Layer-specific programs of development in neocortical projection neurons.

How are long-range axonal projections from the cerebral cortex orchestrated during development? By using both passively and actively transported axonal tracers in fetal and postnatal ferrets, we have analyzed the development of projections from the cortex to a number of thalamic nuclei. We report that the projections of a cortical area to its corresponding thalamic nuclei follow highly cell-specific programs of development. Axons from cells in the deepest layers of the cerebral cortex (layer 6 and superficial subplate neurons) appear to grow very slowly and be delayed for several weeks in the cerebral white matter, reaching the thalamus over a protracted period. Neurons of layer 5, on the other hand, develop their projections much faster; despite being born after the neurons of deeper layers, layer 5 neurons are the first to extend their axons out of the cortical hemisphere and innervate the thalamus. Layer 5 projections are massive in the first postnatal weeks but may become partly eliminated later in development, being overtaken in number by layer 6 cells that constitute the major corticothalamic projection by adulthood. Layer 5 projections are area-specific from the outset and arise as collateral branches of axons directed to the brainstem and spinal cord. Our findings show that the early development of corticofugal connections is determined not by the sequence of cortical neurogenesis but by developmental programs specific for each type of projection neuron. In addition, they demonstrate that in most thalamic nuclei, layer 5 neurons (and not subplate or layer 6 neurons) establish the first descending projections from the cerebral cortex.

A nerve growth factor peptide retards seizure development and inhibits neuronal sprouting in a rat model of epilepsy.

Kindling, an animal model of epilepsy wherein seizures are induced by subcortical electrical stimulation, results in the upregulation of neurotrophin mRNA and protein in the adult rat forebrain and causes mossy fiber sprouting in the hippocampus. Intraventricular infusion of a synthetic peptide mimic of a nerve growth factor domain that interferes with the binding of neurotrophins to their receptors resulted in significant retardation of kindling and inhibition of mossy fiber sprouting. These findings suggest a critical role for neurotrophins in both kindling and kindling-induced synaptic reorganization.

Sequence-specific inhibition of human immunodeficiency virus (HIV) reverse transcription by antisense oligonucleotides: comparative study in cell-free assays and in HIV-infected cells.

We have investigated two regions of the viral RNA of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) as potential targets for antisense oligonucleotides. An oligodeoxynucleotide targeted to the U5 region of the viral genome was shown to block the elongation of cDNA synthesized by HIV-1 reverse transcriptase in vitro. This arrest of reverse transcription was independent of the presence of RNase H activity associated with the reverse transcriptase enzyme. A second oligodeoxynucleotide targeted to a site adjacent to the primer binding site inhibited reverse transcription in an RNase H-dependent manner. These two oligonucleotides were covalently linked to a poly(L-lysine) carrier and tested for their ability to inhibit HIV-1 infection in cell cultures. Both oligonucleotides inhibited virus production in a sequence- and dose-dependent manner. PCR analysis showed that they inhibited proviral DNA synthesis in infected cells. In contrast, an antisense oligonucleotide targeted to the tat sequence did not inhibit proviral DNA synthesis but inhibited viral production at a later step of virus development. These experiments show that antisense oligonucleotides targeted to two regions of HIV-1 viral RNA can inhibit the first step of viral infection--i.e., reverse transcription--and prevent the synthesis of proviral DNA in cell cultures.

Inhibition of selective signaling events in natural killer cells recognizing major histocompatibility complex class I.

Many studies have characterized the transmembrane signaling events initiated after T-cell antigen receptor recognition of major histocompatibility complex (MHC)-bound peptides. Yet, little is known about signal transduction from a set of MHC class I recognizing receptors on natural killer (NK) cells whose ligation dramatically inhibits NK cell-mediated killing. In this study we evaluated the influence of MHC recognition on the proximal signaling events in NK cells binding tumor targets. We utilized two experimental models where NK cell-mediated cytotoxicity was fully inhibited by the recognition of specific MHC class I molecules. NK cell binding to either class I-deficient or class I-transfected target cells initiated rapid protein tyrosine kinase activation. In contrast, whereas NK cell binding to class I-deficient targets led to inositol phosphate release and increased intracellular free calcium ([Ca2+]i), NK recognition of class I-bearing targets did not induce the activation of these phospholipase C-dependent signaling events. The recognition of class I by NK cells clearly had a negative regulatory effect since blocking this interaction using anti-class I F(ab')2 fragments increased inositol 1,4,5-trisphosphate release and [Ca2+]i and increased the lysis of the targets. These results suggest that one of the mechanisms by which NK cell recognition of specific MHC class I molecules can block the development of cell-mediated cytotoxicity is by inhibiting specific critical signaling events.

