Rôles physiologiques du transporteur vésiculaire du glutamate VGLUT2 dans les neurones dopaminergiques

Des travaux récents démontrent que certains neurones dopaminergiques du mésencéphale ont la capacité de libérer du glutamate en plus de la dopamine (DA). Ce phénomène de « co-transmission » requiert l’expression du transporteur vésiculaire du glutamate de type 2 (VGLUT2) dans les neurones dopaminergiques. Certaines observations montrent que l’expression de VGLUT2 dans les neurones dopaminergiques survient tôt durant leur développement et est essentiellement limitée aux neurones de l’aire tegmentaire ventrale (VTA). De plus, cette libération de glutamate se retrouve principalement au niveau des terminaisons de ces neurones dans le striatum ventral, mais pas dans le striatum dorsal. Ces données suggèrent d’une part un rôle développemental possible du glutamate dans les neurones dopaminergiques, et d’autre part, que les signaux dérivés des neurones cibles puissent réguler le double phénotype des neurones dopaminergiques menant ainsi à une plasticité phénotypique. Par ailleurs, il est toujours inconnu si cette libération de glutamate se fait à partir des terminaisons qui relâchent la DA ou à partir de terminaisons axonales distinctes. De plus, le rôle physiologique de ce surprenant phénomène de co-transmission reste également inconnu. Ainsi, dans cette étude, nous avons d’abord démontré in vitro et in vivo que l’expression de VGLUT2 est nécessaire pour la survie et la croissance d’une sous-population de neurones dopaminergiques. En utilisant une lignée de souris ayant une délétion génique spécifique de VGLUT2 dans les neurones dopaminergiques, nous avons observé une diminution du nombre de terminaisons dopaminergiques et glutamatergiques dans le striatum, une baisse de libération de DA dans le striatum ventral, une diminution de la coordination motrice ainsi qu’une diminution de l’activité locomotrice induite par les drogues d’abus. D’autre part, nous avons démontré in vitro et in vivo que les neurones dopaminergiques au double phénotype établissent des terminaisons distinctes afin de relâcher le glutamate et la DA. De plus, nous démontrons que ce phénomène de ségrégation des sites de libération semble être induit par une interaction avec les neurones du striatum ventral. Ces travaux démontrent le rôle physiologique déterminant de la co-transmission DA-glutamate pour l’homéostasie du système DAergique et dévoile une caractéristique fondamentale de l’établissement des terminaisons axonales de ces neurones. Ces travaux permettent ainsi de mieux comprendre les rôles physiologiques de la co-libération de glutamate par les neurones du système nerveux central et présentent une nouvelle perspective sur les dysfonctions potentielles de ces neurones dans les maladies du cerveau.

