Avaliação morfofuncional do complexo hipocampal em ratos submetidos a um modelo de hipóxia-isquemia pré-natal

A diminuição do aporte de oxigênio e nutrientes na vida perinatal resulta em danos, como astrogliose, morte de neurônios e de células proliferativas. Déficits cognitivos podem estar relacionados a danos no hipocampo. Neste trabalho avaliamos a citoarquitetura do giro dentado (DG) durante o desenvolvimento e a memória de ratos submetidos à HI. Para tal, utilizamos a técnica de imunohistoquímica para marcador de proliferação celular (KI67), neurônio jovem (DCX), de astrócitos (GFAP) e de óxido nítrico sintase neuronal (NOSn). Para avaliar a memória de curta e de longa duração foi utilizado o teste de reconhecimento de objetos (RO). Ratas Wistar grávidas em E18 foram anestesiadas (tribromoetanol) e as quatro artérias uterinas foram ocluídas com grampos de aneurisma (Grupo HI). Após 45 minutos, os grampos foram removidos e foi feita a sutura por planos anatômicos. Os animais do grupo controle (SHAM) sofreram o mesmo procedimento, excetuando a oclusão das artérias. Os animais nasceram a termo. Animais com idades de 7 a 90 dias pós-natal (P7 a P90), foram anestesiados e perfundido-fixados com paraformaldeído a 4%, e os encéfalos submetidos ao processamento histológico. Cortes coronais do hipocampo (20m) foram submetidos à imunohistoquímica para KI67, DCX, GFAP e NOSn. Animais P90 foram submetidos ao RO. Os procedimentos foram aprovados pelo comitê de ética (CEA/019/2010). Observamos menor imunomarcação para KI67 no giro dentado de animais HI em P7. Para a marcação de DCX nesta idade não foi observada diferença entre os grupos. Animais HI em P15, P20 e P45 tiveram menor imunomarcação para DCX e Ki67 na camada granular. Animais P90 de ambos os grupos não apresentaram marcação para KI67 e DCX. Vimos aumento da imunomarcação para GFAP nos animais HI em todas as idades. A imunomarcação para NOSn nos animais HI foi menor em todas as idades. O maior número de células NOSn positivas foi visto em animais P7 em ambos os grupos na camada polimórfica. Em P15, animais HI apresentam células NOSn+ em todo o DG. Em P30 animais HI apresentam células NOSn+ nas camadas polimórfica e sub-granular. Animais adultos (P90) de ambos os grupos apresentam células NOSn positivas apenas nas camadas granular e sub-granular. Embora animais HI P90 não apresentaram déficits de memória, estes apresentaram menor tempo de exploração do objeto. Comportamento correspondente a déficits de atenção em humanos. Nossos resultados sugerem que HI perinatal diminui a população de células proliferativas, de neurônios jovens, de neurônios NOSn+, além de causar astrogliose e possivelmente déficits de atenção. O modelo demonstrou ser útil para a compreensão dos mecanismos celulares das lesões hipóxico-isquêmicas e pode ser usado para testar estratégias terapêuticas.

Inhibitory plasticity balances excitation and inhibition in sensory pathways and memory networks

Cortical neurons receive balanced excitatory and inhibitory synaptic currents. Such a balance could be established and maintained in an experience-dependent manner by synaptic plasticity at inhibitory synapses. We show that this mechanism provides an explanation for the sparse firing patterns observed in response to natural stimuli and fits well with a recently observed interaction of excitatory and inhibitory receptive field plasticity. The introduction of inhibitory plasticity in suitable recurrent networks provides a homeostatic mechanism that leads to asynchronous irregular network states. Further, it can accommodate synaptic memories with activity patterns that become indiscernible from the background state but can be reactivated by external stimuli. Our results suggest an essential role of inhibitory plasticity in the formation and maintenance of functional cortical circuitry.

Spatial and temporal scales of neuronal correlation in visual area V4.

The spiking activity of nearby cortical neurons is correlated on both short and long time scales. Understanding this shared variability in firing patterns is critical for appreciating the representation of sensory stimuli in ensembles of neurons, the coincident influences of neurons on common targets, and the functional implications of microcircuitry. Our knowledge about neuronal correlations, however, derives largely from experiments that used different recording methods, analysis techniques, and cortical regions. Here we studied the structure of neuronal correlation in area V4 of alert macaques using recording and analysis procedures designed to match those used previously in primary visual cortex (V1), the major input to V4. We found that the spatial and temporal properties of correlations in V4 were remarkably similar to those of V1, with two notable differences: correlated variability in V4 was approximately one-third the magnitude of that in V1 and synchrony in V4 was less temporally precise than in V1. In both areas, spontaneous activity (measured during fixation while viewing a blank screen) was approximately twice as correlated as visual-evoked activity. The results provide a foundation for understanding how the structure of neuronal correlation differs among brain regions and stages in cortical processing and suggest that it is likely governed by features of neuronal circuits that are shared across the visual cortex.

