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.

A generative nervous system for the planet

Generative systems are now being proposed for addressing major ecological problems. The Complex Urban Systems Project (CUSP) founded in 2008 at the Queensland University of Technology, emphasises the ecological significance of the generative global networking of urban environments. It argues that the natural planetary systems for balancing global ecology are no longer able to respond sufficiently rapidly to the ecological damage caused by humankind and by dense urban conurbations in particular as evidenced by impacts such as climate change. The proposal of this research project is to provide a high speed generative nervous system for the planet by connecting major cities globally to interact directly with natural ecosystems to engender rapid ecological response. This would be achieved by active interactions of the global urban network with the natural ecosystem in the ecological principle of entropy. The key goal is to achieve ecologically positive cities by activating self-organising cities capable of full integration into natural eco-systems and to netowork the cities globally to provide the planet with a nervous system.

Drugs and the autonomic nervous system

The nervous systems can initially be divided up into the central and peripheral nervous systems. The central nervous system is the brain and spinal cord and drugs that modify the central nervous system are considered as a subject in systematic pharmacology (therapeutics) section. Everything neural, other that the central nervous system, can be considered peripheral nervous systems. The peripheral nervous systems can be divided into the autonomic(involuntary) nervous system, which is the system that performs without your conscious help, and the somatic or voluntary nervous system, which you can consciously control(Figure 7.1). In addition the autonomic nervous system is divided into the sympathetic and parasympathetic nervous systems...

Drugs and the somatic nervous system

Drugs and the somatic nervous system 8.1 The somatic nervous system 8.2 Anticholinesterases 8.3 Neuromuscular blockers 8.4 Botox

EdU, a new thymidine analogue for labelling proliferating cells in the nervous system

The standard method of labelling proliferating cells uses the thymidine analogue, bromodeoxyuridine (BrdU), which incorporates into the DNA during S-phase of the cell cycle. A disadvantage of this method is that the immunochemical processing requires pre-treatment of the cells and tissue with heat or acid to reveal the antigen. This pre-treatment reduces reliability of the method and degrades the specimen, reducing the ability for multiple immuno-fluorescence labelling at high resolution. We report here the utility of a novel thymidine analogue, ethynyl deoxyuridine (EdU), detected with a fluorescent azide via the “click” chemistry reaction (the Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition reaction of an organic azide to a terminal acetylene). The detection of EdU requires no heat or acid treatment and the incorporated EdU is covalently conjugated to fluorescent probe. The reaction is quick and compatible with fluorescence immunochemistry and other fluorescent probes. We show here that EdU is non-toxic in vitro and in vivo and can be used in place of BrdU to label cells during neurogenesis and the progeny identified at least 30 days later. The fluorescent labelling of EdU, markedly improves the detection of proliferating cells and allows concurrent high resolution fluorescence immunochemistry.

The Role of Genes on Chromosome Locus 4q12 in Human Central Nervous System Tumors

Human central nervous system (CNS) tumors are a heterogeneous group of tumors occurring in brain, brainstem and spinal cord. Malignant gliomas (astrocytic and oligodendroglial tumors), which arise from the neuroepithelial cells are the most common CNS neoplasms in human. Malignant gliomas are highly aggressive and invasive tumors, and have a very poor prognosis. The development and progression of gliomas involve a stepwise accumulation of genetic alterations that generally affect either signal transduction pathways activated by receptor tyrosine kinases (RTKs), or cell cycle arrest pathways. Constitutive activation or deregulated signaling by RTKs is caused by gene amplification, overexpression or mutations. The aberrant RTK signaling results in turn in the activation of several downstream pathways, which ultimately lead to malignant transformation and tumor proliferation. Many genetic abnormalities implicated in nervous system tumors involve the genes located at the chromosomal region 4q12. This locus harbors the receptor tyrosine kinases KIT, PDGFRA and VEGFR2, and other genes (REST, LNX1) with neural function. Gene amplification and protein expression of KIT, PDGFRA, and VEGFR2 was studied using clinical tumor material. REST and LNX1, as well as NUMBL, the interaction partner of LNX1, were studied for their gene mutations and amplifications. In our studies, amplification of LNX1 was associated with KIT and PDGFRA amplification in glioblastomas, and coamplification of KIT, PDGFRA and VEGFR2 was detected in medulloblastomas and CNS primitive neuroectodermal tumors. PDGFRA amplification was also correlated with poor overall survival. Coamplification of KIT, PDGFRA and VEGFR2 was observed in a subset of human astrocytic and oligodendroglial tumors. We suggest that genes at 4q12 could be a part of a larger amplified region, which is deregulated in gliomas, and could be used as a prognostic marker of tumorigenic process. The signaling pathways activated due to gene amplifications, activating gene mutations, and overexpressed proteins may be useful as therapeutic targets for glioma treatment. This study also includes the characterization of KIT overexpressing astrocytes, analyzed by various in vitro functional assays. Our results show that overexpression of KIT in mouse astrocytes promotes cell proliferation and anchorage-independent growth, as well as phenotypic changes in the cells. Furthermore, the increased proliferation is partly inhibited by imatinib, a small molecule inhibitor of KIT. These results suggest that KIT may play a role in astrocyte growth regulation, and might have an oncogenic role in brain tumorigenesis. Elucidation of the altered signaling pathways due to specific gene amplifications, activating gene mutations, and overexpressed proteins may be useful as therapeutic targets for glioma treatment.