Dying neurons in thalamus of asphyxiated term newborns and rats are autophagic

Enjeu: Déterminer si la macroautophagie est activée de façon excessive dans les neurones en souffrance dans l'encéphalopathie anoxique-ischémique du nouveau-né à terme. Contexte de la recherche: L'encéphalopathie anoxique-ischémique suite à une asphyxie néonatale est associée à une morbidité neurologique à long terme. Une diminution de son incidence reste difficile, son primum movens étant soudain, imprévisible voire non identifiable. Le développement d'un traitement pharmacologique neuroprotecteur post-anoxie reste un défi car les mécanismes impliqués dans la dégénérescence neuronale sont multiples, interconnectés et encore insuffisamment compris. En effet, il ressort des études animales que la notion dichotomique de mort cellulaire apoptotique (type 1)/nécrotique (type 3) est insuffisante. Une même cellule peut présenter des caractéristiques morphologiques mixtes non seulement d'apoptose et de nécrose mais aussi parfois de mort autophagique (type 2) plus récemment décrite. L'autophagie est un processus physiologique normal et essentiel de dégradation de matériel intracellulaire par les enzymes lysosomales. La macroautophagie, nommée simplement autophagie par la suite, consiste en la séquestration de parties de cytosol à éliminer (protéines et organelles) dans des compartiments intermédiaires, les autophagosomes, puis en leur fusion avec des lysosomes pour former des autolysosomes. Dans certaines conditions de stress telles que l'hypoxie et l'excitoxicité, une activité autophagique anormalement élevée peut être impliquée dans la mort cellulaire soit comme un mécanisme de mort indépendant (autodigestion excessive correspondante à la mort cellulaire de type 2) soit en activant d'autres voies de mort comme celles de l'apoptose. Description de l'article: Ce travail examine la présence de l'autophagie et son lien avec la mort cellulaire dans les neurones d'une région cérébrale fréquemment atteinte chez le nouveau- né humain décédé après une asphyxie néonatale sévère, le thalamus ventro-latéral. Ces résultats ont été comparés à ceux obtenus dans un modèle d'hypoxie-ischémie cérébrale chez le raton de 7 jours (dont le cerveau serait comparable à celui d'un nouveau-né humain de 34-37 semaines de gestation). Au total 11 nouveau-nés à terme décédés peu après la naissance ont été rétrospectivement sélectionnés, dont 5 présentant une encéphalopathie hypoxique- ischémique sévère et 6 décédés d'une cause autre que l'asphyxie choisis comme cas contrôle. L'autophagie et l'apoptose neuronale ont été évaluées sur la base d'une étude immunohistochimique et d'imagerie confocale de coupes histologiques en utilisant des marqueurs tels que LC3 (protéine dont la forme LC3-II est liée à la membrane des autophagosomes), p62/SQSTM1 (protéine spécifiquement dégradée par autophagie), LAMP1 (protéine membranaire des lysosomes et des autolysosomes), Cathepsin D ou B (enzymes lysosomales), TUNEL (détection de la fragmentation de l'ADN se produisant lors de l'apoptose), CASPASE-3 activée (protéase effectrice de l'apoptose) et PGP9.5 (protéine spécifique aux neurones). Chez le raton l'étude a pu être étendue en utilisant d'autres méthodes complémentaires telles que la microscopie électronique et le Western-blot. Une quantification des différents marqueurs montre une augmentation statistiquement significative de l'autophagie neuronale dans les cas d'asphyxie par rapport aux cas contrôles chez l'humain comme chez le raton. En cas d'asphyxie, les mêmes neurones expriment une densité accrue d'autophagosomes et d'autolysosomes par rapport aux cas contrôles. De plus, les neurones hautement autophagiques présentent des caractéristiques de l'apoptose. Conclusion: Cette étude montre, pour la première fois, que les neurones thalamiques lésés en cas d'encéphalopathie hypoxique-ischémique sévère présentent un niveau anormalement élevé d'activité autophagique comme démontré chez le raton hypoxique-ischémique. Ce travail permet ainsi de mettre en avant l'importance de considérer l'autophagie comme acteur dans la mort neuronale survenant après asphyxie néonatale. Perspectives: Récemment un certain nombre d'études in vitro ou sur des modèles d'ischémie cérébrale chez les rongeurs suggèrent un rôle important de la macroautophagie dans la mort neuronale. Ainsi, l'inhibition spécifique de la macroautophagie devrait donc être envisagée dans le futur développement des stratégies neuroprotectrices visant à protéger le cerveau des nouveau-nés à terme suite à une asphyxie.