Influence of the thalamus on spatial visual processing in frontal cortex.

Each of our movements activates our own sensory receptors, and therefore keeping track of self-movement is a necessary part of analysing sensory input. One way in which the brain keeps track of self-movement is by monitoring an internal copy, or corollary discharge, of motor commands. This concept could explain why we perceive a stable visual world despite our frequent quick, or saccadic, eye movements: corollary discharge about each saccade would permit the visual system to ignore saccade-induced visual changes. The critical missing link has been the connection between corollary discharge and visual processing. Here we show that such a link is formed by a corollary discharge from the thalamus that targets the frontal cortex. In the thalamus, neurons in the mediodorsal nucleus relay a corollary discharge of saccades from the midbrain superior colliculus to the cortical frontal eye field. In the frontal eye field, neurons use corollary discharge to shift their visual receptive fields spatially before saccades. We tested the hypothesis that these two components-a pathway for corollary discharge and neurons with shifting receptive fields-form a circuit in which the corollary discharge drives the shift. First we showed that the known spatial and temporal properties of the corollary discharge predict the dynamic changes in spatial visual processing of cortical neurons when saccades are made. Then we moved from this correlation to causation by isolating single cortical neurons and showing that their spatial visual processing is impaired when corollary discharge from the thalamus is interrupted. Thus the visual processing of frontal neurons is spatiotemporally matched with, and functionally dependent on, corollary discharge input from the thalamus. These experiments establish the first link between corollary discharge and visual processing, delineate a brain circuit that is well suited for mediating visual stability, and provide a framework for studying corollary discharge in other sensory systems.

Orally bioavailable small molecule drug protects memory in Alzheimer's disease models

Oligomers of beta-amyloid (Aß) are implicated in the early memory impairment seen in Alzheimer's disease before to the onset of discernable neurodegeneration. Here, the capacity of a novel orally bioavailable, central nervous system-penetrating small molecule 5-aryloxypyrimidine, SEN1500, to prevent cell-derived (7PA2 [conditioned medium] CM) Aß-induced deficits in synaptic plasticity and learned behavior was assessed. Biochemically, SEN1500 bound to Aß monomer and oligomers, produced a reduction in thioflavin-T fluorescence, and protected a neuronal cell line and primary cortical neurons exposed to synthetic soluble oligomeric Aß1-42. Electrophysiologically, SEN1500 alleviated the in vitro depression of long-term potentiation induced by both synthetic Aß1-42 and 7PA2 CM, and alleviated the in vivo depression of long-term potentiation induced by 7PA2 CM, after systemic administration. Behaviorally, oral administration of SEN1500 significantly reduced memory-related deficits in operant responding induced after intracerebroventricular injection of 7PA2 CM. SEN1500 reduced cytotoxicity, acute synaptotoxicity, and behavioral deterioration after in vitro and in vivo exposure to synthetic Aß and 7PA2 CM, and shows promise for development as a clinically viable disease-modifying Alzheimer's disease treatment. © 2013 Elsevier Inc.

Study the function of the newly discovered TrkB receptor fragment (TrkB-ICD) formed by calpain cleavage

Tese de mestrado, Neurociências, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2016

Cholesterol 24S-Hydroxylase overexpression inhibits the liver X receptor (LXR) pathway by activating small guanosine triphosphate-binding proteins (sGTPases) in neuronal cells

