Estudi dinàmic i manipulació de fluxos en monocapes de Langmuir de molècules fotosensibles

Durant el període de gaudiment de la beca, des del dia 9 de març del 2007 fins el dia 8 de març del 2010, s’han dut a terme diferents tipus d’experiments amb sistemes bidimensionals com són les monocapes de Langmuir. Inicialment es va començar per l’estudi i la caracterització d’aquests sistemes experimentals, tant en repòs com en dinàmic, com és l’estudi de la reposta col•lectiva molecular de dominis d’un azoderivat fotosensible al rotar el pla de polarització mentre es mante sota il•luminació constant i els estudis de sistemes bidimensionals al collapse que es poden relacionar a les propietats viscoplàstiques dels sòlids. Una altra via d’estudi és la reologia d’aquests sistemes bidimensionals quan flueixen a través de canals. Arrel del sistema experimental més simple, una monocapa fluint per un canal, s’ha observat i estudiat l’efecte coll d’ampolla. Un cop assolit i estudiat el sistema més senzill, s’han aplicat tècniques més complexes de fabricació per fotolitografia per fer fluir monocapes de Langmuir per circuits on hi ha un gran contrast de mullat. Un cop aquests circuits es van implementar satisfactòriament en un sistema pel control de fluxos bidimensionals, es posen de manifest les possibles aplicacions futures d’aquests sistemes per l’estudi i el desenvolupament de la microfluídica bidimensional.

White matter maturation reshapes structural connectivity in the late developing human brain.

From toddler to late teenager, the macroscopic pattern of axonal projections in the human brain remains largely unchanged while undergoing dramatic functional modifications that lead to network refinement. These functional modifications are mediated by increasing myelination and changes in axonal diameter and synaptic density, as well as changes in neurochemical mediators. Here we explore the contribution of white matter maturation to the development of connectivity between ages 2 and 18 y using high b-value diffusion MRI tractography and connectivity analysis. We measured changes in connection efficacy as the inverse of the average diffusivity along a fiber tract. We observed significant refinement in specific metrics of network topology, including a significant increase in node strength and efficiency along with a decrease in clustering. Major structural modules and hubs were in place by 2 y of age, and they continued to strengthen their profile during subsequent development. Recording resting-state functional MRI from a subset of subjects, we confirmed a positive correlation between structural and functional connectivity, and in addition observed that this relationship strengthened with age. Continuously increasing integration and decreasing segregation of structural connectivity with age suggests that network refinement mediated by white matter maturation promotes increased global efficiency. In addition, the strengthening of the correlation between structural and functional connectivity with age suggests that white matter connectivity in combination with other factors, such as differential modulation of axonal diameter and myelin thickness, that are partially captured by inverse average diffusivity, play an increasingly important role in creating brain-wide coherence and synchrony.

Angiotensinergic neurotransmission in the peripheral autonomic nervous system.

Angiotensin (Ang) II has for long been identified as a neuropeptide located within neurons and pathways of the central nervous system involved in the control of thirst and cardio-vascular homeostasis. The presence of Ang II in ganglionic neurons of celiac, dorsal root, and trigeminal ganglia has only recently been described in humans and rats. Ang II-containing fibers were also found in the mesenteric artery and the heart, together with intrinsic Ang II-containing cardiac neurons. Ganglionic neurons express angiotensinogen and co-localize it with Ang II. Its intraneuronal production as a neuropeptide appears to involve angiotensinogen processing enzymes other than renin. Immunocytochemical and gene expression data suggest that neuronal Ang II acts as a neuromodulatory peptide and co-transmitter in the peripheral autonomic, and also sensory nervous system. Neuronal Ang II probably competes with humoral Ang II for effector cell activation. Its functional role, however, still remains to be determined. Angiotensinergic neurotransmission in the autonomic nervous system is a potential new target for therapeutic interventions in many common diseases such as essential hypertension, heart failure, and cardiac arrhythmia.