Progress in single junction microcrystalline silicon solar cells deposited by Hot-Wire CVD

Hot-Wire Chemical Vapor Deposition has led to microcrystalline silicon solar cell efficiencies similar to those obtained with Plasma Enhanced CVD. The light-induced degradation behavior of microcrystalline silicon solar cells critically depends on the properties of their active layer. In the regime close to the transition to amorphous growth (around 60% of amorphous volume fraction), cells incorporating an intrinsic layer with slightly higher crystalline fraction and [220] preferential orientation are stable after more than 7000 h of AM1.5 light soaking. On the contrary, solar cells whose intrinsic layer has a slightly lower crystalline fraction and random or [111] preferential orientation exhibit clear light-induced degradation effects. A revision of the efficiencies of Hot-Wire deposited microcrystalline silicon solar cells is presented and the potential efficiency of this technology is also evaluated.

Predicting the outcome of post-anoxic comatose patients based on single-trial EEG analysis

Les maladies cardio-vasculaires représentent la première cause de mortalité en Suisse. Après un arrêt cardio-respiratoire, une minorité des patients survit sans ou avec peu de séquelles fonctionnelles. L'évaluation du pronostic se fait classiquement selon des critères établis par l'Académie Américaine de Neurologie (AAN) en 2006, soit précédant l'introduction de l'hypothermie thérapeutique. Depuis, ces critères semblent insuffisants, et de nouveaux examens para-cliniques sont nécessaires afin d'identifier les patients ayant un pronostic favorable. La détection d'irrégularités auditives, et plus particulièrement l'évolution de cette détection sur plusieurs jours, pourrait être un indicateur du pronostic de patients comateux suite à une anoxie cérébrale. En effet, lors d'une violation de la régularité établie par des séries de sons identiques, deux signaux sont détectables à l'électro- encéphalographie (EEG). Le premier, dénommé «Mismatch negativity» (MMN), peut être enregistré après une violation locale d'une régularité établie au niveau de chaque son. Il reflète un processus inconscient et ne demandant pas de ressources attentionnelles. Le deuxième, dénommé « complexe P300 » survient par contre après une violation globale d'une régularité établie au niveau de groupes de sons. La littérature actuelle indique que ce deuxième phénomène requerrait la présence de capacités attentionnelles. Dans notre étude, nous avons testé l'existence de cette détection d'irrégularités auditives globales chez des patients dans une phase précoce de coma post-anoxique, sous hypothermie thérapeutique. Nous avons enregistré la réponse électro-encéphalographique lors de violations de régularités auditives globales, à l'aide d'un protocole expérimental qui intégrait en plus un paradigme de MMN classique, afin de tester la détection d'irrégularités auditives locales également. Notre analyse finale inclut 24 patients comateux ayant subi un arrêt cardio-respiratoire, et bénéficié du protocole hypothermie du Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) à Lausanne. Après une analyse multivariée des réponses électro-encéphalographiques de chaque tracé individuellement (« single-trial »), nous avons trouvé que 8 patients sur 24 pouvaient discriminer une irrégularité globale, alors qu'étant définis comateux selon l'échelle de Glasgow (GCS). De plus, l'amélioration de la détection d' irrégularités auditives entre deux EEG consécutifs (en hypo- puis normothermie), était un facteur de bon pronostic. Notre test pourrait ainsi être un complément para-clinique dans l'évaluation du pronostic de patients en coma post- anoxique.

Targeted inactivation of hypocretin receptors in dopaminergic and noradrenergic systems alters brain activity in wakefulness