The neuronal-specific cholesterol 24S-hydroxylase (CYP46A1) is important for brain cholesterol elimination. Cyp46a1 null mice exhibit severe deficiencies in learning and hippocampal long-term potentiation, suggested to be caused by a decrease in isoprenoid intermediates of the mevalonate pathway. Conversely, transgenic mice overexpressing CYP46A1 show an improved cognitive function. These results raised the question of whether CYP46A1 expression can modulate the activity of proteins that are crucial for neuronal function, namely of isoprenylated small guanosine triphosphate-binding proteins (sGTPases). Our results show that CYP46A1 overexpression in SH-SY5Y neuroblastoma cells and in primary cultures of rat cortical neurons leads to an increase in 3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoA reductase activity and to an overall increase in membrane levels of RhoA, Rac1, Cdc42 and Rab8. This increase is accompanied by a specific increase in RhoA activation. Interestingly, treatment with lovastatin or a geranylgeranyltransferase-I inhibitor abolished the CYP46A1 effect. The CYP46A1-mediated increase in sGTPases membrane abundance was confirmed in vivo, in membrane fractions obtained from transgenic mice overexpressing this enzyme. Moreover, CYP46A1 overexpression leads to a decrease in the liver X receptor (LXR) transcriptional activity and in the mRNA levels of ATP-binding cassette transporter 1, sub-family A, member 1 and apolipoprotein E. This effect was abolished by inhibition of prenylation or by co-transfection of a RhoA dominant-negative mutant. Our results suggest a novel regulatory axis in neurons; under conditions of membrane cholesterol reduction by increased CYP46A1 expression, neurons increase isoprenoid synthesis and sGTPase prenylation. This leads to a reduction in LXR activity, and consequently to a decrease in the expression of LXR target genes.

Pathfinding of corticothalamic axons relies on a rendezvous with thalamic projections.

Major outputs of the neocortex are conveyed by corticothalamic axons (CTAs), which form reciprocal connections with thalamocortical axons, and corticosubcerebral axons (CSAs) headed to more caudal parts of the nervous system. Previous findings establish that transcriptional programs define cortical neuron identity and suggest that CTAs and thalamic axons may guide each other, but the mechanisms governing CTA versus CSA pathfinding remain elusive. Here, we show that thalamocortical axons are required to guide pioneer CTAs away from a default CSA-like trajectory. This process relies on a hold in the progression of cortical axons, or waiting period, during which thalamic projections navigate toward cortical axons. At the molecular level, Sema3E/PlexinD1 signaling in pioneer cortical neurons mediates a "waiting signal" required to orchestrate the mandatory meeting with reciprocal thalamic axons. Our study reveals that temporal control of axonal progression contributes to spatial pathfinding of cortical projections and opens perspectives on brain wiring.

Effect of rufinamide on gating properties of voltage-gated sodium channel Na(v)1.7

Background: Voltage-gated sodium channels (Nav1.x) are important players in chronic pain. A particular interest has grown in Nav1.7, expressed in nociceptors, since mutations in its gene are associated to two inherited pain syndromes or insensitivity to pain. Rufinamide, a drug used to treat refractory epilepsy such as the Lennox-Gastaut syndrome, has been shown to reduce the number of action potentials in cortical neurons without completely blocking Na channels. Aim: The goal of this study was to investigate the effect of rufinamide on Nav1.7 current. Methods and results: Whole-cell patch clamp experiments were performed using HEK293 cells stably expressing Nav1.7. Rufinamide significantly decreased peak sodium current by 28.3, 21.2 and 12.5% at concentrations of 500, 100 and 50μM respectively (precise EC50 could not be calculated since higher rufinamide concentrations could not be achieved in physiological buffer solution). No significant difference on the V1/2 of voltage-dependence of activation was seen; however a shift in the steady-state inactivation curve was observed (-82.6 mV to -88.8 mV and -81.8 to -87.6 mV for 50 and 100 μM rufinamide respectively, p <0.005). Frequency-dependent inhibition of Nav1.7 was also influenced by the drug. One hundred μM rufinamide reduced the peak sodium current (in % of the peak current taken at the first sweep of a train of 50) from 90.8 to 80.8% (5Hz), 88.7 to 71.8% (10 Hz), 69.1 to 49.2% (25 Hz) and 22.3 to 9.8% (50 Hz) (all p <0.05). Onset of fast inactivation was not influenced by the drug since no difference in the time constant of current decay was observed. Conclusion: In the concentration range of plasma level in human treated for epilepsy, 15 μM, rufinamide only minimally blocks Nav1.7. However, it stabilizes the inactivated state and exerts frequencydependent inhibition of Nav1.7. These pharmacological properties may be of use in reducing ectopic discharges as a causal and symptom related contributor of neuropathic pain syndrome.