Early adversity, brain development and emotion processing in monozygotic twins

Il existe actuellement de nombreuses preuves démontrant que des facteurs génétiques et environnementaux interagissent pendant des périodes spécifiques du développement pour rendre une personne vulnérable aux troubles psychologiques via diverses adaptations physiologiques. Cette thèse porte sur l'impact de l’adversité prénatale (représentée par le petit poids à la naissance, PPN) et de l’adversité postnatale précoce (symptômes dépressifs maternels et comportements maternels négatifs), sur le développement du cerveau, particulièrement les régions fronto-limbiques impliquées dans le traitement des émotions, pendant l'enfance et l'adolescence. Des jumeaux monozygotes (MZ) sont utilisés, lorsque possible, afin de contrôler pour les effets génétiques. Les chapitres 1 et 2 présentent les résultats de la vérification de l'hypothèse que l’adversité prénatale et postnatale précoce sont associées à une altération du fonctionnement des régions fronto-limbique tels que l’amygdale, l’hippocampe, l’insula, le cortex cingulaire antérieur et le cortex préfrontal, en réponse à des stimuli émotifs chez des enfants et des adolescents. On observe que les symptômes dépressifs maternels sont associés à une activation plus élevée des régions fronto-limbiques des enfants en réponse à la tristesse. Les résultats de l’étude avec des adolescents suggèrent que le PPN, les symptômes dépressifs et les comportements maternels négatifs sont associés à une fonction altérée des régions fronto-limbiques en réponse à des stimuli émotionnels. Chez les jumeaux MZ on observe également que la discordance intra-paire de PPN et de certains comportements maternels est associée à une discordance intra-paire du fonctionnement du cerveau et que ces altérations diffèrent selon le sexe. Le chapitre 3 présente les résultats de la vérification de l'hypothèse que l’adversité prénatale et postnatale précoce sont associées à un volume total réduit du cerveau et de l’hypothèse que les comportements maternels peuvent servir de médiateur ou de modérateur de l'association entre le PPN et le volume du cerveau. Avec des jumeaux MZ à l’adolescence on observe a) que le PPN est effectivement associé à une diminution du volume total du cerveau et b) que la discordance intra-paire de PPN est associée à une discordance du volume du cerveau. En somme, cette thèse présente un ensemble de résultats qui soutiennent deux hypothèses importantes pour comprendre les effets de l’environnement sur le développement du cerveau : que l’environnement prénatal et postnatal précoce ont un impact sur le développement du cerveau indépendamment du code génétique et que les mécanismes impliqués peuvent différer entre les garçons et les filles. Finalement, l’ensemble de ces résultats sont discutés à la lumière des autres travaux de recherche dans ce domaine et des avenues à explorer pour de la recherche ultérieure sont proposées.

Mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans le développement des synapses GABAergiques périsomatiques et dans la plasticité corticale : rôle de l’activité neuronale et de proBDNF/p75NTR

Dans le cortex visuel des mammifères, une cellule à panier (BC) qui représente un sous-type majoritaire d’interneurones GABAergiques, innerve une centaine de neurones par une multitude de synapses localisées sur le soma et sur les dendrites proximales de chacune de ses cibles. De plus, ces cellules sont importantes pour la génération des rythmes gammas, qui régulent de nombreuses fonctions cognitives, et pour la régulation de la plasticité corticale. Bien que la fonction des BC au sein des réseaux corticaux est à l'étude, les mécanismes qui contrôlent le développement de leur arborisation complexe ainsi que de leurs nombreux contacts synaptiques n’ont pas été entièrement déterminés. En utilisant les récepteurs allatostatines couplés aux protéines G de la drosophile (AlstR), nous démontrons in vitro que la réduction de l'excitation ainsi que la réduction de la libération des neurotransmetteurs par les BCs corticales individuelles des souris, diminuent le nombre de cellules innervées sans modifier le patron d'innervation périsomatique, durant et après la phase de prolifération des synapses périsomatiques. Inversement, lors de la suppression complète de la libération des neurotransmetteurs par les BCs individuelles avec l’utilisation de la chaîne légère de la toxine tétanus, nous observons des effets contraires selon le stade de développement. Les BCs exprimant TeNT-Lc pendant la phase de prolifération sont caractérisées par des arborisations axonales plus denses et un nombre accru de petits boutons homogènes autour des somas innervés. Toutefois, les cellules transfectées avec TeNT-Lc après la phase de la prolifération forment une innervation périsomatique avec moins de branchements terminaux d’axones et un nombre réduit de boutons avec une taille irrégulière autour des somas innervés. Nos résultats révèlent le rôle spécifique des niveaux de l’activité neuronale et de la neurotransmission dans l'établissement du territoire synaptique des cellules GABAergiques corticaux. Le facteur neurotrophique dérivé du cerveau (BDNF) est un modulateur puissant de la maturation activité-dépendante des synapses GABAergiques. Grâce à l'activation et à la signalisation de son récepteur tyrosine kinase B (TrkB), la liaison de mBDNF module fortement la prolifération des synapses périsomatiques GABAergiques formés par les BCs. Par contre, le rôle du récepteur neurotrophique de faible affinité, p75NTR, dans le développement du territoire synaptique des cellules reste encore inconnu. Dans ce projet, nous démontrons que la suppression de p75NTR au niveau des BCs individuelles in vitro provenant de souris p75NTRlox induit la formation d'une innervation périsomatique exubérante. BDNF est synthétisé sous une forme précurseur, proBDNF, qui est par la suite clivée par des enzymes, y compris la plasmine activée par tPA, pour produire une forme mature de BDNF (m)BDNF. mBDNF et proBDNF se lient avec une forte affinité à TrkB et p75NTR, respectivement. Nos résultats démontrent qu’un traitement des cultures organotypiques avec la forme résistante au clivage de proBDNF (mut-proBDNF) réduit fortement le territoire synaptique des BCs. Les cultures traitées avec le peptide PPACK, qui inactive tPA, ou avec tPA altèrent et favorisent respectivement la maturation de l’innervation synaptique des BCs. Nous démontrons aussi que l’innervation exubérante formée par les BCs p75NTR-/- n’est pas affectée par un traitement avec mut-proBDNF. L’ensemble de ces résultats suggère que l'activation de p75NTR via proBDNF régule négativement le territoire synaptique des BCs corticaux. Nous avons ensuite examiné si mut-proBDNF affecte l’innervation périsomatique formée par les BCs in vivo, chez la souris adulte. Nous avons constaté que les boutons GABAergiques périsomatiques sont significativement diminués dans le cortex infusé avec mut-proBDNF par rapport à l’hémisphère non-infusé ou traité avec de la saline. En outre, la plasticité de la dominance oculaire (OD) est rétablie par ce traitement chez la souris adulte. Enfin, en utilisant des souris qui ne possèdent pas le récepteur p75NTR dans leurs BCs spécifiquement, nous avons démontré que l'activation de p75NTR via proBDNF est nécessaire pour induire la plasticité de la OD chez les souris adultes. L’ensemble de ces résultats démontre un rôle critique de l'activation de p75NTR dans la régulation et le maintien de la connectivité des circuits GABAergiques, qui commencent lors du développement postnatal précoce jusqu’à l'âge adulte. De plus, nous suggérons que l'activation contrôlée de p75NTR pourrait être un outil utile pour restaurer la plasticité dans le cortex adulte.

