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.

Stage-Specific Plasticity in Ovary Size Is Regulated by Insulin/Insulin-Like Growth Factor and Ecdysone Signaling in Drosophila

Animals from flies to humans adjust their development in response to environmental conditions through a series of developmental checkpoints, which alter the sensitivity of organs to environmental perturbation. Despite their importance, we know little about the molecular mechanisms through which this change in sensitivity occurs. Here we identify two phases of sensitivity to larval nutrition that contribute to plasticity in ovariole number, an important determinant of fecundity, in Drosophila melanogaster. These two phases of sensitivity are separated by the developmental checkpoint called "critical weight"; poor nutrition has greater effects on ovariole number in larvae before critical weight than after. We find that this switch in sensitivity results from distinct developmental processes. In precritical weight larvae, poor nutrition delays the onset of terminal filament cell differentiation, the starting point for ovariole development, and strongly suppresses the rate of terminal filament addition and the rate of increase in ovary volume. Conversely, in postcritical weight larvae, poor nutrition affects only the rate of increase in ovary volume. Our results further indicate that two hormonal pathways, the insulin/insulin-like growth factor and the ecdysone-signaling pathways, modulate the timing and rates of all three developmental processes. The change in sensitivity in the ovary results from changes in the relative contribution of each pathway to the rates of terminal filament addition and increase in ovary volume before and after critical weight. Our work deepens our understanding of how hormones act to modify the sensitivity of organs to environmental conditions, thereby affecting their plasticity.

Neurogenomic mechanisms of social plasticity

Group-living animals must adjust the expression of their social behaviour to changes in their social environment and to transitions between life-history stages, and this social plasticity can be seen as an adaptive trait that can be under positive selection when changes in the environment outpace the rate of genetic evolutionary change. Here, we propose a conceptual framework for understanding the neuromolecular mechanisms of social plasticity. According to this framework, social plasticity is achieved by rewiring or by biochemically switching nodes of a neural network underlying social behaviour in response to perceived social information. Therefore, at the molecular level, it depends on the social regulation of gene expression, so that different genomic and epigenetic states of this brain network correspond to different behavioural states, and the switches between states are orchestrated by signalling pathways that interface the social environment and the genotype. Different types of social plasticity can be recognized based on the observed patterns of inter- versus intra-individual occurrence, time scale and reversibility. It is proposed that these different types of social plasticity rely on different proximate mechanisms at the physiological, neural and genomic level.

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.

Stickleback F2 generation transgenerational plasticity experiment: egg and body size data

Nongenetic inheritance mechanisms such as transgenerational plasticity (TGP) can buffer populations against rapid environmental change such as ocean warming. Yet, little is known about how long these effects persist and whether they are cumulative over generations. Here, we tested for adaptive TGP in response to simulated ocean warming across parental and grandparental generations of marine sticklebacks. Grandparents were acclimated for two months during reproductive conditioning, whereas parents experienced developmental acclimation, allowing us to compare the fitness consequences of short-term vs. prolonged exposure to elevated temperature across multiple generations. We found that reproductive output of F1 adults was primarily determined by maternal developmental temperature, but carry-over effects from grandparental acclimation environments resulted in cumulative negative effects of elevated temperature on hatching success. In very early stages of growth, F2 offspring reached larger sizes in their respective paternal and grandparental environment down the paternal line, suggesting that other factors than just the paternal genome may be transferred between generations. In later growth stages, maternal and maternal granddam environments strongly influenced offspring body size, but in opposing directions, indicating that the mechanism(s) underlying the transfer of environmental information may have differed between acute and developmental acclimation experienced by the two generations. Taken together, our results suggest that the fitness consequences of parental and grandparental TGP are highly context dependent, but will play an important role in mediating some of the impacts of rapid climate change in this system.

Development of a plasticity bond model for reinforced concrete : theory and validation for monotonic applications /

Cover title.

On the variational principles of plasticity.

At head of title: Office of Naval Research, Contract N7onr-358 T.O.1 NR-041-032.

Elasticity and plasticity.

Mode of access: Internet.

Bibliography on plasticity, theory and application; chronological order, subject index, author index.

Mode of access: Internet.

Topographic plasticity in primary visual cortex is mediated by local corticocortical connections

The placement of monocular laser lesions in the adult cat retina produces a lesion projection zone (LPZ) in primary visual cortex (V1) in which the majority of neurons have a normally located receptive field (RF) for stimulation of the intact eye and an ectopically located RF ( displaced to intact retina at the edge of the lesion) for stimulation of the lesioned eye. Animals that had such lesions for 14 - 85 d were studied under halothane and nitrous oxide anesthesia with conventional neurophysiological recording techniques and stimulation of moving light bars. Previous work suggested that a candidate source of input, which could account for the development of the ectopic RFs, was long-range horizontal connections within V1. The critical contribution of such input was examined by placing a pipette containing the neurotoxin kainic acid at a site in the normal V1 visual representation that overlapped with the ectopic RF recorded at a site within the LPZ. Continuation of well defined responses to stimulation of the intact eye served as a control against direct effects of the kainic acid at the LPZ recording site. In six of seven cases examined, kainic acid deactivation of neurons at the injection site blocked responsiveness to lesioned-eye stimulation at the ectopic RF for the LPZ recording site. We therefore conclude that long-range horizontal projections contribute to the dominant input underlying the capacity for retinal lesion-induced plasticity in V1.