Since the discovery of hypocretins/orexins (Hcrt/Ox) in 1998, several narcoleptic mouse models, such as Hcrt-KO, Hcrtrl-KO, Hcrtr2-KO and double receptors KO mice, and orexin-ataxin transgenic mice were generated. The available Hcrt mouse models do not allow the dissection of the specific role of Hcrt in each target region. Dr. Anne Vassalli generated loxP-flanked alleles for each Hcrt receptor, which are manipulated by Cre recombinase to generate mouse lines with disrupted Hcrtrl or Hcrtr2 (or both) in cell type-specific manner. The role of noradrenaline (NA) and dopamine (OA) in ttie regulation of vigilance states is well documented. The purpose of this thesis is to explore the role of the Hcrt input into these two monoaminergic systems. Chronic loss of Hcrtrl in NA neurons consolidated paradoxical sleep (PS), and altered wakefulness brain activity in baseline, during the sleep deprivation (SD), and when mice were challenged by a novel environment, or exposed to nest-building material. The analysis of alterations in the sleep EEG delta power showed a consistent correlation with the changes in the preceding waking quality in these mice. Targeted inactivation of Hcrt input into DA neurons showed that Hcrtr2 inactivation present the strongest phenotype. The loss of Hcrtr2 in DA neurons caused modified brain activities in spontaneous wakefulness, during SD, and in novel environmental conditions. In addition to alteration of wakefulness quality and quantity, conditional inactivation of Hcrtr2 in DA neurons caused an increased in time spent in PS in baseline and a delayed and less complete PS recovery after SD. In the first 30 min of sleep recovery, single (i.e. for Hcrtrl or Hcrtr2) conditional knockout receptor mice had opposite changes in delta activity, including an increased power density in the fast delta range with specific inactivation of Hcrtr2, but a decreased power density in the same range with specific inactivation of Hcrtrl in DA cells. These studies demonstrate a complex impact of Hcrt receptors signaling in both NA and DA system, not only on quantity and quality of wakefulness, but also on PS amount regulation as well as on SWS delta power expression. -- Depuis la découverte des hypocrétines/orexines (Hcrt/Ox) en 1998, plusieurs modèles de souris, narcoleptiques telles que Hcrt-KO, Hcrtr2-KO et récepteurs doubles KO et les souris transgéniques orexine-ataxine ont été générés. Les modèles de souris Hcrt disponibles ne permettaient pas la dissection du rôle spécifique de l'Hcrt dans chaque noyau neuronal cible. Notre laboratoire a généré des allèles loxP pour chacun des 2 gènes codant pour les récepteurs Hcrtr, qui sont manipulés par recombinase Cre pour générer des lignées de souris avec Hcrtrl inactivé, ou Hcrtr2 inactivé, (ou les deux), spécifiquement dans un type cellulaire particulier. Le rôle de la noradrénaline (NA) et la dopamine (DA) dans la régulation des états de vigilance est bien documentée. Le but de cette thèse est d'étudier le rôle de l'afférence Hcrt dans ces deux systèmes monoaminergiques au niveau de l'activité cérébrale telle qu'elle apparaît dans l'électroencéphalogramme (EEG). Mon travail montre que la perte chronique de Hcrtrl dans les neurones NA consolide le sommeil paradoxal (PS), et l'activité cérébrale de l'éveil est modifiée en condition spontanée, au cours d'une experience de privation de sommeil (SD), et lorsque les souris sont présentées à un nouvel environnement, ou exposées à des matériaux de construction du nid. Ces modifications de l'éveil sont corrélées à des modifications de puissance de l'activité delta du sommeil lent qui le suit. L'inactivation ciblée des Hcrtrs dans les neurones DA a montré que l'inactivation Hcrtr2 conduit au phénotype le plus marqué. La perte de Hcrtr2 dans les neurones DA mène à des modification d'activité cérébrale en éveil spontané, pendant SD, ainsi que dans des conditions environnementales nouvelles. En plus de l'altération de la qualité de l'éveil et de la quantité, l'inactivation conditionnelle de Hcrtr2 dans les neurones DA a provoqué une augmentation du temps passé en sommeil paradoxal (PS) en condition de base, et une reprise retardée et moins complète du PS après SD. Dans les 30 premières minutes de la récupération de sommeil, les modèles inactivés pour un seul des récepteurs (ie pour Hcrtrl ou Hcrtr2 seulement) montrent des changements opposés en activité delta, en particulier une densité de puissance accrue dans le delta rapide avec l'inactivation spécifique de Hcrtr2, mais une densité de puissance diminuée dans cette même gamme chez les souris inactivées spécifiquement en Hcrtrl dans les neurones DA. Ces études démontrent un impact complexe de l'inactivation de la neurotransmission au niveau des récepteurs d'Hcrt dans les deux compartiments NA et DA, non seulement sur la quantité et la qualité de l'éveil, mais aussi sur la régulation de quantité de sommeil paradoxal, ainsi que sur l'expression de la puissance delta pendant le sommeil lent.