Assessment of motor symptoms and functional impact in prodromal and early Huntington disease.

The Functional Rating Scale Taskforce for pre-Huntington Disease (FuRST-pHD) is a multinational, multidisciplinary initiative with the goal of developing a data-driven, comprehensive, psychometrically sound, rating scale for assessing symptoms and functional ability in prodromal and early Huntington disease (HD) gene expansion carriers. The process involves input from numerous sources to identify relevant symptom domains, including HD individuals, caregivers, and experts from a variety of fields, as well as knowledge gained from the analysis of data from ongoing large-scale studies in HD using existing clinical scales. This is an iterative process in which an ongoing series of field tests in prodromal (prHD) and early HD individuals provides the team with data on which to make decisions regarding which questions should undergo further development or testing and which should be excluded. We report here the development and assessment of the first iteration of interview questions aimed to assess functional impact of motor manifestations in prHD and early HD individuals.

EEG activation differences in the pre-motor cortex and supplementary motor area between normal individuals with high and low traits of autism

The human mirror neuron system (hMNS) is believed to provide a basic mechanism for social cognition. Event-related desynchronization (ERD) in alpha (8–12 Hz) and low beta band (12–20 Hz) over sensori-motor cortex has been suggested to index mirror neurons' activity. We tested whether autistic traits revealed by high and low scores on the Autistic Quotient (AQ) in the normal population are linked to variations in the electroencephalogram (EEG) over motor, pre-motor cortex and supplementary motor area (SMA) during action observation. Results revealed that in the low AQ group, the pre-motor cortex and SMA were more active during hand action than static hand observation whereas in the high AQ group the same areas were active both during static and hand action observation. In fact participants with high traits of autism showed greater low beta ERD while observing the static hand than those with low traits and this low beta ERD was not significantly different when they watched hand actions. Over primary motor cortex, the classical alpha and low beta ERD during hand actions relative to static hand observation was found across all participants. These findings suggest that the observation–execution matching system works differently according to the degree of autism traits in the normal population and that this is differentiated in terms of the EEG according to scalp site and bandwidth.