Predator-mediated phenotypic plasticity in tadpoles of the striped marsh frog, Limnodynastes peronii

We tested the phenotypic responses of larval striped marsh frogs (Limnodynastes peronii) to the odonate nymph predator, Aeshna brevistyla. When reared in the presence of dragonfly nymphs feeding upon conspecifics of L. peronii larvae the tadpoles showed a strong change in morphology. Morphological changes included an increase in total tail height, but also an unexpected marked change in head-body shape. In addition, we examined how tadpole development, as well as mass and length at metamorphosis, was affected by exposure to dragonfly nymphs. Larval development of L. peronii was strongly influenced by exposure to the predatory behaviour of dragonfly nymphs. Predator-induced tadpoles had significantly slower developmental rates than control larvae. Although metamorphs of non-exposed L. peronii were approximately 33% lighter than predator-exposed metamorphs and possessed lower jump distances, after adjusting for mass there was no difference in jump distance. The newly described morphological response may assist in more accurately relating morphological plasticity to fitness.

Alcohol-responsive genes in the frontal cortex and nucleus accumbens of human alcoholics

The molecular processes underlying alcohol dependence are not fully understood. Many characteristic behaviours result from neuroadaptations in the mesocorticolimbic system. In addition, alcoholism is associated with a distinct neuropathology. To elucidate the molecular basis of these features, we compared the RNA expression profile of the nucleus accumbens and prefrontal cortex of human brain from matched individual alcoholic and control cases using cDNA microarrays. Approximately 6% of genes with a marked alcohol response were common to the two brain regions. Alcohol-responsive genes were grouped into 11 functional categories. Predominant alcohol-responsive genes in the prefrontal cortex were those encoding DNA-binding proteins including transcription factors and repair proteins. There was also a down-regulation of genes encoding mitochondrial proteins, which could result in disrupted mitochondrial function and energy production leading to oxidative stress. Other alcohol-responsive genes in the prefrontal cortex were associated with neuroprotection/apoptosis. In contrast, in the nucleus accumbens, alcohol-responsive genes were associated with vesicle formation and regulation of cell architecture, which suggests a neuroadaptation to chronic alcohol exposure at the level of synaptic structure and function. Our data are in keeping with the previously reported alcoholism-related pathology characteristic of the prefrontal cortex, but suggest a persistent decrease in neurotransmission and changes in plasticity in the nucleus accumbens of the alcoholic.

Glycinergic and GABAergic synaptic activity differentially regulate motoneuron survival and skeletal muscle innervation

GABAergic and glycinergic synaptic transmission is proposed to promote the maturation and refinement of the developing CNS. Here we provide morphological and functional evidence that glycinergic and GABAergic synapses control motoneuron development in a region-specific manner during programmed cell death. In gephyrin-deficient mice that lack all postsynaptic glycine receptor and some GABA(A) receptor clusters, there was increased spontaneous respiratory motor activity, reduced respiratory motoneuron survival, and decreased innervation of the diaphragm. In contrast, limb-innervating motoneurons showed decreased spontaneous activity, increased survival, and increased innervation of their target muscles. Both GABA and glycine increased limb-innervating motoneuron activity and decreased respiratory motoneuron activity in wild-type mice, but only glycine responses were abolished in gephyrin-deficient mice. Our results provide genetic evidence that the development of glycinergic and GABAergic synaptic inputs onto motoneurons plays an important role in the survival, axonal branching, and spontaneous activity of motoneurons in developing mammalian embryos.

Structural plasticity in MS channels

Gating of the mechanosensitive channel MscS involves cooperative action of glycine and alanine residues along the pore-lining transmembrane helix. Opening of the channel is facilitated by an iris-like rotation and tilt of the pore-lining helices. Site-directed mutagenesis indicates that substantial structural plasticity can be tolerated by MscS without impairing its function.

Altitudinal variation in behavioural thermoregulation: Local adaptation vs. plasticity in California grasshoppers

We investigated the adaptive significance of behavioural thermoregulation in univoltine populations of the grasshopper Melanoplus sanguinipes along an altitudinal gradient in California using laboratory tests of animals raised under different temperatures. Trials consisted of continuous body temperature measurements with semi-implanted microprobes in a test arena, and observation and simultaneous recording of behavioural responses. These responses included mobility, basking and orientation of the body axes (aspect angle) towards a radiation source. Mobility and basking are determined by the altitudinal origin of the parental generation and not by the temperature treatments. With increasing altitude, individuals tend increasingly to raise body temperatures via mobility and increased basking. In contrast, body orientation towards the radiation source is influenced by the temperature treatments but not by the altitude of origin. Individuals experiencing higher temperatures during rearing show a lower tendency to lateral flanking. We conclude that body orientation responses are not adapted locally. In contrast other components of the behavioural syndrome that increase body temperature, such as mobility and basking, are adaptive in response to local selection pressure. The thermoregulatory syndrome of these grasshoppers is an important contribution to life-history adaptations that appropriately match season lengths.