Diseño y desarrollo de un equipo de caracterización de ISFET para la medida de analitos iónicos

En este proyecto se desarrolla una unidad de medida para investigar la cuantificación de la concentración de analitos iónicos en análisis clínico mediante sensores ISFET. Para su desarrollo se precisa de un elemento que simule el comportamiento de un ISFET por lo que también se desarrolla un simulador de ISFET. Para realizar la unidad de medida se diseñan unos circuitos SMU que permiten polarizar en tensión y medir la corriente de cada terminal de un ISFET y del electrodo de referencia que actúa de puerta. El simulador se realiza con un MOSFET de la misma geometría que el ISFET y dos generadores de tensión programables. Desarrollados y validados los circuitos correspondientes, obtenemos unos excelentes resultados en el simulador que se revela de gran utilidad para la puesta en marcha de la unidad de medida, la cual ofrece unos resultados bastante buenos, si bien se aprecian ciertas corrientes de fuga que no permiten alcanzar toda la exactitud que se pretendía. Ello es debido a los circuitos impresos que deberán ser mejorados hasta conseguir la exactitud deseada. Sin embargo pueden darse por válidos los circuitos de medida diseñados.

Desfasador de dos estats

El projecte es basa en el disseny i la fabricació d’un circuit desfasador, amb una entrada i una sortida, que commuta entre dos estats, un estat amb desfasament de 180º i l’altre sense desfasament. El circuit es dissenya amb microstrip,per una fc=5GHz. S’intenten obtenir les millors característiques per aquest disseny, és a dir, bon ample de banda i pèrdues per inserció baixes, acompanyat d’una bona resposta en les relacions de magnitud i fase. Es segueixen diferents etapes de disseny, on es comença per un model simple i s’avança en complexitat, afegint els nous components que acabaran conformant el circuit final. Després del disseny es passa a la fabricació del circuit, per veure el seu funcionament real. La memòria recull i ordena la informació obtinguda a través d’aquest procés, intentant mostrar-la de manera clara, per tal de seguir el procés de disseny realitzat, i així poder interpretar els resultats obtinguts. L’objectiu final és veure com es comporta el circuit dissenyat i definir les pautes a seguir per millorar-lo en un futur.

Cellular pathology of hilar neurons in Ammon's horn sclerosis.

In addition to functionally affected neuronal signaling pathways, altered axonal, dendritic, and synaptic morphology may contribute to hippocampal hyperexcitability in chronic mesial temporal lobe epilepsies (MTLE). The sclerotic hippocampus in Ammon's horn sclerosis (AHS)-associated MTLE, which shows segmental neuronal cell loss, axonal reorganization, and astrogliosis, would appear particularly susceptible to such changes. To characterize the cellular hippocampal pathology in MTLE, we have analyzed hilar neurons in surgical hippocampus specimens from patients with MTLE. Anatomically well-preserved hippocampal specimens from patients with AHS (n = 44) and from patients with focal temporal lesions (non-AHS; n = 20) were studied using confocal laser scanning microscopy (CFLSM) and electron microscopy (EM). Hippocampal samples from three tumor patients without chronic epilepsies and autopsy samples were used as controls. Using intracellular Lucifer Yellow injection and CFLSM, spiny pyramidal, multipolar, and mossy cells as well as non-spiny multipolar neurons have been identified as major hilar cell types in controls and lesion-associated MTLE specimens. In contrast, none of the hilar neurons from AHS specimens displayed a morphology reminiscent of mossy cells. In AHS, a major portion of the pyramidal and multipolar neurons showed extensive dendritic ramification and periodic nodular swellings of dendritic shafts. EM analysis confirmed the altered cellular morphology, with an accumulation of cytoskeletal filaments and increased numbers of mitochondria as the most prominent findings. To characterize cytoskeletal alterations in hilar neurons further, immunohistochemical reactions for neurofilament proteins (NFP), microtubule-associated proteins, and tau were performed. This analysis specifically identified large and atypical hilar neurons with an accumulation of low weight NFP. Our data demonstrate striking structural alterations in hilar neurons of patients with AHS compared with controls and non-sclerotic MTLE specimens. Such changes may develop during cellular reorganization in the epileptogenic hippocampus and are likely to contribute to the pathogenesis or maintenance of temporal lobe epilepsy.