The resting-state neurovascular coupling relationship: rapid changes in spontaneous neural activity in the somatosensory cortex are associated with haemodynamic fluctuations that resemble stimulus-evoked haemodynamics

Although promise exists for patterns of resting-state blood oxygen level-dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) brain connectivity to be used as biomarkers of early brain pathology, a full understanding of the nature of the relationship between neural activity and spontaneous fMRI BOLD fluctuations is required before such data can be correctly interpreted. To investigate this issue, we combined electrophysiological recordings of rapid changes in multi-laminar local field potentials from the somatosensory cortex of anaesthetized rats with concurrent two-dimensional optical imaging spectroscopy measurements of resting-state haemodynamics that underlie fluctuations in the BOLD fMRI signal. After neural ‘events’ were identified, their time points served to indicate the start of an epoch in the accompanying haemodynamic fluctuations. Multiple epochs for both neural ‘events’ and the accompanying haemodynamic fluctuations were averaged. We found that the averaged epochs of resting-state haemodynamic fluctuations taken after neural ‘events’ closely resembled the temporal profile of stimulus-evoked cortical haemodynamics. Furthermore, we were able to demonstrate that averaged epochs of resting-state haemodynamic fluctuations resembling the temporal profile of stimulus-evoked haemodynamics could also be found after peaks in neural activity filtered into specific electroencephalographic frequency bands (theta, alpha, beta, and gamma). This technique allows investigation of resting-state neurovascular coupling using methodologies that are directly comparable to that developed for investigating stimulus-evoked neurovascular responses.

The mirror neuron system as revealed through neonatal imitation: presence from birth, predictive power, and evidence of plasticity

There is strong evidence that neonates imitate previously unseen behaviors. These behaviors are predominantly used in social interactions, demonstrating neonates’ ability and motivation to engage with others. Research on neonatal imitation can provide a wealth of information about the early mirror neuron system (MNS): namely, its functional characteristics, its plasticity from birth, and its relation to skills later in development. Though numerous studies document the existence of neonatal imitation in the laboratory, little is known about its natural occurrence during parent-infant interactions and its plasticity as a consequence of experience. We review these critical aspects of imitation, which we argue are necessary for understanding the early action-perception system. We address common criticisms and misunderstandings about neonatal imitation and discuss methodological differences among studies. Recent work reveals that individual differences in neonatal imitation positively correlate with later social, cognitive, and motor development. We propose that such variation in neonatal imitation could reflect important individual differences of the MNS. Although postnatal experience is not necessary for imitation, we present evidence that neonatal imitation is influenced by experience in the first week of life.

The plasticity of the mirror system: how reward learning modulates cortical motor simulation of others

Cortical motor simulation supports the understanding of others' actions and intentions. This mechanism is thought to rely on the mirror neuron system (MNS), a brain network that is active both during action execution and observation. Indirect evidence suggests that alpha/beta suppression, an electroencephalographic (EEG) index of MNS activity, is modulated by reward. In this study we aimed to test the plasticity of the MNS by directly investigating the link between alpha/beta suppression and reward. 40 individuals from a general population sample took part in an evaluative conditioning experiment, where different neutral faces were associated with high or low reward values. In the test phase, EEG was recorded while participants viewed videoclips of happy expressions made by the conditioned faces. Alpha/beta suppression (identified using event-related desynchronisation of specific independent components) in response to rewarding faces was found to be greater than for non-rewarding faces. This result provides a mechanistic insight into the plasticity of the MNS and, more generally, into the role of reward in modulating physiological responses linked to empathy.

