Einfluss der Modulation von P-Glykoprotein (P-gp) auf die Verfügbarkeit und Wirksamkeit der pharmakologischen Behandlung psychiatrischer Erkrankungen im Tiermodell

P-Glykoprotein (P-gp) ist ein ATP-verbrauchender Transporter, der in Organschranken exprimiert wird, um Fremdstoffe auszuschleusen, darunter auch Psychopharmaka. Im Rahmen dieser Arbeit wurde im Tiermodell der Maus untersucht, welche pharmakokinetischen und pharmakodynamischen Konsequenzen sich bei Verabreichung von Risperidon als P-gp Modellsubstrat ergeben, wenn die Expression von P-gp induziert wird. Als potenzielle Induktoren wurden Dexamethason, Rifampicin, Quercetin, 5-Pregnen-3ß-ol-20-on-16α-Carbonitril (PCN) und Acitretin geprüft. Es konnte gezeigt werden, dass alle Substanzen die Verteilung von Risperidon und seinem aktiven Metaboliten 9-Hydroxyrisperidon beeinflussten. Während sich für Quercetin und Acitretin leichte P-gp inhibitorische Eigenschaften ergaben, die an Hand von erhöhten Konzentrationen von Risperidon und 9-Hydroxyrisperidon gezeigt werden konnten, führten die bekannten P-gp Induktoren Rifampicin, Dexamethason und PCN zu verringerten Konzentrationen im Vergleich zur Kontrollgruppe. Durch Western Blot Untersuchungen wurde bestätigt, dass die Induktoren die P-gp Expression im Hirngewebe tendenziell steigerten. Dies sprach dafür, dass bei Verabreichung einer Komedikation, die P-gp induziert, mit einer veränderten Verteilung von P-gp Substraten zu rechnen ist. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass durch eine Hemmung bzw. Induktion von P-gp nicht nur die Pharmakokinetik, sondern auch die Pharmakodynamik von Risperidon und 9-Hydroxyrisperidon verändert wird. Dies wurde durch verhaltenspharmakologische Untersuchungen gezeigt. Durch Risperidon induzierte motorische Effekte auf dem RotaRod waren nach Induktion von P-gp abgeschwächt. Dies zeigte sich auch für Haloperidol, welches kein Substrat ist. Da P-gp abhängige Effekte in diesem Fall keine bedeutende Rolle spielen, ist davon auszugehen, dass neben der Induktion von P-gp an der Blut-Hirn Schranke auch andere Mechanismen wie z.B. eine Induktion von Enzymen der CYP-Familie an den beobachteten Effekten beteiligt sind. Bei Untersuchungen von kognitiven Leistungen in der Barnes Maze konnte gezeigt werden, dass Haloperidol im Gegensatz zu Risperidon das Lernverhalten negativ beeinflussen kann. Eine P-gp Induktion schien jedoch keinen deutlichen Einfluss auf das Lernverhalten unter Antipsychotika-Gabe zu haben und sprach vielmehr für substanzabhängige Effekte der einzelnen Antipsychotika bzw. P-gp Modulatoren. Zusatzuntersuchungen zur Hirngängigkeit von Acitretin, einem synthetischen Retinoid, welches derzeit als potenzielles Antidementivum geprüft wird, konnten belegen, dass es die Blut-Hirn Schranke überwindet. Bereits 1h nach Injektion war Acitretin in hoher Konzentration im Gehirn nachweisbar. Durch die Analyse zur Verteilung von Acitretin in Hirngewebe und Serum von P-gp Wildtyp und P-gp doppel knockout Mäusen konnte belegt werden, dass Acitretin nicht P-gp abhängig transportiert wird. Die Daten insgesamt betrachtet, lassen den Schluss zu, dass durch Verabreichung von Medikamenten, die P-gp Modulatoren sind, bei Antipsychotika mit pharmakokinetischen Interaktionen zu rechnen ist, welche die Wirksamkeit der Medikamente einschränken können.

