism for the action of these agents in heat killing may involve direct binding to other proteins, like HSP70, whose function is important for survival following heating and inhibiting their activity; and (4) The signal governing the rate of synthesis of another major HSP group, the HSP26 family, can be largely abrogated by elevated Ca$\sp{2+}$-binding proteins or Ca$\sp{2+}$ chelators without significantly reducing survival or thermotolerance suggesting if the HSP26 family is involved in either end point, it may function in (Ca$\sp{2+}$) $\sb{\rm i}$ homeostasis. ^

Evidence for the involvement of ASIC3 in sensory mechanotransduction in proprioceptors

This work was supported in Taipei by Institute of Biomedical Sciences, Academia Sinica and grants from the Ministry of Science and Technology, Taiwan (NSC100-2321-B-001-018, NSC102-2321-B-001-056, NSC102-2320-B-001-021-MY3, and MOST104-2325-B- 001-011) and in Aberdeen, by the Institute of Medical Sciences, University of Aberdeen, UK. We thank Dr David J. Anderson and Dr Yoshihiro Yoshihara for providing plasmids containing cDNA of eGFP-f and WGA, respectively. Dr John N. Wood, Dr Bai-Chuang Shyu and Dr Yu-Ting Yan for providing transgenic lines including Nav1.8-Cre, Parvalbumin-Cre, ROSA-Gt26 reporter and CAG-STOPfloxed-GFP reporter mice. Also we thank Dr Silvia Arber for offering Parvalbumin-Cre-specific genotyping primer sequence, Dr Philip LeDuc for critical reading of the manuscript, and the Transgenic Core Facility of Academia Sinica for the help on the generation of the 2 Asic3 mutant mice, as well as Dr Sin-Jhong Cheng of NPAS for technique support on electrophysiology

Suppression of trkB expression by antisense oligonucleotides alters a neuronal phenotype in the rod pathway of the developing rat retina.

trkB is the high-affinity receptor for brain-derived neurotrophic factor (BDNF), a trophic molecule with demonstrated effects on the survival and differentiation of a wide variety of neuronal populations. In the mammalian retina, trkB is localized to both ganglion cells and numerous cells in the inner nuclear layer. Much information on the role of BDNF in neuronal development has been derived from the study of trkB- and BDNF-deficient mutant mice. This includes an attenuation of the numbers of cortical neurons immunopositive for the calcium-binding proteins, parvalbumin, and calbindin. Unfortunately, these mutant animals typically fail to survive for > 24-48 hr after birth. Since most retinal neuronal differentiation occurs postnatally, we have devised an alternative scheme to suppress the expression of trkB in the retina to examine the role of BDNF on the postnatal development of neurons of the inner retina. Neonatal rats were treated with intraocular injection of an antisense oligonucleotide (1-2 microliters of 10-100 microM solution) targeted to the trkB mRNA. Immunohistochemistry with a polyclonal antibody to trkB showed that the expression of trkB in retinal neurons was suppressed 48-72 hr following a single injection. Northern blot analysis demonstrated that antisense treatment had no effect on the level of trkB mRNA, even after multiple injections. This suggests an effect of trkB antisense treatment on protein translation, but not on RNA transcription. No alterations were observed in the thickness of retinal cellular or plexiform layers, suggesting that BDNF is not the sole survival factor for these neurons. There were, however, alterations in the patterns of immunostaining for parvalbumin, a marker for the narrow-field, bistratified AII amacrine cell-a central element of the rod (scotopic) pathway. This was evidenced by a decrease in both the number of immunostained somata (> 50%) and in the intensity of immunolabeling. However, the immunostaining pattern of calbindin was not affected. These studies suggest that the ligands for trkB have specific effects on the neurochemical phenotypic expression of inner retinal neurons and in the development of a well-defined retinal circuit.

Expression of calbindin-D28K in motoneuron hybrid cells after retroviral infection with calbindin-D28K cDNA prevents amyotrophic lateral sclerosis IgG-mediated cytotoxicity.