Transdural motor cortex stimulation reverses neuropathic pain in rats: A profile of neuronal activation

Motor cortex stimulation (MCS) has been used to treat patients with neuropathic pain resistant to other therapeutic approaches; however, the mechanisms of pain control by MCS are still not clearly understood. We have demonstrated that MCS increases the nociceptive threshold of naive conscious rats, with opioid participation. In the present study, the effect of transdural MCS on neuropathic pain in rats subjected to chronic constriction injury of the sciatic nerve was investigated. In addition, the pattern of neuronal activation, evaluated by Fos and Zif268 immunolabel, was performed in the spinal cord and brain sites associated with the modulation of persistent pain. MCS reversed the mechanical hyperalgesia and allodynia induced by peripheral neuropathy. After stimulation, Fos immunoreactivity (Fos-IR) decreased in the dorsal horn of the spinal cord and in the ventral posterior lateral and medial nuclei of the thalamus, when compared to animals with neuropathic pain. Furthermore, the MCS increased the Fos-IR in the periaqueductal gray, the anterior cingulate cortex and the central and basolateral amygdaloid nuclei. Zif268 results were similar to those obtained for Fos, although no changes were observed for Zif268 in the anterior cingulate cortex and the central amygdaloid nucleus after MCS. The present findings suggest that MCS reverts neuropathic pain phenomena in rats, mimicking the effect observed in humans, through activation of the limbic and descending pain inhibitory systems. Further investigation of the mechanisms involved in this effect may contribute to the improvement of the clinical treatment of persistent pain. (c) 2010 European Federation of International Association for the Study of Pain Chapters. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Moderate exercise changes synaptic and cytoskeletal proteins in motor regions of the rat brain

Physical exercise is known to enhance brain function in several aspects. We evaluated the acute effects of a moderate forced exercise protocol on synaptic proteins, namely synapsin 1 (SYN) and synaptophysin (SYP), and structural proteins (neurofilaments, NFs) in rat brain regions related to motor function and often affected by neurodegenerative disorders. Immunohistochemistry, Western blotting and real-time PCR were used to analyze the expression of those proteins after 3, 7 and 15 days of exercise (EX3, EX7 and EX15). In the cerebellum, increase of SYN was observed at EX7 and EX15 and of NF68 at EX3. In the substantia nigra, increases of protein levels were observed for NF68 and NF160 at EX3. In the striatum, there was an increase of SYN at EX3 and EX7, of SYP at EX7 and of NF68 at EX3. In the cortex, decreased levels of NF68 and NF160 were observed at EX3, followed by an increase of NF68 at EX15. In the reticular formation, all NF proteins were increased at EX15. The mRNA data for each time-point and region also revealed significant exercise-related changes of SYN, SYP and NF expression. These results suggest that moderate physical exercise modulates synaptic and structural proteins in motor brain areas, which may play an important role in the exercise-dependent brain plasticity. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Environmental modulation of ethanol-induced locomotor activity: Correlation with neuronal activity in distinct brain regions of adolescent and adult Swiss mice

Drug abuse is a concerning health problem in adults and has been recognized as a major problem in adolescents. induction of immediate-early genes (IEG), such as c-Fos or Egr-1, is used to identify brain areas that become activated in response to various stimuli, including addictive drugs. It is known that the environment can alter the response to drugs of abuse. Accordingly, environmental cues may trigger drug-seeking behavior when the drug is repeatedly administered in a given environment. The goal of this study was first to examine for age differences in context-dependent sensitization and then evaluate IEG expression in different brain regions. For this, groups of mice received i.p. ethanol (2.0 g/kg) or saline in the test apparatus, while other groups received the solutions in the home cage, for 15 days. One week after this treatment phase, mice were challenged with ethanol injection. Acutely, ethanol increased both locomotor activity and IEG expression in different brain regions, indistinctly, in adolescent and adult mice. However, adults exhibited a typical context-dependent behavioral sensitization following repeated ethanol treatment, while adolescent mice presented gradually smaller locomotion across treatment, when ethanol was administered in a paired regimen with environment. Conversely, ethanol-treated adolescents expressed context-independent behavioral sensitization. Overall, repeated ethanol administration desensitized IEG expression in both adolescent and adult mice, but this effect was greatest in the nucleus accumbens and prefrontal cortex of adolescents treated in the context-dependent paradigm. These results suggest developmental differences in the sensitivity to the conditioned and unconditioned locomotor effects of ethanol. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Deiodinase-mediated thyroid hormone inactivation minimizes thyroid hormone signaling in the early development of fetal skeleton