Deficit actual tool use in schizophrenia is linked to structural alterations in key regions of planning and executing of tool use and connecting fibers

Introduction: Schizophrenia patients frequently suffer from complex motor abnormalities including fine and gross motor disturbances, abnormal involuntary movements, neurological soft signs and parkinsonism. These symptoms occur early in the course of the disease, continue in chronic patients and may deteriorate with antipsychotic medication. Furthermore gesture performance is impaired in patients, including the pantomime of tool use. Whether schizophrenia patients would show difficulties of actual tool use has not yet been investigated. Human tool use is complex and relies on a network of distinct and distant brain areas. We therefore aim to test if schizophrenia patients had difficulties in tool use and to assess associations with structural brain imaging using voxel based morphometry (VBM) and tract based spatial statistics (TBSS). Methode: In total, 44 patients with schizophrenia (DSM-5 criteria; 59% men, mean age 38) underwent structural MR imaging and performed the Tool-Use test. The test examines the use of a scoop and a hammer in three conditions: pantomime (without the tool), demonstration (with the tool) and actual use (with a recipient object). T1-weighted images were processed using SPM8 and DTI-data using FSL TBSS routines. To assess structural alterations of impaired tool use we first compared gray matter (GM) volume in VBM and white matter (WM) integrity in TBSS data of patients with and without difficulties of actual tool use. Next we explored correlations of Tool use scores and VBM and TBSS data. Group comparisons were family wise error corrected for multiple tests. Correlations were uncorrected (p < 0.001) with a minimum cluster threshold of 17 voxels (equivalent to a map-wise false positive rate of alpha < 0.0001 using a Monte Carlo procedure). Results: Tool use was impaired in schizophrenia (43.2% pantomime, 11.6% demonstration, 11.6% use). Impairment was related to reduced GM volume and WM integrity. Whole brain analyses detected an effect in the SMA in group analysis. Correlations of tool use scores and brain structure revealed alterations in brain areas of the dorso-dorsal pathway (superior occipital gyrus, superior parietal lobule, and dorsal premotor area) and the ventro-dorsal pathways (middle occipital gyrus, inferior parietal lobule) the action network, as well as the insula and the left hippocampus. Furthermore, significant correlations within connecting fiber tracts - particularly alterations within the bilateral corona radiata superior and anterior as well as the corpus callosum -were associated with Tool use performance. Conclusions: Tool use performance was impaired in schizophrenia, which was associated with reduced GM volume in the action network. Our results are in line with reports of impaired tool use in patients with brain lesions particularly of the dorso-dorsal and ventro-dorsal stream of the action network. In addition an effect of tool use on WM integrity was shown within fiber tracts connecting regions important for planning and executing tool use. Furthermore, hippocampus is part of a brain system responsible for spatial memory and navigation.The results suggest that structural brain alterations in the common praxis network contribute to impaired tool use in schizophrenia.

Impaired long-term potentiation induction in dentate gyrus of calretinin-deficient mice

Calretinin (Cr) is a Ca2+ binding protein present in various populations of neurons distributed in the central and peripheral nervous systems. We have generated Cr-deficient (Cr−/−) mice by gene targeting and have investigated the associated phenotype. Cr−/− mice were viable, and a large number of morphological, biochemical, and behavioral parameters were found unaffected. In the normal mouse hippocampus, Cr is expressed in a widely distributed subset of GABAergic interneurons and in hilar mossy cells of the dentate gyrus. Because both types of cells are part of local pathways innervating dentate granule cells and/or pyramidal neurons, we have explored in Cr−/− mice the synaptic transmission between the perforant pathway and granule cells and at the Schaffer commissural input to CA1 pyramidal neurons. Cr−/− mice showed no alteration in basal synaptic transmission, but long-term potentiation (LTP) was impaired in the dentate gyrus. Normal LTP could be restored in the presence of the GABAA receptor antagonist bicuculline, suggesting that in Cr−/− dentate gyrus an excess of γ-aminobutyric acid (GABA) release interferes with LTP induction. Synaptic transmission and LTP were normal in CA1 area, which contains only few Cr-positive GABAergic interneurons. Cr−/− mice performed normally in spatial memory task. These results suggest that expression of Cr contributes to the control of synaptic plasticity in mouse dentate gyrus by indirectly regulating the activity of GABAergic interneurons, and that Cr−/− mice represent a useful tool to understand the role of dentate LTP in learning and memory.