Single cell tuning of Myc expression by antigen receptor signal strength and interleukin-2 in T lymphocytes.

Myc controls the metabolic reprogramming that supports effector T cell differentiation. The expression of Myc is regulated by the T cell antigen receptor (TCR) and pro-inflammatory cytokines such as interleukin-2 (IL-2). We now show that the TCR is a digital switch for Myc mRNA and protein expression that allows the strength of the antigen stimulus to determine the frequency of T cells that express Myc. IL-2 signalling strength also directs Myc expression but in an analogue process that fine-tunes Myc quantity in individual cells via post-transcriptional control of Myc protein. Fine-tuning Myc matters and is possible as Myc protein has a very short half-life in T cells due to its constant phosphorylation by glycogen synthase kinase 3 (GSK3) and subsequent proteasomal degradation. We show that Myc only accumulates in T cells exhibiting high levels of amino acid uptake allowing T cells to match Myc expression to biosynthetic demands. The combination of digital and analogue processes allows tight control of Myc expression at the population and single cell level during immune responses.

Tailoring the surface density of silicon nanocrystals embedded in SiOx single layers

In this article, we explore the possibility of modifying the silicon nanocrystal areal density in SiOx single layers, while keeping constant their size. For this purpose, a set of SiOx monolayers with controlled thickness between two thick SiO2 layers has been fabricated, for four different compositions (x=1, 1.25, 1.5, or 1.75). The structural properties of the SiO x single layers have been analyzed by transmission electron microscopy (TEM) in planar view geometry. Energy-filtered TEM images revealed an almost constant Si-cluster size and a slight increase in the cluster areal density as the silicon content increases in the layers, while high resolution TEM images show that the size of the Si crystalline precipitates largely decreases as the SiO x stoichiometry approaches that of SiO2. The crystalline fraction was evaluated by combining the results from both techniques, finding a crystallinity reduction from 75% to 40%, for x = 1 and 1.75, respectively. Complementary photoluminescence measurements corroborate the precipitation of Si-nanocrystals with excellent emission properties for layers with the largest amount of excess silicon. The integrated emission from the nanoaggregates perfectly scales with their crystalline state, with no detectable emission for crystalline fractions below 40%. The combination of the structural and luminescence observations suggests that small Si precipitates are submitted to a higher compressive local stress applied by the SiO2 matrix that could inhibit the phase separation and, in turn, promotes the creation of nonradiative paths.

Spatial mapping of exciton lifetimes in single ZnO nanowires

We investigate the spatial dependence of the exciton lifetimes in single ZnO nanowires. We have found that the free exciton and bound exciton lifetimes exhibit a maximum at the center of nanowires, while they decrease by 30% towards the tips. This dependence is explained by considering the cavity-like properties of the nanowires in combination with the Purcell effect. We show that the lifetime of the bound-excitons scales with the localization energy to the power of 3/2, which validates the model of Rashba and Gurgenishvili at the nanoscale.

Dynamic single cell measurements of kinase activity by synthetic kinase activity relocation sensors.

BACKGROUND: Mitogen activated protein kinases (MAPK) play an essential role in integrating extra-cellular signals and intra-cellular cues to allow cells to grow, adapt to stresses, or undergo apoptosis. Budding yeast serves as a powerful system to understand the fundamental regulatory mechanisms that allow these pathways to combine multiple signals and deliver an appropriate response. To fully comprehend the variability and dynamics of these signaling cascades, dynamic and quantitative single cell measurements are required. Microscopy is an ideal technique to obtain these data; however, novel assays have to be developed to measure the activity of these cascades. RESULTS: We have generated fluorescent biosensors that allow the real-time measurement of kinase activity at the single cell level. Here, synthetic MAPK substrates were engineered to undergo nuclear-to-cytoplasmic relocation upon phosphorylation of a nuclear localization sequence. Combination of fluorescence microscopy and automated image analysis allows the quantification of the dynamics of kinase activity in hundreds of single cells. A large heterogeneity in the dynamics of MAPK activity between individual cells was measured. The variability in the mating pathway can be accounted for by differences in cell cycle stage, while, in the cell wall integrity pathway, the response to cell wall stress is independent of cell cycle stage. CONCLUSIONS: These synthetic kinase activity relocation sensors allow the quantification of kinase activity in live single cells. The modularity of the architecture of these reporters will allow their application in many other signaling cascades. These measurements will allow to uncover new dynamic behaviour that previously could not be observed in population level measurements.