Uncovering a role for micro-RNAs in sleep homeostasis and energy metabolism

Micro-RNAs (miRNAs) are key, post-transcriptional regulators of gene expression and have been implicated in almost every cellular process investigated thus far. However, their role in sleep, in particular the homeostatic aspect of sleep control, has received little attention. We here assessed the effects of sleep deprivation on the brain miRNA transcriptome in the mouse. Sleep deprivation affected miRNA expression in a brain-region specific manner. The forebrain expression of the miRNA miR-709 was affected the most and in situ analyses confirmed its robust increase throughout the brain, especially in the cerebral cortex and the hippocampus. The hippocampus was a major target of the sleep deprivation affecting 37 miRNAs compared to 52 in the whole forebrain. Moreover, independent from the sleep deprivation condition, miRNA expression was highly region-specific with 45% of all expressed miRNAs showing higher expression in hippocampus and 55% in cortex. Next we demonstrated that down-regulation of miRNAs in Com/c2o-expressing neurons of adult mice, through a conditional and inducible Dicer knockout mice model (cKO), results in an altered homeostatic response after sleep deprivation eight weeks following the tamoxifen-induced recombination. Dicer cKO mice showed a larger increase in the electro-encephalographic (EEG) marker of sleep pressure, EEG delta power, and a reduced Rapid Eye Movement sleep rebound, compared to controls, highlighting a functional role of miRNAs in sleep homeostasis. Beside a sleep phenotype, Dicer cKO mice developed an unexpected, severe obesity phenotype associated with hyperphagia and altered metabolism. Even more surprisingly, after reaching maximum body weight 5 weeks after tamoxifen injection, obese cKO mice spontaneously started losing weight as rapidly as it was gained. Brain transcriptome analyses in obese mice identified several obesity-related pathways (e.g. leptin, somatostatin, and nemo-like kinase signaling), as well as genes involved in feeding and appetite (e.g. Pmch, Neurotensin). A gene cluster with anti-correlated expression in the cerebral cortex of post-obese compared to obese mice was enriched for synaptic plasticity pathways. While other studies have identified a role for miRNAs in obesity, we here present a unique model that allows for the study of processes involved in reversing obesity. Moreover, our study identified the cortex as a brain area important for body weight homeostasis. Together, these observations strongly suggest a role for miRNAs in the maintenance of homeostatic processes in the mouse, and support the hypothesis of a tight relationship between sleep and metabolism at a molecular - Les micro-ARNS (miARNs) sont des régulateurs post-transcriptionnels de l'expression des gènes, impliqués dans la quasi-totalité des processus cellulaires. Cependant, leur rôle dans la régulation du sommeil, et en particulier dans le maintien de l'homéostasie du sommeil, n'a reçu que très peu d'attention jusqu'à présent. Dans cette étude, nous avons étudié les conséquences d'une privation de sommeil sur l'expression cérébrale des miARNs chez la souris, et observé des changements dans l'expression de nombreux miARNs. Dans le cerveau antérieur, miR-709 est le miARN le plus affecté par la perte de sommeil, en particulier dans le cortex cérébral et l'hippocampe. L'hippocampe est la région la plus touchée avec 37 miARNs changés comparés à 52 dans le cerveau entier. Par ailleurs, indépendamment de la privation de sommeil, certains miARNs sont spécifiquement enrichis dans certaines aires cérébrales, 45% des miARNs étant surexprimés dans l'hippocampe contre 55% dans le cortex. Dans une seconde étude, nous avons observé que la délétion de DICER, enzyme essentielle à la biosynthèse des miARNs, et la perte subséquente des miARNs dans les neurones exprimant la protéine CAMK2a altère la réponse homéostatique à une privation de sommeil, 8 semaines après l'induction de la recombinaison génétique par le tamoxifen. Les souris sans Dicer (cKO) ont une plus large augmentation de l'EEG delta power, le principal marqueur électro-encéphalographique du besoin de sommeil, comparée aux contrôles, ainsi qu'un rebond en sommeil paradoxal plus petit. De façon surprenante, les souris Dicer cKO développent une obésité rapide, sévère et transitoire, associée à de l'hyperphagie et une altération de leur métabolisme énergétique. Après avoir atteint un pic maximal d'obésité, les souris cKO entrent spontanément dans une période de perte de poids rapide. L'analyse du transcriptome cérébral des souris obèses nous a permis d'identifier des voies associées à l'obésité (leptine, somatostatine et nemo-like kinase), et à la prise alimentaire (Pmch, Neurotensin), tandis que celui des souris post-obèses a révélé un groupe de gènes liés à la plasticité synaptique. Au-delà des nombreux modèles d'obésité existant chez la souris, notre étude présente un modèle unique permettant d'étudier les mécanismes sous-jacent la perte de poids. De plus, nous avons mis en évidence un rôle important du cortex cérébral dans le maintien de la balance énergétique. En conclusion, toutes ces observations soutiennent l'idée que les miARNs sont des régulateurs cruciaux dans le maintien des processus homéostatiques et confortent l'hypothèse d'une étroite relation moléculaire entre le sommeil et le métabolisme.