Neurosteroids: Deficient cognitive performance in aged rats depends on low pregnenolone sulfate levels in the hippocampus

Pregnenolone sulfate (PREG S) is synthesized in the nervous system and is a major neurosteroid in the rat brain. Its concentrations were measured in the hippocampus and other brain areas of single adult and aged (22–24 month-old) male Sprague–Dawley rats. Significantly lower levels were found in aged rats, although the values were widely scattered and reached, in about half the animals, the same range as those of young ones. The spatial memory performances of aged rats were investigated in two different spatial memory tasks, the Morris water maze and Y-maze. Performances in both tests were significantly correlated and, accompanied by appropriate controls, likely evaluated genuine memory function. Importantly, individual hippocampal PREG S and distance to reach the platform in the water maze were linked by a significant correlation, i.e., those rats with lower memory deficit had the highest PREG S levels, whereas no relationship was found with the PREG S content in other brain areas (amygdala, prefrontal cortex, parietal cortex, striatum). Moreover, the memory deficit of cognitively impaired aged rats was transiently corrected after either intraperitoneal or bilateral intrahippocampal injection of PREG S. PREG S is both a γ-aminobutyric acid antagonist and a positive allosteric modulator at the N-methyl-d-aspartate receptor, and may reinforce neurotransmitter system(s) that decline with age. Indeed, intracerebroventricular injection of PREG S was shown to stimulate acetylcholine release in the adult rat hippocampus. In conclusion, it is proposed that the hippocampal content of PREG S plays a physiological role in preserving and/or enhancing cognitive abilities in old animals, possibly via an interaction with central cholinergic systems. Thus, neurosteroids should be further studied in the context of prevention and/or treatment of age-related memory disorders.

Role of the cotransporter KCC2 in cortical excitatory synapse development and febrile seizure susceptibility

Le co-transporteur KCC2 spécifique au potassium et chlore a pour rôle principal de réduire la concentration intracellulaire de chlore, entraînant l’hyperpolarisation des courants GABAergic l’autorisant ainsi à devenir inhibiteur dans le cerveau mature. De plus, il est aussi impliqué dans le développement des synapses excitatrices, nommées aussi les épines dendritiques. Le but de notre projet est d’étudier l’effet des modifications concernant l'expression et la fonction de KCC2 dans le cortex du cerveau en développement dans un contexte de convulsions précoces. Les convulsions fébriles affectent environ 5% des enfants, et ce dès la première année de vie. Les enfants atteints de convulsions fébriles prolongées et atypiques sont plus susceptibles à développer l’épilepsie. De plus, la présence d’une malformation cérébrale prédispose au développement de convulsions fébriles atypiques, et d’épilepsie du lobe temporal. Ceci suggère que ces pathologies néonatales peuvent altérer le développement des circuits neuronaux irréversiblement. Cependant, les mécanismes qui sous-tendent ces effets ne sont pas encore compris. Nous avons pour but de comprendre l'impact des altérations de KCC2 sur la survenue des convulsions et dans la formation des épines dendritiques. Nous avons étudié KCC2 dans un modèle animal de convulsions précédemment validé, qui combine une lésion corticale à P1 (premier jour de vie postnatale), suivie d'une convulsion induite par hyperthermie à P10 (nommés rats LHS). À la suite de ces insultes, 86% des rats mâles LHS développent l’épilepsie à l’âge adulte, au même titre que des troubles d’apprentissage. À P20, ces animaux presentent une augmentation de l'expression de KCC2 associée à une hyperpolarisation du potentiel de réversion de GABA. De plus, nous avons observé des réductions dans la taille des épines dendritiques et l'amplitude des courants post-synaptiques excitateurs miniatures, ainsi qu’un déficit de mémoire spatial, et ce avant le développement des convulsions spontanées. Dans le but de rétablir les déficits observés chez les rats LHS, nous avons alors réalisé un knock-down de KCC2 par shARN spécifique par électroporation in utero. Nos résultats ont montré une diminution de la susceptibilité aux convulsions due à la lésion corticale, ainsi qu'une restauration de la taille des épines. Ainsi, l’augmentation de KCC2 à la suite d'une convulsion précoce, augmente la susceptibilité aux convulsions modifiant la morphologie des épines dendritiques, probable facteur contribuant à l’atrophie de l’hippocampe et l’occurrence des déficits cognitifs. Le deuxième objectif a été d'inspecter l’effet de la surexpression précoce de KCC2 dans le développement des épines dendritiques de l’hippocampe. Nous avons ainsi surexprimé KCC2 aussi bien in vitro dans des cultures organotypiques d’hippocampe, qu' in vivo par électroporation in utero. À l'inverse des résultats publiés dans le cortex, nous avons observé une diminution de la densité d’épines dendritiques et une augmentation de la taille des épines. Afin de confirmer la spécificité du rôle de KCC2 face à la région néocorticale étudiée, nous avons surexprimé KCC2 dans le cortex par électroporation in utero. Cette manipulation a eu pour conséquences d’augmenter la densité et la longueur des épines synaptiques de l’arbre dendritique des cellules glutamatergiques. En conséquent, ces résultats ont démontré pour la première fois, que les modifications de l’expression de KCC2 sont spécifiques à la région affectée. Ceci souligne les obstacles auxquels nous faisons face dans le développement de thérapie adéquat pour l’épilepsie ayant pour but de moduler l’expression de KCC2 de façon spécifique.