Thyroid hormone (TH) plays a key role on post-natal bone development and metabolism, while its relevance during fetal bone development is uncertain. To Study this, pregnant once were made hypothyroid and fetuses harvested at embryonic days (E) 12.5, 14.5, 16.5 and 18.5. Despite a marked reduction in fetal tissue concentration of both T4 and T3, bone development, as assessed at the distal epiphyseal growth plate of the femur and vertebra, was largely preserved Lip to E16.5. Only at E18.5, the hypothyroid fetuses exhibited a reduction in femoral type I and type X collagen and osteocalcin mRNA levels, in the length and area of the proliferative and hypertrophic zones, in the number of chondrocytes per proliferative column, and in the number of hypertrophic chondrocyres, in addition to a slight delay in endochondral and intramembranous ossification. This Suggests that LIP to E 16.5, thyroid hormone signaling in bone is kept to a minimum. In fact, measuring the expression level of the activating and inactivating iodothyronine deiodinases (D2 and D3) helped understand how this is achieved. D3 mRNA was readily detected as early as E14.5 and its expression decreased markedly (similar to 10-fold) at E18.5, and even more at 14 days after birth (P14). In contrast. D2 mRNA expression increased significantly by E18.5 and markedly (similar to 2.5-fold) by P14. The reciprocal expression levels of D2 and D3 genes during early bone development along with the absence of a hypothyroidism-induced bone phenotype at this time Suggest that coordinated reciprocal deiodinase expression keeps thyroid hormone signaling in bone to very low levels at this early stage of bone development. (c) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Sonic hedgehog signaling regulates mode of cell division of early cerebral cortex progenitors and increases

The morphogen Sonic Hedgehog (SHH) plays a critical role in the development of different tissues. In the central nervous system, SHH is well known to contribute to the patterning of the spinal cord and separation of the brain hemispheres. In addition, it has recently been shown that SHH signaling also contributes to the patterning of the telencephalon and establishment of adult neurogenic niches. In this work, we investigated whether SHH signaling influences the behavior of neural progenitors isolated from the dorsal telencephalon, which generate excitatory neurons and macroglial cells in vitro. We observed that SHH increases proliferation of cortical progenitors and generation of astrocytes, whereas blocking SHH signaling with cyclopamine has opposite effects. In both cases, generation of neurons did not seem to be affected. However, cell survival was broadly affected by blockade of SHH signaling. SHH effects were related to three different cell phenomena: mode of cell division, cell cycle length and cell growth. Together, our data in vitro demonstrate that SHH signaling controls cell behaviors that are important for proliferation of cerebral cortex progenitors, as well as differentiation and survival of neurons and astroglial cells.

Early Pancreas Transplant Improves Motor Nerve Conduction in Alloxan-Induced Diabetic Rats

The purpose of this study was to assess the temporal relationship between pancreas transplant and the development of electrophysiological changes in the sciatic and caudal nerves of alloxan-induced diabetic rats. Nerve conduction studies were performed in diabetic rats subjected to pancreas transplantation at 4, 12, and 24 weeks after diabetes onset, using nondiabetic and untreated diabetic rats as controls. Nerve conduction data were significantly altered in untreated diabetic control rats up to 48 weeks of follow-up in all time points. Rats subjected to pancreas transplantation up to 4 and 12 weeks after diabetes onset had significantly increased motor nerve conduction velocity with improvement of wave amplitude, distal latency, and temporal dispersion of compound muscle action potential in all follow-up periods (P<0.05); these parameters remained abnormal when pancreas transplantation were performed late at 24 weeks. Our results suggest that early pancreas transplant (at 4-12 weeks) may be effective in controlling diabetic neuropathy in this in vivo model.

Activity of the Ovarian Germinal Epithelium in the Freshwater Catfish, Pimelodus maculatus (Teleostei: Ostariophysi: Siluriformes): Germline Cysts, Follicle Formation and Oocyte Development

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)