Multi-dimensional classification of GABAergic interneurons with Bayesian network-modeled label uncertainty

Abstract Interneuron classification is an important and long-debated topic in neuroscience. A recent study provided a data set of digitally reconstructed interneurons classified by 42 leading neuroscientists according to a pragmatic classification scheme composed of five categorical variables, namely, of the interneuron type and four features of axonal morphology. From this data set we now learned a model which can classify interneurons, on the basis of their axonal morphometric parameters, into these five descriptive variables simultaneously. Because of differences in opinion among the neuroscientists, especially regarding neuronal type, for many interneurons we lacked a unique, agreed-upon classification, which we could use to guide model learning. Instead, we guided model learning with a probability distribution over the neuronal type and the axonal features, obtained, for each interneuron, from the neuroscientists’ classification choices. We conveniently encoded such probability distributions with Bayesian networks, calling them label Bayesian networks (LBNs), and developed a method to predict them. This method predicts an LBN by forming a probabilistic consensus among the LBNs of the interneurons most similar to the one being classified. We used 18 axonal morphometric parameters as predictor variables, 13 of which we introduce in this paper as quantitative counterparts to the categorical axonal features. We were able to accurately predict interneuronal LBNs. Furthermore, when extracting crisp (i.e., non-probabilistic) predictions from the predicted LBNs, our method outperformed related work on interneuron classification. Our results indicate that our method is adequate for multi-dimensional classification of interneurons with probabilistic labels. Moreover, the introduced morphometric parameters are good predictors of interneuron type and the four features of axonal morphology and thus may serve as objective counterparts to the subjective, categorical axonal features.

Multi-dimensional classification of GABAergic interneurons with Bayesian network-modeled label uncertainty

Interneuron classification is an important and long-debated topic in neuroscience. A recent study provided a data set of digitally reconstructed interneurons classified by 42 leading neuroscientists according to a pragmatic classification scheme composed of five categorical variables, namely, of the interneuron type and four features of axonal morphology. From this data set we now learned a model which can classify interneurons, on the basis of their axonal morphometric parameters, into these five descriptive variables simultaneously. Because of differences in opinion among the neuroscientists, especially regarding neuronal type, for many interneurons we lacked a unique, agreed-upon classification, which we could use to guide model learning. Instead, we guided model learning with a probability distribution over the neuronal type and the axonal features, obtained, for each interneuron, from the neuroscientists’ classification choices. We conveniently encoded such probability distributions with Bayesian networks, calling them label Bayesian networks (LBNs), and developed a method to predict them. This method predicts an LBN by forming a probabilistic consensus among the LBNs of the interneurons most similar to the one being classified. We used 18 axonal morphometric parameters as predictor variables, 13 of which we introduce in this paper as quantitative counterparts to the categorical axonal features. We were able to accurately predict interneuronal LBNs. Furthermore, when extracting crisp (i.e., non-probabilistic) predictions from the predicted LBNs, our method outperformed related work on interneuron classification. Our results indicate that our method is adequate for multi-dimensional classification of interneurons with probabilistic labels. Moreover, the introduced morphometric parameters are good predictors of interneuron type and the four features of axonal morphology and thus may serve as objective counterparts to the subjective, categorical axonal features.

Classifying GABAergic interneurons with semi-supervised projected model-based clustering

Objectives: A recently introduced pragmatic scheme promises to be a useful catalog of interneuron names.We sought to automatically classify digitally reconstructed interneuronal morphologies according tothis scheme. Simultaneously, we sought to discover possible subtypes of these types that might emergeduring automatic classification (clustering). We also investigated which morphometric properties weremost relevant for this classification.Materials and methods: A set of 118 digitally reconstructed interneuronal morphologies classified into thecommon basket (CB), horse-tail (HT), large basket (LB), and Martinotti (MA) interneuron types by 42 of theworld?s leading neuroscientists, quantified by five simple morphometric properties of the axon and fourof the dendrites. We labeled each neuron with the type most commonly assigned to it by the experts. Wethen removed this class information for each type separately, and applied semi-supervised clustering tothose cells (keeping the others? cluster membership fixed), to assess separation from other types and lookfor the formation of new groups (subtypes). We performed this same experiment unlabeling the cells oftwo types at a time, and of half the cells of a single type at a time. The clustering model is a finite mixtureof Gaussians which we adapted for the estimation of local (per-cluster) feature relevance. We performedthe described experiments on three different subsets of the data, formed according to how many expertsagreed on type membership: at least 18 experts (the full data set), at least 21 (73 neurons), and at least26 (47 neurons).Results: Interneurons with more reliable type labels were classified more accurately. We classified HTcells with 100% accuracy, MA cells with 73% accuracy, and CB and LB cells with 56% and 58% accuracy,respectively. We identified three subtypes of the MA type, one subtype of CB and LB types each, andno subtypes of HT (it was a single, homogeneous type). We got maximum (adapted) Silhouette widthand ARI values of 1, 0.83, 0.79, and 0.42, when unlabeling the HT, CB, LB, and MA types, respectively,confirming the quality of the formed cluster solutions. The subtypes identified when unlabeling a singletype also emerged when unlabeling two types at a time, confirming their validity. Axonal morphometricproperties were more relevant that dendritic ones, with the axonal polar histogram length in the [pi, 2pi) angle interval being particularly useful.Conclusions: The applied semi-supervised clustering method can accurately discriminate among CB, HT, LB, and MA interneuron types while discovering potential subtypes, and is therefore useful for neuronal classification. The discovery of potential subtypes suggests that some of these types are more heteroge-neous that previously thought. Finally, axonal variables seem to be more relevant than dendritic ones fordistinguishing among the CB, HT, LB, and MA interneuron types.