Implication du récepteur aux cannabinoïdes CB2 dans le développement de la voie rétinothalamique

Durant le développement du système visuel, les cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) envoient des axones qui seront influencés par divers signaux guidant leur cône de croissance, permettant ainsi la navigation des axones vers leurs cibles terminales. Les endocannabinoïdes, des dérivés lipidiques activant les récepteurs aux cannabinoides (CB1 et CB2), sont présents de manière importante au cours du développement. Nous avons démontré que le récepteur CB2 est exprimé à différents points du tractus visuel durant le développement du hamster. L’injection d’agonistes et d’agonistes inverses pour le récepteur CB2 a modifié l’aire du cône de croissance et le nombre de filopodes présents à sa surface. De plus, l’injection d’un gradient d’agoniste du récepteur CB2 produit la répulsion du cône de croissance tandis qu’un analogue de l’AMPc (db-AMPc) produit son attraction. Les effets du récepteur CB2 sur le cône de croissance sont produits en modulant l’activité de la protéine kinase A(PKA), influençant la présence à la membrane cellulaire d’un récepteur à la nétrine-1 nommé Deleted in Colorectal Cancer (DCC). Notamment, pour que le récepteur CB2 puisse moduler le guidage du cône de croissance, la présence fonctionnelle du récepteur DCC est essentielle.. Suite à une injection intra-occulaire d’un agoniste inverse du récepteur CB2, nous avons remarqué une augmentation de la longueur des branches collatérales des axones rétiniens au niveau du LTN (noyau lateral terminal). Nous avons également remarqué une diminution de la ségrégation des projections ganglionnaires au niveau du dLGN, le noyau genouillé lateral dorsal, chez les animaux transgéniques cnr2-/-, ayant le gène codant pour le récepteur CB2 inactif. Nos données suggèrent l’implication des endocannabinoïdes et de leur récepteur CB2 dans la modulation des processus de navigation axonale et de ségrégation lors du développement du système visuel.

Modèle informatique du coapprentissage des ganglions de la base et du cortex : l'apprentissage par renforcement et le développement de représentations

Tout au long de la vie, le cerveau développe des représentations de son environnement permettant à l’individu d’en tirer meilleur profit. Comment ces représentations se développent-elles pendant la quête de récompenses demeure un mystère. Il est raisonnable de penser que le cortex est le siège de ces représentations et que les ganglions de la base jouent un rôle important dans la maximisation des récompenses. En particulier, les neurones dopaminergiques semblent coder un signal d’erreur de prédiction de récompense. Cette thèse étudie le problème en construisant, à l’aide de l’apprentissage machine, un modèle informatique intégrant de nombreuses évidences neurologiques. Après une introduction au cadre mathématique et à quelques algorithmes de l’apprentissage machine, un survol de l’apprentissage en psychologie et en neuroscience et une revue des modèles de l’apprentissage dans les ganglions de la base, la thèse comporte trois articles. Le premier montre qu’il est possible d’apprendre à maximiser ses récompenses tout en développant de meilleures représentations des entrées. Le second article porte sur l'important problème toujours non résolu de la représentation du temps. Il démontre qu’une représentation du temps peut être acquise automatiquement dans un réseau de neurones artificiels faisant office de mémoire de travail. La représentation développée par le modèle ressemble beaucoup à l’activité de neurones corticaux dans des tâches similaires. De plus, le modèle montre que l’utilisation du signal d’erreur de récompense peut accélérer la construction de ces représentations temporelles. Finalement, il montre qu’une telle représentation acquise automatiquement dans le cortex peut fournir l’information nécessaire aux ganglions de la base pour expliquer le signal dopaminergique. Enfin, le troisième article évalue le pouvoir explicatif et prédictif du modèle sur différentes situations comme la présence ou l’absence d’un stimulus (conditionnement classique ou de trace) pendant l’attente de la récompense. En plus de faire des prédictions très intéressantes en lien avec la littérature sur les intervalles de temps, l’article révèle certaines lacunes du modèle qui devront être améliorées. Bref, cette thèse étend les modèles actuels de l’apprentissage des ganglions de la base et du système dopaminergique au développement concurrent de représentations temporelles dans le cortex et aux interactions de ces deux structures.

La sécrétion de la protéine Tau : nouveau mécanisme de propagation de la pathologie de Tau dans la maladie d'Alzheimer