Defining secretion processes in astrocytes

During the last decade, evidence that release of chemical transmitters from astrocytes might modulate neuronal activity (the so-called "gliotransmission") occurs in situ has been extensively provided. Nevertheless, gliotransmission remains a highly debated topic because of the lack of direct morphological and functional evidence. Here we provided new information supporting gliotransmission, by i) deepen knowledge about specific properties of regulated secretion of glutamatergic SLMVs, and ii) investigating the involvement of astrocytes in the transmission of dopamine, a molecule whose interaction with astrocytes is likely to occur, but it's still not proven.¦VGLUT-expressing glutamatergic SLMVs have been previously identified both in situ and in vitro, but description of kinetics of release were still lacking. To elucidate this issue, we took advantage of fluorescent tools (styryl dyes and pHluorin) and adapted experimental paradigms and analysis methods previously developed to study exo-endocytosis and recycling of glutamatergic vesicles at synapses. Parallel use of EPIfluorescence and total internal reflection (TIRF) imaging allowed us to find that exo-endocytosis processes in astrocytes are extremely fast, with kinetics in the order of milliseconds, able to sustain and follow neuronal signalling at synapses. Also, exocytosis of SLMVs is under the control of fast, localized Ca2+ elevations in close proximity of SLMVs and endoplasmatic reticulum (ER) tubules, the intracellular calcium stores. Such complex organization supports the fast stimulus-secretion coupling we described; localized calcium elevations have been recently observed in astrocytes in situ, suggesting that these functional microdomains might be present in the intact tissue. In the second part of the work, we investigated whether astrocytes possess some of the benchmarks of brain dopaminergic cells. It's been known for years that astrocytes are able to metabolize monoamines by the enzymes MAO and COMT, but to date no clear information that glial cells are able to uptake and store monoamines have been provided. Here, we identified a whole apparatus for the storage, degradation and release of monoamines, at the ultrastructural level. Electron microscopy immunohistochemistry allowed us to visualize VMAT2- and dopamine-positive intracellular compartments within astrocytic processes, i.e. dense -core granules and cisterns. These organelles might be responsible for dopamine release and storage, respectively; interestingly, this intracellular distribution is reminiscent of VMAT2 expression in dendrites if neurons, where dopamine release is tonic and plays a role in the regulation of its a basal levels, suggesting that astrocytic VMAT2 is involved in the homeostasis of dopamine in healthy brains of adult mammals.¦Durant cette dernière décennie, de nombreux résultats sur le relâchement des transmetteurs par les astrocytes pouvant modulé l'activité synaptique (gliotransmission) ont été fournis. Néanmoins, la gliotransmission reste un processus encore très débattu, notamment à cause de l'absence de preuves directes, morphologique et fonctionnelle démontrant ce phénomène. Nous présentons dans nos travaux de nombreux résultats confortant l'hypothèse de la gliotransmission, dont i) une étude approfondie sur les propriétés spatiales et temporelles de la sécrétion régulée du glutamate dans les astrocytes, et ii) une étude sur la participation des astrocytes dans la transmission de la dopamine, une neuromodulateur dont l'interaction avec les astrocytes est fortement probable, mais qui n'a encore jamais été prouvée. L'expression des petites vésicules (SLMVs - Synaptic Like Micro Vesicles) glutamatergiques exprimant les transporteurs vésiculaires du glutamate (VGLUTs) dans les astrocytes a déjà été prouvé tant in situ qu'in vitro. Afin de mettre en évidence les propriétés précises de la sécrétion de ces organelles, nous avons adapté à nos études des méthodes expérimentales conçues pour observer les processus de exocytose et endocytose dans les neurones. Les résolutions spatiale et temporelle obtenues, grâce a l'utilisation en parallèle de