Preferential synaptic relationships between substance P-immunoreactive boutons and neurokinin 1 receptor sites in the rat spinal cord

Substance P plays an important role in the transmission of pain-related information in the dorsal horn of the spinal cord. Recent immunocytochemical studies have shown a mismatch between the distribution of substance P and its receptor in the superficial laminae of the dorsal horn. Because such a mismatch was not observed by using classical radioligand binding studies, we decided to investigate further the issue of the relationship between substance P and its receptor by using an antibody raised against a portion of the carboxyl terminal of the neurokinin 1 receptor and a bispecific monoclonal antibodies against substance P and horseradish peroxidase. Light microscopy revealed a good correlation between the distributions of substance P and the neurokinin 1 receptor, both being localized with highest densities in lamina I and outer lamina II of the spinal dorsal horn. An ultrastructural double-labeling study, combining preembedding immunogold with enzyme-based immunocytochemistry, showed that most neurokinin 1 receptor immunoreactive dendrites were apposed by substance P containing boutons. A detailed quantitative analysis revealed that neurokinin 1 receptor immunoreactive dendrites received more appositions and synapses from substance P immunoreactive terminals than those not expressing the neurokinin 1 receptor. Such preferential innervation by substance P occurred in all superficial dorsal horn laminae even though neurokinin 1 receptor immunoreactive dendrites were a minority of the total number of dendritic profiles in the above laminae. These results suggest that, contrary to the belief that neuropeptides act in a diffuse manner at a considerable distance from their sites of release, substance P should act on profiles expressing the neurokinin 1 receptor at a short distance from its site of release.

A model of long-term memory storage in the cerebellar cortex: A possible role for plasticity at parallel fiber synapses onto stellate/basket interneurons

By evoking changes in climbing fiber activity, movement errors are thought to modify synapses from parallel fibers onto Purkinje cells (pf*Pkj) so as to improve subsequent motor performance. Theoretical arguments suggest there is an intrinsic tradeoff, however, between motor adaptation and long-term storage. Assuming a baseline rate of motor errors is always present, then repeated performance of any learned movement will generate a series of climbing fiber-mediated corrections. By reshuffling the synaptic weights responsible for any given movement, such corrections will degrade the memories for other learned movements stored in overlapping sets of synapses. The present paper shows that long-term storage can be accomplished by a second site of plasticity at synapses from parallel fibers onto stellate/basket interneurons (pf*St/Bk). Plasticity at pf*St/Bk synapses can be insulated from ongoing fluctuations in climbing fiber activity by assuming that changes in pf*St/Bk synapses occur only after changes in pf*Pkj synapses have built up to a threshold level. Although climbing fiber-dependent plasticity at pf*Pkj synapses allows for the exploration of novel motor strategies in response to changing environmental conditions, plasticity at pf*St/Bk synapses transfers successful strategies to stable long-term storage. To quantify this hypothesis, both sites of plasticity are incorporated into a dynamical model of the cerebellar cortex and its interactions with the inferior olive. When used to simulate idealized motor conditioning trials, the model predicts that plasticity develops first at pf*Pkj synapses, but with additional training is transferred to pf*St/Bk synapses for long-term storage.