Tau est une protéine associée aux microtubules enrichie dans l’axone. Dans la maladie d’Alzheimer, Tau devient anormalement hyperphosphorylée, s’accumule dans le compartiment somato-dendritique et s’agrège pour former des enchevêtrements neurofibrillaires (NFTs). Ces NFTs se propagent dans le cerveau dans un ordre bien précis. Ils apparaissent d’abord dans le cortex transenthorinal pour ensuite se propager là où ces neurones projettent, c’est-à-dire au cortex entorhinal. Les NFTs s’étendent ensuite à l’hippocampe puis à différentes régions du cortex et néocortex. De plus, des études récentes ont démontré que la protéine Tau peut être sécrétée par des lignées neuronales et que lorsqu’on injecte des agrégats de Tau dans un cerveau de souris, ceux-ci peuvent pénétrer dans les neurones et induire la pathologie de Tau dans le cerveau. Ces observations ont mené à l’hypothèse que la protéine Tau pathologique pourrait être sécrétée par les neurones, pour ensuite être endocytée par les cellules avoisinantes et ainsi propager la maladie. L’objectif de la présente étude était donc de prouver la sécrétion de la protéine Tau par les neurones et d’identifier par quelle voie elle est secrétée. Nos résultats ont permis de démontrer que la protéine Tau est sécrétée par des neurones corticaux de souris de type sauvage ainsi que dans un modèle de surexpression dans des cellules HeLa et PC12. Nos résultats indiquent que la sécrétion de Tau se ferait par les autophagosomes. Finalement, nous avons démontré que la protéine Tau sécrétée est déphosphorylée et clivée par rapport à la protéine Tau intracellulaire non sécrétée.

Étude du trafic du récepteur delta-opiacé suite à sa stimulation par différents agonistes

Les opiacés figurent parmi les analgésiques les plus puissants pour le traitement des douleurs sévères. Les agonistes du DOR (récepteur delta opiacé) induisent moins d'effets secondaires que ceux du mu, ce qui les rend une cible d'intérêt pour le traitement des douleurs chroniques. Cependant, ils induisent la tolérance à l'analgésie. Des hypothèses récentes proposent que le potentiel des drogues à induire la tolérance soit la conséquence de la stabilisation de différentes conformations du récepteur induites par la liaison avec différents ligands, chacune ayant différentes propriétés de trafic. Dans ce contexte, nous avons déterminé si différents ligands du DOR différaient dans leur capacité à induire la signalisation et le trafic du récepteur. Nos résultats indiquent que DPDPE et SNC-80 sont les drogues les plus efficaces à inhiber la production d’AMPc, suivis par UFP-512, morphine et TIPP. DPDPE et SNC-80 induisent à eux seuls l’internalisation du DOR dans les cellules HEK-293 de façon dépendante de la β-arrestine mais pas de la GRK2 ni PKC. Ces deux drogues induisent également l’internalisation du DOR dans les neurones corticaux et c’est seulement le DPDPE qui permet au DOR de regagner la membrane des cellules HEK-293 et des neurones après récupération. Cette capacité de recyclage était suggérée comme un mécanisme protégeant contre la survenue de la tolérance. Ces observations indiquent que le DOR peut subir différentes régulations en fonction du ligand lui étant associé. Cette propriété de sélectivité fonctionnelle des ligands pourrait être utile pour le développement de nouveaux opiacés ayant une activité analgésique plus durable.

L'impact du vieillissement neuroanatomique sur les ondes lentes du sommeil

Les ondes lentes (OL) sur l’électroencéphalogramme caractérisent le sommeil dit lent. Leur production dépend de la synchronisation de l’activité neuronale dans un large réseau néocortical. Les OL présentent d’importants changements au cours du vieillissement, et ce, dès le milieu de l’âge adulte. L’objectif de ce mémoire est d’évaluer la contribution de l’amincissement cortical dans les modifications des caractéristiques des OL durant l’âge adulte. Notre étude montre que la densité (nb/min) et l’amplitude (µV) des OL est liée à l’épaisseur de plusieurs régions du cortex chez des sujets jeunes et âgés. Toutefois, la pente des OL (µV/s) n’a pas semblé en relation avec la neuroanatomie. Des analyses de médiation montrent que la diminution de la densité des OL chez les personnes âgés s’explique par l’amincissement de gyri frontaux et temporaux, alors que les effets de l’âge sur l’amplitude des OL s’expliquent par l’amincissement d’un ensemble plus grand de régions corticales.

Vector-Based Integration of Local and Long-Range Information in Visual Cortex

Integration of inputs by cortical neurons provides the basis for the complex information processing performed in the cerebral cortex. Here, we propose a new analytic framework for understanding integration within cortical neuronal receptive fields. Based on the synaptic organization of cortex, we argue that neuronal integration is a systems--level process better studied in terms of local cortical circuitry than at the level of single neurons, and we present a method for constructing self-contained modules which capture (nonlinear) local circuit interactions. In this framework, receptive field elements naturally have dual (rather than the traditional unitary influence since they drive both excitatory and inhibitory cortical neurons. This vector-based analysis, in contrast to scalarsapproaches, greatly simplifies integration by permitting linear summation of inputs from both "classical" and "extraclassical" receptive field regions. We illustrate this by explaining two complex visual cortical phenomena, which are incompatible with scalar notions of neuronal integration.