l'épi fluorescence et de la fluorescence a onde évanescente (TIRF), nous ont permis de montrer que la sécrétion régulée dans les astrocytes est un processus extrêmement rapide (de l'ordre de la milliseconde) et qu'elle est capable de soutenir et de suivre la transmission de signaux entre neurones. Nous avons également découvert que cette sécrétion a lieu dans des compartiments subcellulaires particuliers où nous observons la présence du reticulum endoplasmique (ER) ainsi que des augmentations rapides de calcium. Cette organisation spatiale complexe pourrait être la base morphologique du couplage rapide entre le stimulus et la sécrétion. Par ailleurs, plusieurs études récentes in vivo semblent confirmer l'existence de ces compartiments. Depuis des années nous savons que les astrocytes sont capables de métaboliser les monoamines par les enzymes MAO et COMT. Nous avons donc fourni de nouvelles preuves concernant la présence d'un appareil de stockage dans les astrocytes participant à la dégradation et la libération de monoamines au niveau ultrastructurelle. Grâce à la microscopie électronique, nous avons découvert la présence de compartiments intracellulaires exprimant VMAT2 dans les processus astrocytaires, sous forme de granules et des citernes. Ces organelles pourraient donc être responsables à la fois du relâchement et du stockage de la dopamine. De manière surprenante, cette distribution intracellulaire est similaire aux dendrites des neurones exprimant VMAT2, où la dopamine est libérée de façon tonique permettant d'agir sur la régulation de ses niveaux de base. Ces résultats, suggèrent une certaine participation des VMAT2 présents dans les astrocytes dans le processus d'homéostase de la dopamine dans le cerveau.¦A de nombreuses reprises, dans des émissions scientifiques ou dans des films, il est avancé que les hommes n'utilisent que 10% du potentiel de leur cerveau. Cette légende provient probablement du fait que les premiers chercheurs ayant décrit les cellules du cerveau entre le XIXème et le XXeme siècle, ont montré que les neurones, les cellules les plus connues et étudiées de cet organe, ne représentent seulement que 10% de la totalité des cellules composant du cerveau. Parmi les 90% restantes, les astrocytes sont sans doute les plus nombreuses. Jusqu'au début des années 90, les astrocytes ont été plutôt considérés peu plus que du tissu conjonctif, ayant comme rôles principaux de maintenir certaines propriétés physiques du cerveau et de fournir un support métabolique (énergie, environnement propre) aux neurones. Grace à la découverte que les astrocytes ont la capacité de relâcher des substances neuro-actives, notamment le glutamate, le rôle des astrocytes dans le fonctionnement cérébral a été récemment reconsidérée.¦Le rôle du glutamate provenant des astrocytes et son impact sur la fonctionnalité des neurones n'a pas encore été totalement élucidé, malgré les nombreuses publications démontrant l'importance de ce phénomène en relation avec différentes fonctions cérébrales. Afin de mieux comprendre comment les astrocytes sont impliqués dans la transmission cérébrale, nous avons étudié les propriétés spatio-temporelles de cette libération grâce à l'utilisation des plusieurs marqueurs fluorescents combinée avec différentes techniques d'imagerie cellulaires. Nous avons découvert que la libération du glutamate par les astrocytes (un processus maintenant appelé "gliotransmission") était très rapide et contrôlée par des augmentations locales de calcium. Nous avons relié ces phénomènes à des domaines fonctionnels subcellulaires morphologiquement adaptés pour ce type de transmission. Plus récemment, nous avons concentré nos études sur un autre transmetteur très important dans le fonctionnement du cerveau : la dopamine. Nos résultats morphologiques semblent indiquer que les astrocytes ont la capacité d'interagir avec ce transmetteur, mais d'une manière différente comparée au glutamate, notamment en terme de rapidité de transmission. Ces résultats suggèrent que le astrocytes ont la capacité de modifier leurs caractéristiques et de s'adapter à leur environnement par rapport aux types de transmetteur avec lequel ils doivent interagir.