Genetically altered AMPA-type glutamate receptor kinetics in interneurons disrupt long-range synchrony of gamma oscillation

Gamma oscillations synchronized between distant neuronal populations may be critical for binding together brain regions devoted to common processing tasks. Network modeling predicts that such synchrony depends in part on the fast time course of excitatory postsynaptic potentials (EPSPs) in interneurons, and that even moderate slowing of this time course will disrupt synchrony. We generated mice with slowed interneuron EPSPs by gene targeting, in which the gene encoding the 67-kDa form of glutamic acid decarboxylase (GAD67) was altered to drive expression of the α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA) glutamate receptor subunit GluR-B. GluR-B is a determinant of the relatively slow EPSPs in excitatory neurons and is normally expressed at low levels in γ-aminobutyric acid (GABA)ergic interneurons, but at high levels in the GAD-GluR-B mice. In both wild-type and GAD-GluR-B mice, tetanic stimuli evoked gamma oscillations that were indistinguishable in local field potential recordings. Remarkably, however, oscillation synchrony between spatially separated sites was severely disrupted in the mutant, in association with changes in interneuron firing patterns. The congruence between mouse and model suggests that the rapid time course of AMPA receptor-mediated EPSPs in interneurons might serve to allow gamma oscillations to synchronize over distance.

Long-term plasticity in interneurons of the dentate gyrus

Single interneurons influence thousands of postsynaptic principal cells, and the control of interneuronal excitability is an important regulator of the computational properties of the hippocampus. However, the mechanisms underlying long-term alterations in the input–output functions of interneurons are not fully understood. We report a mechanism of interneuronal plasticity that leads to the functional enhancement of the gain of glutamatergic inputs in the absence of long-term potentiation of the excitatory synaptic currents. Interneurons in the dentate gyrus exhibit a characteristic, limited (≈8 mV) depolarization of their resting membrane potential after high-frequency stimulation of the perforant path. The depolarization can be observed with either whole-cell or perforated patch electrodes, and it lasts in excess of 3 h. The long-term depolarization is specific to interneurons, because granule cells do not show it. The depolarization requires the activation of Ca2+-permeable α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA) receptors and the rise of intracellular Ca2+, but not N-methyl-d-aspartate (NMDA) receptor activation. Data on the maintenance of the depolarization point to a major role for a long-term change in the rate of electrogenic Na+/K+-ATPase pump function in interneurons. As a result of the depolarization, interneurons after the tetanus respond with action potential discharges to previously subthreshold excitatory postsynaptic potentials (EPSPs), even though the EPSPs are not potentiated. These results demonstrate that the plastic nature of the interneuronal resting membrane potential underlies a unique form of long-term regulation of the gain of excitatory inputs to γ-aminobutyric acid (GABA)ergic neurons.

Discrimination among pheromone component blends by interneurons in male antennal lobes of two populations of the turnip moth, Agrotis segetum.

A difference in female pheromone production and male behavioral response has previously been found in two populations of the turnip moth, Agrotis segetum, originating from Sweden and Zimbabwe, respectively. In this study, we investigated the pheromone response of antennal lobe interneurons of males of the two populations by intracellular recordings, stimulating with single pheromone components and various inter- and intra-populational pheromone blends. Three major physiological types of antennal lobe neurons were established in the two populations according to their responses to different stimuli. One type responded broadly to almost all the stimuli tested. The second type responded selectively to some of the single components and blends. The third type did not respond to any single components but did respond to certain blends. Furthermore, some neurons of the second and third type recognized strain specific differences in ratios between pheromone components. Both projection neurons and local interneurons were found among these three types. Two pheromone responding bilateral projection neurons are reported for the first time in this paper.

Increase of skeletal muscle relaxation speed by direct injection of parvalbumin cDNA.

Parvalbumin (PV) is a high affinity Ca(2+)-binding protein found at high concentration in fast-contracting/relaxing skeletal muscle fibers of vertebrates. It has been proposed that PV acts in the process of muscle relaxation by facilitating Ca2+ transport from the myofibrils to the sarcoplasmic reticulum. However, on the basis of metal-binding kinetics of PV in vitro, this hypothesis has been challenged. To investigate the function of PV in skeletal muscle fibers, direct gene transfer was applied in normal and regenerating rat soleus muscles which do not synthesize detectable amounts of PV. Two weeks after in vivo transfection with PV cDNA, considerable levels of PV mRNA and protein were detected in normal muscle, and even higher amounts were detected in regenerating muscle. Twitch half-relaxation time was significantly shortened in a dose-dependent way in transfected muscles, while contraction time remained unaltered. The observed shortening of half-relaxation time is due to PV and its ability to bind Ca2+, because a mutant protein lacking Ca(2+)-binding capacity did not promote any change in physiology. These results directly demonstrate the physiological function of PV as a relaxing factor in mammalian skeletal muscle.