Calbindin-D28K and/or parvalbumin appear to influence the selective vulnerability of motoneurons in amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Their immunoreactivity is undetectable in motoneurons readily damaged in human ALS, and in differentiated motoneuron hybrid cells [ventral spinal cord (VSC 4.1 cells)] that undergo calcium-dependent apoptotic cell death in the presence of ALS immunoglobulins. To provide additional evidence for the role of calcium-binding proteins in motoneuron vulnerability, VSC 4.1 cells were infected with a retrovirus carrying calbindin-D28K cDNA under the control of the promoter of the phosphoglycerate kinase gene. Differentiated calbindin-D28K cDNA-infected cells expressed high calbindin-D28K and demonstrated increased resistance to ALS IgG-mediated toxicity. Treatment with calbindin-D28K antisense oligodeoxynucleotides, which significantly decreased calbindin-D28K expression, rendered these cells vulnerable again to ALS IgG toxicity.

Regulation of excitatory transmission at hippocampal synapses by calbindin D28k.

Distinct subpopulations of neurons in the brain contain one or more of the Ca(2+)-binding proteins calbindin D28k, calretinin, and parvalbumin. Although it has been shown that these high-affinity Ca(2+)-binding proteins can increase neuronal Ca2+ buffering capacity, it is not clear which aspects of neuronal physiology they normally regulate. To investigate this problem, we used a recently developed method for expressing calbindin D28k in the somatic and synaptic regions of cultured hippocampal pyramidal neurons. Ninety-six hours after infection with a replication-defective adenovirus containing the calbindin D28k gene, essentially all cultured hippocampal pyramidal neurons robustly expressed calbindin D28k. Our results demonstrate that while calbindin D28k does not alter evoked neurotransmitter release at excitatory pyramidal cell synapses, this protein has a profound effect on synaptic plasticity. In particular, we show that calbindin D28k expression suppresses posttetanic potentiation.

Rotenone induces degeneration of photoreceptors and impairs the dopaminergic system in the rat retina

Rotenone is a widely used pesticide and a potent inhibitor of mitochondrial complex I (NADH-quinone reductase) that elicits the degeneration of dopaminergic neurons and thereby the appearance of a parkinsonian syndrome. Here we have addressed the alterations induced by rotenone at the functional, morphological and molecular levels in the retina, including those involving both dopaminergic and non-dopaminergic retinal neurons. Rotenone-treated rats showed abnormalities in equilibrium, postural instability and involuntary movements. In their outer retina we observed a loss of photoreceptors, and a reduced synaptic connectivity between those remaining and their postsynaptic neurons. A dramatic loss of mitochondria was observed in the inner segments, as well as in the axon terminals of photoreceptors. In the inner retina we observed a decrease in the expression of dopaminergic cell molecular markers, including loss of tyrosine hydroxylase immunoreactivity, associated with a reduction of the dopaminergic plexus and cell bodies. An increase in immunoreactivity of AII amacrine cells for parvalbumin, a Ca2+-scavenging protein, was also detected. These abnormalities were accompanied by a decrease in the amplitude of scotopic and photopic a- and b-waves and an increase in the b-wave implicit time, as well as by a lower amplitude and greater latency in oscillatory potentials. These results indicate that rotenone induces loss of vision by promoting photoreceptor cell death and impairment of the dopaminergic retinal system.

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

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

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.

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.

Comparative analysis of CNS populations in knockout mice with altered growth hormone responsiveness

Recently we have shown that growth hormone (GH) inhibits neuronal differentiation and that this process is blocked by suppressor of cytokine signalling-2 (SOCS2). Here we examine several cortical and subcortical neuronal populations in GH hyper-responsive SOCS2 null (-/-) mice and GH non-responsive GH receptor null (GHR-/-) mice. While SOCS2-/- mice showed a 30% decrease in density of NeuN positive neurons in cortex compared to wildtype, GHR-/- mice showed a 25% increase even though brain size was decreased. Interneuron sub-populations were variably affected, with a slight decrease in cortical parvalbumin expressing interneurons in SOCS2-/- mice and an increase in cortical calbindin and calretinin and striatal cholinergic neuron density in GHR-/- mice. Analysis of glial cell numbers in cresyl violet or glial fibrillary acidic protein (GFAP) stained sections of cortex showed that the neuron: glia ratio was increased in GHR-/- mice and decreased in SOCS2-/- mice. The astrocytes in GHR-/- mice appeared smaller, while they were larger in SOCS2-/- mice. Neuronal soma size also varied in the different genotypes, with smaller striatal cholinergic neurons in GHR-/- mice. While the size of layer 5 pyramidal neurons was not significantly different from wildtype, SOCS2-/- neurons were larger than GHR-/- neurons. In addition, primary dendritic length was similar in all genotypes but dendritic branching of pyramidal neurons in the cortex appeared sparser in GHR-/- and SOCS2-/- mice. These results suggest that GH, possibly regulated by SOCS2, has multiple effects on central nervous system (CNS) development and maturation, regulating the number and size of multiple neuronal and glial cell types.