Glutamate Transport Decreases Mitochondrial pH and Modulates Oxidative Metabolism in Astrocytes.

During synaptic activity, the clearance of neuronally released glutamate leads to an intracellular sodium concentration increase in astrocytes that is associated with significant metabolic cost. The proximity of mitochondria at glutamate uptake sites in astrocytes raises the question of the ability of mitochondria to respond to these energy demands. We used dynamic fluorescence imaging to investigate the impact of glutamatergic transmission on mitochondria in intact astrocytes. Neuronal release of glutamate induced an intracellular acidification in astrocytes, via glutamate transporters, that spread over the mitochondrial matrix. The glutamate-induced mitochondrial matrix acidification exceeded cytosolic acidification and abrogated cytosol-to-mitochondrial matrix pH gradient. By decoupling glutamate uptake from cellular acidification, we found that glutamate induced a pH-mediated decrease in mitochondrial metabolism that surpasses the Ca(2+)-mediated stimulatory effects. These findings suggest a model in which excitatory neurotransmission dynamically regulates astrocyte energy metabolism by limiting the contribution of mitochondria to the metabolic response, thereby increasing the local oxygen availability and preventing excessive mitochondrial reactive oxygen species production.

Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate clusters act as molecular beacons for vesicle recruitment.

Synaptic-vesicle exocytosis is mediated by the vesicular Ca(2+) sensor synaptotagmin-1. Synaptotagmin-1 interacts with the SNARE protein syntaxin-1A and acidic phospholipids such as phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2). However, it is unclear how these interactions contribute to triggering membrane fusion. Using PC12 cells from Rattus norvegicus and artificial supported bilayers, we show that synaptotagmin-1 interacts with the polybasic linker region of syntaxin-1A independent of Ca(2+) through PIP2. This interaction allows both Ca(2+)-binding sites of synaptotagmin-1 to bind to phosphatidylserine in the vesicle membrane upon Ca(2+) triggering. We determined the crystal structure of the C2B domain of synaptotagmin-1 bound to phosphoserine, allowing development of a high-resolution model of synaptotagmin bridging two different membranes. Our results suggest that PIP2 clusters organized by syntaxin-1 act as molecular beacons for vesicle docking, with the subsequent Ca(2+) influx bringing the vesicle membrane close enough for membrane fusion.

Gene expression mapping in neuropathic pain : molecular plasticity in nociceptors and superficial dorsal horn