Positron-emission tomography studies of cross-modality inhibition in selective attentional tasks: closing the "mind's eye".

It is a familiar experience that we tend to close our eyes or divert our gaze when concentrating attention on cognitively demanding tasks. We report on the brain activity correlates of directing attention away from potentially competing visual processing and toward processing in another sensory modality. Results are reported from a series of positron-emission tomography studies of the human brain engaged in somatosensory tasks, in both "eyes open" and "eyes closed" conditions. During these tasks, there was a significant decrease in the regional cerebral blood flow in the visual cortex, which occurred irrespective of whether subjects had to close their eyes or were instructed to keep their eyes open. These task-related deactivations of the association areas belonging to the nonrelevant sensory modality were interpreted as being due to decreased metabolic activity. Previous research has clearly demonstrated selective activation of cortical regions involved in attention-demanding modality-specific tasks; however, the other side of this story appears to be one of selective deactivation of unattended areas.

Prenatal monocular enucleation induces a selective loss of low-spatial-frequency cortical responses to the remaining eye.

During early development, interactions between the two eyes are critical in the formation of eye-specific domains within the lateral geniculate nucleus and the visual cortex. When monocular enucleation is done early in prenatal life, it induces remarkable anatomical and functional reorganizations of the visual pathways. Behavioral data have shown a loss in sensitivity to low-spatial-frequency gratings in cats. To correlate the behavioral observations with a possible change in the analysis of contrast at the level of primary visual areas we recorded visual evoked potentials at the 17/18 border in two cats enucleated prenatally (gestational age at enucleation, 39-42 days), three neonatal, two control animals, and one animal with a surgical removal of Y-ganglion fibers. Our results show a strong attenuation in the amplitude of response at all contrast values for gratings of low spatial frequency in prenatally enucleated cats, whereas neonatally enucleated and control animals present responses of comparable amplitude. We conclude that the behavioral results reflect the reduced sensitivity for low frequencies of visual cortical neurons. In addition, we define a critical period for the development of the contrast-sensitivity function that seems to be limited to the prenatal gestation period. We suggest that the prenatal interruption of binocular interactions leads to a functional elimination of the Y-ganglion system.

Proactive and reactive inhibition during overt and covert actions. An electrical neuroimaging study.