Phosphorylated α-synuclein-immunoreactive retinal neuronal elements in Parkinson's disease subjects

Visual symptoms are relatively common in Parkinson's disease (PD) and optical coherence tomography has indicated possible retinal thinning. Accumulation of aggregated α-synuclein is thought to be a central pathogenic event in the PD brain but there have not as yet been reports of retinal synucleinopathy. Retinal wholemounts were prepared from subjects with a primary clinicopathological diagnosis of PD (N = 9), dementia with Lewy bodies (DLB; N = 3), Alzheimer's disease (N = 3), progressive supranuclear palsy (N = 2) as well as elderly normal control subjects (N = 4). These were immunohistochemically stained with an antibody against α-synuclein phosphorylated at serine 129, which is a specific molecular marker of synucleinopathy. Phosphorylated α-synuclein-immunoreactive (p-syn IR) nerve fibers were present in 7/9 PD subjects and in 1/3 DLB subjects; these were sparsely distributed and superficially located near or at the inner retinal surface. The fibers were either long and straight or branching, often with multiple en-passant varicosities along their length. The straight fibers most often had an orientation that was radial with respect to the optic disk. Together, these features are suggestive of either retinopetal/centrifugal fibers or of ganglion cell axons. In one PD subject there were sparse p-syn IR neuronal cell bodies with dendritic morphology suggestive of G19 retinal ganglion cells or intrinsically photosensitive ganglion cells. There were no stained nerve fibers or other specific staining in any of the non-PD or non-DLB subjects. It is possible that at least some of the observed visual function impairments in PD subjects might be due to α-synucleinopathy.

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.

Novel antennal lobe substructures revealed in the small hive beetle Aethina tumida

The small hive beetle, Aethina tumida, is an emerging pest of social bee colonies. A. tumida shows a specialized life style for which olfaction seems to play a crucial role. To better understand the olfactory system of the beetle, we used immunohistochemistry and 3-D reconstruction to analyze brain structures, especially the paired antennal lobes (AL), which represent the first integration centers for odor information in the insect brain. The basic neuroarchitecture of the A. tumida brain compares well to the typical beetle and insect brain. In comparison to other insects, the AL are relatively large in relationship to other brain areas, suggesting that olfaction is of major importance for the beetle. The AL of both sexes contain about 70 olfactory glomeruli with no obvious size differences of the glomeruli between sexes. Similar to all other insects including beetles, immunostaining with an antiserum against serotonin revealed a large cell that projects from one AL to the contralateral AL to densely innervate all glomeruli. Immunostaining with an antiserum against tachykinin-related peptides (TKRP) revealed hitherto unknown structures in the AL. Small TKRP-immunoreactive spherical substructures are in both sexes evenly distributed within all glomeruli. The source for these immunoreactive islets is very likely a group of about 80 local AL interneurons. We offer two hypotheses on the function of such structures.

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.

Characterization of neogenin-expressing neural progenitor populations and migrating neuroblasts in the embryonic mouse forebrain

Many studies have demonstrated a role for netrin-1-deleted in colorectal cancer (DCC) interactions in both axon guidance and neuronal migration. Neogenin, a member of the DCC receptor family, has recently been shown to be a chemorepulsive axon guidance receptor for the repulsive guidance molecule (RGM) family of guidance cues [Rajagopalan S, Deitinghoff L, Davis D, Conrad S, Skutella T, Chedotal A, Mueller B, Strittmatter S (2004) Neogenin mediates the action of repulsive guidance molecule. Nat Cell Biol 6:755-762]. Here we show that neogenin is present on neural progenitors, including neurogenic radial glia, in the embryonic mouse forebrain suggesting that neogenin expression is a hallmark of neural progenitor populations. Neogenin-positive progenitors were isolated from embryonic day 14.5 forebrain using flow cytometry and cultured as neurospheres. Neogenin-positive progenitors gave rise to neurospheres displaying a high proliferative and neurogenic potential. In contrast, neogenin-negative forebrain cells did not produce long-term neurosphere cultures and did not possess a significant neurogenic potential. These observations argue strongly for a role for neogenin in neural progenitor biology. In addition, we also observed neogenin on parvalbumin- and calbindin-positive interneuron neuroblasts that were migrating through the medial and lateral ganglionic eminences, suggesting a role for neogenin in tangential migration. Therefore, neogenin may be a multi-functional receptor regulating both progenitor activity and neuroblast migration in the embryonic forebrain. (c) 2006 IBRO. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.