RESUME : La douleur neuropathique est le résultat d'une lésion ou d'un dysfonctionnement du système nerveux. Les symptômes qui suivent la douleur neuropathique sont sévères et leur traitement inefficace. Une meilleure approche thérapeutique peut être proposée en se basant sur les mécanismes pathologiques de la douleur neuropathique. Lors d'une lésion périphérique une douleur neuropathique peut se développer et affecter le territoire des nerfs lésés mais aussi les territoires adjacents des nerfs non-lésés. Une hyperexcitabilité des neurones apparaît au niveau des ganglions spinaux (DRG) et de la corne dorsale (DH) de la moelle épinière. Le but de ce travail consiste à mettre en évidence les modifications moléculaires associées aux nocicepteurs lésés et non-lésés au niveau des DRG et des laminae I et II de la corne dorsale, là où l'information nociceptive est intégrée. Pour étudier les changements moléculaires liés à la douleur neuropathique nous utilisons le modèle animal d'épargne du nerf sural (spared nerve injury model, SNI) une semaine après la lésion. Pour la sélection du tissu d'intérêt nous avons employé la technique de la microdissection au laser, afin de sélectionner une sous-population spécifique de cellules (notamment les nocicepteurs lésés ou non-lésés) mais également de prélever le tissu correspondant dans les laminae superficielles. Ce travail est couplé à l'analyse à large spectre du transcriptome par puce ADN (microarray). Par ailleurs, nous avons étudié les courants électriques et les propriétés biophysiques des canaux sodiques (Na,,ls) dans les neurones lésés et non-lésés des DRG. Aussi bien dans le système nerveux périphérique, entre les neurones lésés et non-lésés, qu'au niveau central avec les aires recevant les projections des nocicepteurs lésés ou non-lésés, l'analyse du transcriptome montre des différences de profil d'expression. En effet, nous avons constaté des changements transcriptionnels importants dans les nocicepteurs lésés (1561 gènes, > 1.5x et pairwise comparaison > 77%) ainsi que dans les laminae correspondantes (618 gènes), alors que ces modifications transcriptionelles sont mineures au niveau des nocicepteurs non-lésés (60 gènes), mais important dans leurs laminae de projection (459 gènes). Au niveau des nocicepteurs, en utilisant la classification par groupes fonctionnels (Gene Ontology), nous avons observé que plusieurs processus biologiques sont modifiés. Ainsi des fonctions telles que la traduction des signaux cellulaires, l'organisation du cytosquelette ainsi que les mécanismes de réponse au stress sont affectés. Par contre dans les neurones non-lésés seuls les processus biologiques liés au métabolisme et au développement sont modifiés. Au niveau de la corne dorsale de la moelle, nous avons observé des modifications importantes des processus immuno-inflammatoires dans l'aire affectée par les nerfs lésés et des changements associés à l'organisation et la transmission synaptique au niveau de l'aire des nerfs non-lésés. L'analyse approfondie des canaux sodiques a démontré plusieurs changements d'expression, principalement dans les neurones lésés. Les analyses fonctionnelles n'indiquent aucune différence entre les densités de courant tétrodotoxine-sensible (TTX-S) dans les neurones lésés et non-lésés même si les niveaux d'expression des ARNm des sous-unités TTX-S sont modifiés dans les neurones lésés. L'inactivation basale dépendante du voltage des canaux tétrodotoxine-insensible (TTX-R) est déplacée vers des potentiels positifs dans les cellules lésées et non-lésées. En revanche la vitesse de récupération des courants TTX-S et TTX-R après inactivation est accélérée dans les neurones lésés. Ces changements pourraient être à l'origine de l'altération de l'activité électrique des neurones sensoriels dans le contexte des douleurs neuropathiques. En résumé, ces résultats suggèrent l'existence de mécanismes différenciés affectant les neurones lésés et les neurones adjacents non-lésés lors de la mise en place la douleur neuropathique. De plus, les changements centraux au niveau de la moelle épinière qui surviennent après lésion sont probablement intégrés différemment selon la perception de signaux des neurones périphériques lésés ou non-lésés. En conclusion, ces modulations complexes et distinctes sont probablement des acteurs essentiels impliqués dans la genèse et la persistance des douleurs neuropathiques. ABSTRACT : Neuropathic pain (NP) results from damage or dysfunction of the peripheral or central nervous system. Symptoms associated with NP are severe and difficult to treat. Targeting NP mechanisms and their translation into symptoms may offer a better therapeutic approach.Hyperexcitability of the peripheral and central nervous system occurs in the dorsal root ganglia (DRG) and the dorsal horn (DH) of the spinal cord. We aimed to identify transcriptional variations in injured and in adjacent non-injured nociceptors as well as in corresponding laminae I and II of DH receiving their inputs.We investigated changes one week after the injury induced by the spared nerve injury model of NP. We employed the laser capture microdissection (LCM) for the procurement of specific cell-types (enrichment in nociceptors of injured/non-injured neurons) and laminae in combination with transcriptional analysis by microarray. In addition, we studied functionál properties and currents of sodium channels (Nav1s) in injured and neighboring non-injured DRG neurons.Microarray analysis at the periphery between injured and non-injured DRG neurons and centrally between the area of central projections from injured and non-injured neurons show significant and differential expression patterns. We reported changes in injured nociceptors (1561 genes, > 1.5 fold, >77% pairwise comparison) and in corresponding DH laminae (618 genes), while less modifications occurred in non-injured nociceptors (60 genes) and in corresponding DH laminae (459 genes). At the periphery, we observed by Gene Ontology the involvement of multiple biological processes in injured neurons such as signal transduction, cytoskeleton organization or stress responses. On contrast, functional overrepresentations in non-injured neurons were noted only in metabolic or developmentally related mechanisms. At the level of superficial laminae of the dorsal horn, we reported changes of immune and inflammatory processes in injured-related DH and changes associated with synaptic organization and transmission in DH corresponding to non-injured neurons. Further transcriptional analysis of Nav1s indicated several changes in injured neurons. Functional analyses of Nav1s have established no difference in tetrodotoxin-sensitive (TTX-S) current densities in both injured and non-injured neurons, despite changes in TTX-S Nav1s subunit mRNA levels. The tetrodotoxin-resistant (TTX-R) voltage dependence of steady state inactivation was shifted to more positive potentials in both injured and non-injured neurons, and the rate of recovery from inactivation of TTX-S and TTX-R currents was accelerated in injured neurons. These changes may lead to alterations in neuronal electrogenesis. Taken together, these findings suggest different mechanisms occurring in the injured neurons and the adjacent non-injured ones. Moreover, central changes after injury are probably driven in a different manner if they receive inputs from injured or non-injured neurons. Together, these distinct and complex modulations may contribute to NP.

Magnetic resonance imaging determinants of intraindividual variability in the elderly: combined analysis of grey and white matter.