Response inhibition is the ability to suppress inadequate but automatically activated, prepotent or ongoing response tendencies. In the framework of motor inhibition, two distinct operating strategies have been described: “proactive” and “reactive” control modes. In the proactive modality, inhibition is recruited in advance by predictive signals, and actively maintained before its enactment. Conversely, in the reactive control mode, inhibition is phasically enacted after the detection of the inhibitory signal. To date, ample evidence points to a core cerebral network for reactive inhibition comprising the right inferior frontal gyrus (rIFG), the presupplementary motor area (pre-SMA) and the basal ganglia (BG). Moreover, fMRI studies showed that cerebral activations during proactive and reactive inhibition largely overlap. These findings suggest that at least part of the neural network for reactive inhibition is recruited in advance, priming cortical regions in preparation for the upcoming inhibition. So far, proactive and reactive inhibitory mechanisms have been investigated during tasks in which the requested response to be stopped or withheld was an “overt” action execution (AE) (i.e., a movement effectively performed). Nevertheless, inhibitory mechanisms are also relevant for motor control during “covert actions” (i.e., potential motor acts not overtly performed), such as motor imagery (MI). MI is the conscious, voluntary mental rehearsal of action representations without any overt movement. Previous studies revealed a substantial overlap of activated motor-related brain networks in premotor, parietal and subcortical regions during overtly executed and imagined movements. Notwithstanding this evidence for a shared set of cerebral regions involved in encoding actions, whether or not those actions are effectively executed, the neural bases of motor inhibition during MI, preventing covert action from being overtly performed, in spite of the activation of the motor system, remain to be fully clarified. Taking into account this background, we performed a high density EEG study evaluating cerebral mechanisms and their related sources elicited during two types of cued Go/NoGo task, requiring the execution or withholding of an overt (Go) or a covert (MI) action, respectively. The EEG analyses were performed in two steps, with different aims: 1) Analysis of the “response phase” of the cued overt and covert Go/NoGo tasks, for the evaluation of reactive inhibitory control of overt and covert actions. 2) Analysis of the “preparatory phase” of the cued overt and covert Go/NoGo EEG datasets, focusing on cerebral activities time-locked to the preparatory signals, for the evaluation of proactive inhibitory mechanisms and their related neural sources. For these purposes, a spatiotemporal analysis of the scalp electric fields was applied on the EEG data recorded during the overt and covert Go/NoGo tasks. The spatiotemporal approach provide an objective definition of time windows for source analysis, relying on the statistical proof that the electric fields are different and thus generated by different neural sources. The analysis of the “response phase” revealed that key nodes of the inhibitory circuit, underpinning inhibition of the overt movement during the NoGo response, were also activated during the MI enactment. In both cases, inhibition relied on the activation of pre-SMA and rIFG, but with different temporal patterns of activation in accord with the intended “covert” or “overt” modality of motor performance. During the NoGo condition, the pre-SMA and rIFG were sequentially activated, pointing to an early decisional role of pre-SMA and to a later role of rIFG in the enactment of inhibitory control of the overt action. Conversely, a concomitant activation of pre-SMA and rIFG emerged during the imagined motor response. This latter finding suggested that an inhibitory mechanism (likely underpinned by the rIFG), could be prewired into a prepared “covert modality” of motor response, as an intrinsic component of the MI enactment. This mechanism would allow the rehearsal of the imagined motor representations, without any overt movement. The analyses of the “preparatory phase”, confirmed in both overt and covert Go/NoGo tasks the priming of cerebral regions pertaining to putative inhibitory network, reactively triggered in the following response phase. Nonetheless, differences in the preparatory strategies between the two tasks emerged, depending on the intended “overt” or “covert” modality of the possible incoming motor response. During the preparation of the overt Go/NoGo task, the cue primed the possible overt response programs in motor and premotor cortex. At the same time, through preactivation of a pre-SMA-related decisional mechanism, it triggered a parallel preparation for the successful response selection and/or inhibition during the subsequent response phase. Conversely, the preparatory strategy for the covert Go/NoGo task was centred on the goal-oriented priming of an inhibitory mechanism related to the rIFG that, being tuned to the instructed covert modality of the motor performance and instantiated during the subsequent MI enactment, allowed the imagined response to remain a potential motor act. Taken together, the results of the present study demonstrate a substantial overlap of cerebral networks activated during proactive recruitment and subsequent reactive enactment of motor inhibition in both overt and covert actions. At the same time, our data show that preparatory cues predisposed ab initio a different organization of the cerebral areas (in particular of the pre-SMA and rIFG) involved with sensorimotor transformations and motor inhibitory control for executed and imagined actions. During the preparatory phases of our cued overt and covert Go/NoGo tasks, the different adopted strategies were tuned to the “how” of the motor performance, reflecting the intended overt and covert modality of the possible incoming action.

Caracterização do potencial evocado auditivo cortical P1-N1-P2 em crianças com estimulação bimodal

Introdução: O implante coclear (IC) amplamente aceito como forma de intervenção e (re) habilitação nas perdas auditivas severas e profundas nas diversas faixas etárias. Contudo observa-se no usuário do IC unilateral queixas como localização e compreensão sonora em meio ao ruído, gerado pelo padrão anormal de estimulação sensorial. A fim de fornecer os benefícios da audição binaural, é preconizado a estimulação bilateral, seja por meio do IC bilateral ou com a adaptação de um aparelho de amplificação sonora individual (AASI) contralateralmente ao IC. Esta última condição é referida como estimulação bimodal, quando temos, concomitantemente dois modos de estimulação: Elétrica (IC) e acústica (AASI). Não há dados suficientes na literatura voltados à população infantil que esclareça ou demonstre o desenvolvimento do córtex auditivo na audição bimodal. Ressalta-se que não foram encontrados estudos em crianças. Objetivo: Caracterizar o PEAC complexo P1, N1 P2 em usuários da estimulação bimodal e verificar se há correlação com testes de percepção de fala. Metodologia: Estudo descritivo de séries de casos, com a realização do PEAC em cinco crianças usuárias da estimulação bimodal, a partir da metodologia proposta por Ventura (2008) utilizando o sistema Smart EP USB Jr da Intelligent Hearing Systems. Foi utilizado o som de fala /da/, apresentado em campo livre. O exame será realizado em três situações: Somente IC, IC e AASI e somente AASI. A análise dos dados dos potenciais corticais foi realizada após a marcação da presença ou ausência dos componentes do complexo P1-N1-P2 por dois juízes com experiência em potenciais evocados. Resultados: Foi obtida a captação do PEAC em todas as crianças em todas as situações de teste, além do que foi possível observar a correlação destes com os testes de percepção auditiva da fala. Foi possível verificar que o registro dos PEAC é um procedimento viável para a avaliação da criança com estimulação bimodal, porém, ainda não há dados suficientes quanto a utilização deste para a avaliação e indicação do IC bilateral.