Characterization of neogenin-expressing neural progenitor populations and migrating neuroblasts in the embryonic mouse forebrain

Many studies have demonstrated a role for netrin-1-deleted in colorectal cancer (DCC) interactions in both axon guidance and neuronal migration. Neogenin, a member of the DCC receptor family, has recently been shown to be a chemorepulsive axon guidance receptor for the repulsive guidance molecule (RGM) family of guidance cues [Rajagopalan S, Deitinghoff L, Davis D, Conrad S, Skutella T, Chedotal A, Mueller B, Strittmatter S (2004) Neogenin mediates the action of repulsive guidance molecule. Nat Cell Biol 6:755-762]. Here we show that neogenin is present on neural progenitors, including neurogenic radial glia, in the embryonic mouse forebrain suggesting that neogenin expression is a hallmark of neural progenitor populations. Neogenin-positive progenitors were isolated from embryonic day 14.5 forebrain using flow cytometry and cultured as neurospheres. Neogenin-positive progenitors gave rise to neurospheres displaying a high proliferative and neurogenic potential. In contrast, neogenin-negative forebrain cells did not produce long-term neurosphere cultures and did not possess a significant neurogenic potential. These observations argue strongly for a role for neogenin in neural progenitor biology. In addition, we also observed neogenin on parvalbumin- and calbindin-positive interneuron neuroblasts that were migrating through the medial and lateral ganglionic eminences, suggesting a role for neogenin in tangential migration. Therefore, neogenin may be a multi-functional receptor regulating both progenitor activity and neuroblast migration in the embryonic forebrain. (c) 2006 IBRO. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

GABAergic excitation in the basolateral amygdala

GABA-containing interneurons are a diverse population of cells whose primary mode of action in the mature nervous system is inhibition of postsynaptic target neurons. Using paired recordings from parvalbumin-positive interneurons in the basolateral amygdala, we show that, in a subpopulation of interneurons, single action potentials in one interneuron evoke in the postsynaptic interneuron a monosynaptic inhibitory synaptic current, followed by a disynaptic excitatory glutamatergic synaptic current. Interneuron-evoked glutamatergic events were blocked by antagonists of either AMPA/kainate or GABA(A) receptors, and could be seen concurrently in both presynaptic and postsynaptic interneurons. These results show that single action potentials in a GABAergic interneuron can drive glutamatergic principal neurons to threshold, resulting in both feedforward and feedback excitation. In interneuron pairs that both receive glutamatergic inputs after an interneuron spike, electrical coupling and bidirectional GABAergic connections occur with a higher probability relative to other interneuron pairs. We propose that this form of GABAergic excitation provides a means for the reliable and specific recruitment of homogeneous interneuron networks in the basal amygdala.

Functional presynaptic HCN channels in the rat globus pallidus

Hyperpolarization-activated, cyclic nucleotide-gated cation (HCN) channels are expressed postsynaptically in the rodent globus pallidus (GP), where they play several important roles in controlling GP neuronal activity. To further elucidate the role of HCN channels in the GP, immunocytochemical and electrophysiological approaches were used to test the hypothesis that HCN channels are also expressed presynaptically on the local axon collaterals of GP neurons. At the electron microscopic level, immunoperoxidase labelling for HCN1 and HCN2 was localized in GP somata and dendritic processes, myelinated and unmyelinated axons, and axon terminals. One population of labelled terminals formed symmetric synapses with somata and proximal dendrites and were immunoreactive for parvalbumin, consistent with the axon collaterals of GABAergic GP projection neurons. In addition, labelling for HCN2 and, to a lesser degree, HCN1 was observed in axon terminals that formed asymmetric synapses and were immunoreactive for the vesicular glutamate transporter 2. Immunogold labelling demonstrated that HCN1 and HCN2 were located predominantly at extrasynaptic sites along the plasma membrane of both types of terminal. To determine the function of presynaptic HCN channels in the GP, we performed whole-cell recordings from GP neurons in vitro. Bath application of the HCN channel blocker ZD7288 resulted in an increase in the frequency of mIPSCs but had no effect on their amplitude, implying that HCN channels tonically regulate the release of GABA. Their presence, and predicted role in modulating transmitter release, represents a hitherto unidentified mechanism whereby HCN channels influence the activity of GP neurons. © The Authors (2007).