Elderly individuals display a rapid age-related increase in intraindividual variability (IIV) of their performances. This phenomenon could reflect subtle changes in frontal lobe integrity. However, structural studies in this field are still missing. To address this issue, we computed an IIV index for a simple reaction time (RT) task and performed magnetic resonance imaging (MRI) including voxel based morphometry (VBM) and the tract based spatial statistics (TBSS) analysis of diffusion tensor imaging (DTI) in 61 adults aged from 22 to 88 years. The age-related IIV increase was associated with decreased fractional anisotropy (FA) as well as increased radial (RD) and mean (MD) diffusion in the main white matter (WM) fiber tracts. In contrast, axial diffusion (AD) and grey matter (GM) densities did not show any significant correlation with IIV. In multivariate models, only FA has an age-independent effect on IIV. These results revealed that WM but not GM changes partly mediated the age-related increase of IIV. They also revealed that the association between WM and IIV could not be only attributed to the damage of frontal lobe circuits but concerned the majority of interhemispheric and intrahemispheric corticocortical connections.

Brain-derived neurotrophic factor enhances the expression of the monocarboxylate transporter 2 through translational activation in mouse cultured cortical neurons.

MCT2 is the predominant neuronal monocarboxylate transporter allowing lactate use as an alternative energy substrate. It is suggested that MCT2 is upregulated to meet enhanced energy demands after modifications in synaptic transmission. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), a promoter of synaptic plasticity, significantly increased MCT2 protein expression in cultured cortical neurons (as shown by immunocytochemistry and western blot) through a translational regulation at the synaptic level. Brain-derived neurotrophic factor can cause translational activation through different signaling pathways. Western blot analyses showed that p44/p42 mitogen-activated protein kinase (MAPK), Akt, and S6 were strongly phosphorylated on BDNF treatment. To determine by which signal transduction pathway(s) BDNF mediates its upregulation of MCT2 protein expression, the effect of specific inhibitors for p38 MAPK, phosphoinositide 3-kinase (PI3K), mammalian target of rapamycin (mTOR), mitogen-activated protein kinase (MAPK)/extracellular signal-regulated kinase (ERK) kinase (MEK), p44/p42 MAPK (ERK), and Janus kinase 2 (JAK2) was evaluated. It could be observed that the BDNF-induced increase in MCT2 protein expression was almost completely blocked by all inhibitors, except for JAK2. These data indicate that BDNF induces an increase in neuronal MCT2 protein expression by a mechanism involving a concomitant stimulation of PI3K/Akt/mTOR/S6, p38 MAPK, and p44/p42 MAPK. Moreover, our observations suggest that changes in MCT2 expression could participate in the process of synaptic plasticity induced by BDNF.

Congenital Myasthenic Syndromes with COLQ mutations: Long term follow-up

Congenital myasthenic syndromes (CMS) are clinically and genetically heterogeneous inherited disorders characterized by impaired neuromuscular transmission. Mutations in the acetylcholinesterase (AChE) collagenlike tail subunit gene (ColQ) cause recessive forms of synaptic CMS with end plate AChE deficiency. We report the time course of clinical manifestations in 15 COLQ-mutated patients followed from 1987 to 2010. All patients suffered from a muscle weakness with onset at birth or in childhood. Ocular and bulbar signs were found in 60% of the patients and delayed pupillary light response in 20% of our patients. EMG study demonstrated a decrement on repetitive nerve stimulation and repetitive compound muscle action potential in all patients. Clinical symptoms strongly fluctuated daily, weekly, monthly or even yearly. Severe relapses were characterized by a general motor weakness associated with pain which resolved spontaneously after a few months whereas the relapses with these symptoms and bulbar signs could last up to several years. Genetic analyses identified 16 different mutations including 9 novel ones. There was no genotype-phenotype correlation. Our study confirms the predominance of oculobulbar signs and the frequency of respiratory distress in COLQrelated CMS. At the end of the follow up of 23 years, interesting findings were (i) the spontaneous reversibility of severe relapses, some of them lasting for up to 5 years (ii) the good prognosis of COLQ-related CMS, since at the end of the follow-up 80% of patients were ambulant and 87% of patients had no respiratory trouble (iii) the efficacy of Ephedrine and, to a lesser extend, of 3-4 DAP. The triggering factors of relapses were esterase inhibitors, effort, puberty, pregnancy and delivery highlighting the importance of hormonal factors in CMS. In conclusion, patients diagnosed with unknown congenital myopathy should undergo an electrophysiological study of neuromuscular junction to identify ColQ-related CMS.