Regression-based techniques for statistical decision making in single-case designs

The present study evaluates the performance of four methods for estimating regression coefficients used to make statistical decisions regarding intervention effectiveness in single-case designs. Ordinary least squares estimation is compared to two correction techniques dealing with general trend and one eliminating autocorrelation whenever it is present. Type I error rates and statistical power are studied for experimental conditions defined by the presence or absence of treatment effect (change in level or in slope), general trend, and serial dependence. The results show that empirical Type I error rates do not approximate the nominal ones in presence of autocorrelation or general trend when ordinary and generalized least squares are applied. The techniques controlling trend show lower false alarm rates, but prove to be insufficiently sensitive to existing treatment effects. Consequently, the use of the statistical significance of the regression coefficients for detecting treatment effects is not recommended for short data series.

Control of hair cell excitability by vestibular primary sensory neurons.

In the rat utricle, synaptic contacts between hair cells and the nerve fibers arising from the vestibular primary neurons form during the first week after birth. During that period, the sodium-based excitability that characterizes neonate utricle sensory cells is switched off. To investigate whether the establishment of synaptic contacts was responsible for the modulation of the hair cell excitability, we used an organotypic culture of rat utricle in which the setting of synapses was prevented. Under this condition, the voltage-gated sodium current and the underlying action potentials persisted in a large proportion of nonafferented hair cells. We then studied whether impairment of nerve terminals in the utricle of adult rats may also affect hair cell excitability. We induced selective and transient damages of afferent terminals using glutamate excitotoxicity in vivo. The efficiency of the excitotoxic injury was attested by selective swellings of the terminals and underlying altered vestibular behavior. Under this condition, the sodium-based excitability transiently recovered in hair cells. These results indicate that the modulation of hair cell excitability depends on the state of the afferent terminals. In adult utricle hair cells, this property may be essential to set the conditions required for restoration of the sensory network after damage. This is achieved via re-expression of a biological process that occurs during synaptogenesis.

Correcting surface coil excitation inhomogeneities in single-shot SPEN MRI.

Given their high sensitivity and ability to limit the field of view (FOV), surface coils are often used in magnetic resonance spectroscopy (MRS) and imaging (MRI). A major downside of surface coils is their inherent radiofrequency (RF) B1 heterogeneity across the FOV, decreasing with increasing distance from the coil and giving rise to image distortions due to non-uniform spatial responses. A robust way to compensate for B1 inhomogeneities is to employ adiabatic inversion pulses, yet these are not well adapted to all imaging sequences - including to single-shot approaches like echo planar imaging (EPI). Hybrid spatiotemporal encoding (SPEN) sequences relying on frequency-swept pulses provide another ultrafast MRI alternative, that could help solve this problem thanks to their built-in heterogeneous spatial manipulations. This study explores how this intrinsic SPEN-based spatial discrimination, could be used to compensate for the B1 inhomogeneities inherent to surface coils. Experiments carried out in both phantoms and in vivo rat brains demonstrate that, by suitably modulating the amplitude of a SPEN chirp pulse that progressively excites the spins in a direction normal to the coil, it is possible to compensate for the RF transmit inhomogeneities and thus improve sensitivity and image fidelity.

Elastic properties and secondary structure formation of single-stranded DNA at monovalent and divalent salt conditions

Single-stranded DNA (ssDNA) plays a major role in several biological processes. It is therefore of fundamental interest to understand how the elastic response and the formation of secondary structures are modulated by the interplay between base pairing and electrostatic interactions. Here we measure force-extension curves (FECs) of ssDNA molecules in optical tweezers set up over two orders of magnitude of monovalent and divalent salt conditions, and obtain its elastic parameters by fitting the FECs to semiflexible models of polymers. For both monovalent and divalent salts, we find that the electrostatic contribution to the persistence length is proportional to the Debye screening length, varying as the inverse of the square root of cation concentration. The intrinsic persistence length is equal to 0.7 nm for both types of salts, and the effectivity of divalent cations in screening electrostatic interactions appears to be 100-fold as compared with monovalent salt, in line with what has been recently reported for single-stranded RNA. Finally, we propose an analysis of the FECs using a model that accounts for the effective thickness of the filament at low salt condition and a simple phenomenological description that quantifies the formation of non-specific secondary structure at low forces.