Development of a magnetic resonance compatible wrist device for the analysis of movement encoding in the brain

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016

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.

Investigation du rôle de Myo9b dans la migration des interneurones GABAergiques corticaux

Les encéphalopathies épileptogènes sont des maladies graves de l’enfance associant une épilepsie, souvent réfractaire, et un retard de développement. Les mécanismes sous-tendant ces maladies sont peu connus. Cependant, nous postulons que ces épilepsies puissent être causées par une dysfonction du réseau inhibiteur. En effet, des défauts de migration ou de maturation des interneurones GABAergiques (INs) corticaux induisent l’épilepsie, tant chez l’humain que chez la souris. Dans le but d’étudier les causes génétiques des encéphalopathies épileptogènes sporadiques inexpliquées, le laboratoire de la Dre Rossignol a procédé au séquençage d’exome entier d’une cohorte d’enfants atteints. Cela a permis d’identifier, chez un patient, une nouvelle mutation de novo, possiblement pathogène, dans le gène MYO9b. MYO9b est impliqué dans la migration de cellules immunitaires et cancéreuses et est exprimée durant le développement cérébral. Nous émettons l’hypothèse voulant que MYO9b puisse être importante pour la migration des INs corticaux. Les résultats présentés dans ce mémoire démontrent que Myo9b est exprimé dès le stade embryonnaire par les progéniteurs des INs corticaux et que son expression se restreint aux INs dans le cortex mature. De plus, nous démontrons que la répression ex vivo de Myo9b sélectivement dans les INs au sein de tranches corticales organotypiques embryonnaires mène à des défauts morphologiques majeurs de ces cellules en migration. En effet, ces cellules présentent une morphologie multipolaire et des neurites rostraux plus longs et plus complexes. Ces changements morphologiques pourraient avoir un impact majeur sur la migration des INs et ainsi perturber le développement des réseaux inhibiteurs.

Opposing RA and FGF signals control proximodistal vertebrate limb development through regulation of Meis genes.

Vertebrate limbs develop in a temporal proximodistal sequence, with proximal regions specified and generated earlier than distal ones. Whereas considerable information is available on the mechanisms promoting limb growth, those involved in determining the proximodistal identity of limb parts remain largely unknown. We show here that retinoic acid (RA) is an upstream activator of the proximal determinant genes Meis1 and Meis2. RA promotes proximalization of limb cells and endogenous RA signaling is required to maintain the proximal Meis domain in the limb. RA synthesis and signaling range, which initially span the entire lateral plate mesoderm, become restricted to proximal limb domains by the apical ectodermal ridge (AER) activity following limb initiation. We identify fibroblast growth factor (FGF) as the main molecule responsible for this AER activity and propose a model integrating the role of FGF in limb cell proliferation, with a specific function in promoting distalization through inhibition of RA production and signaling.

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 insulin-like growth factor II and its receptor in mouse preimplantation development

Insulin-like growth factor II (IGF-II) and its receptor, the IGF-II/mannose-6-phosphate (IGF-II/M6P) receptor, are first expressed from the zygotic genome at the two-cell stage of mouse development. However, their role is not clearly defined. Insulin-like growth factor II is believed to mediate growth through the heterologous type 1 IGF and insulin receptors, whereas the IGF-II/M6P receptor is believed to act as a negative regulator of somatic growth by limiting the availability of excess levels of IGF-II. These studies demonstrate that IGF-II does have a role in growth regulation in the early embryo through the IGF-II/M6P receptor. Insulin-like growth factor II stimulated cleavage rate in two-cell embryos in vitro. Moreover, this receptor is required for the glycaemic response of two-cell embryos to IGF-II and for normal progression of early embryos to the blastocyst stage. Improved development of embryos in crowded culture supports the concept of an endogenous embryonic paracrine activity that enhances cell proliferation. These responses indicate that the IGF-II/M6P receptor is functional and likely to participate in such a regulatory circuit. The functional role of IGF-II and its receptor is discussed with reference to regulation of early development.