Role of the cotransporter KCC2 in cortical excitatory synapse development and febrile seizure susceptibility

Le co-transporteur KCC2 spécifique au potassium et chlore a pour rôle principal de réduire la concentration intracellulaire de chlore, entraînant l’hyperpolarisation des courants GABAergic l’autorisant ainsi à devenir inhibiteur dans le cerveau mature. De plus, il est aussi impliqué dans le développement des synapses excitatrices, nommées aussi les épines dendritiques. Le but de notre projet est d’étudier l’effet des modifications concernant l'expression et la fonction de KCC2 dans le cortex du cerveau en développement dans un contexte de convulsions précoces. Les convulsions fébriles affectent environ 5% des enfants, et ce dès la première année de vie. Les enfants atteints de convulsions fébriles prolongées et atypiques sont plus susceptibles à développer l’épilepsie. De plus, la présence d’une malformation cérébrale prédispose au développement de convulsions fébriles atypiques, et d’épilepsie du lobe temporal. Ceci suggère que ces pathologies néonatales peuvent altérer le développement des circuits neuronaux irréversiblement. Cependant, les mécanismes qui sous-tendent ces effets ne sont pas encore compris. Nous avons pour but de comprendre l'impact des altérations de KCC2 sur la survenue des convulsions et dans la formation des épines dendritiques. Nous avons étudié KCC2 dans un modèle animal de convulsions précédemment validé, qui combine une lésion corticale à P1 (premier jour de vie postnatale), suivie d'une convulsion induite par hyperthermie à P10 (nommés rats LHS). À la suite de ces insultes, 86% des rats mâles LHS développent l’épilepsie à l’âge adulte, au même titre que des troubles d’apprentissage. À P20, ces animaux presentent une augmentation de l'expression de KCC2 associée à une hyperpolarisation du potentiel de réversion de GABA. De plus, nous avons observé des réductions dans la taille des épines dendritiques et l'amplitude des courants post-synaptiques excitateurs miniatures, ainsi qu’un déficit de mémoire spatial, et ce avant le développement des convulsions spontanées. Dans le but de rétablir les déficits observés chez les rats LHS, nous avons alors réalisé un knock-down de KCC2 par shARN spécifique par électroporation in utero. Nos résultats ont montré une diminution de la susceptibilité aux convulsions due à la lésion corticale, ainsi qu'une restauration de la taille des épines. Ainsi, l’augmentation de KCC2 à la suite d'une convulsion précoce, augmente la susceptibilité aux convulsions modifiant la morphologie des épines dendritiques, probable facteur contribuant à l’atrophie de l’hippocampe et l’occurrence des déficits cognitifs. Le deuxième objectif a été d'inspecter l’effet de la surexpression précoce de KCC2 dans le développement des épines dendritiques de l’hippocampe. Nous avons ainsi surexprimé KCC2 aussi bien in vitro dans des cultures organotypiques d’hippocampe, qu' in vivo par électroporation in utero. À l'inverse des résultats publiés dans le cortex, nous avons observé une diminution de la densité d’épines dendritiques et une augmentation de la taille des épines. Afin de confirmer la spécificité du rôle de KCC2 face à la région néocorticale étudiée, nous avons surexprimé KCC2 dans le cortex par électroporation in utero. Cette manipulation a eu pour conséquences d’augmenter la densité et la longueur des épines synaptiques de l’arbre dendritique des cellules glutamatergiques. En conséquent, ces résultats ont démontré pour la première fois, que les modifications de l’expression de KCC2 sont spécifiques à la région affectée. Ceci souligne les obstacles auxquels nous faisons face dans le développement de thérapie adéquat pour l’épilepsie ayant pour but de moduler l’expression de KCC2 de façon spécifique.

Individual differences in human-computer interaction

This thesis initially presents an 'assay' of the literature pertaining to individual differences in human-computer interaction. A series of experiments is then reported, designed to investigate the association between a variety of individual characteristics and various computer task and interface factors. Predictor variables included age, computer expertise, and psychometric tests of spatial visualisation, spatial memory, logical reasoning, associative memory, and verbal ability. These were studied in relation to a variety of computer-based tacks, including: (1) word processing and its component elements; (ii) the location of target words within passages of text; (iii) the navigation of networks and menus; (iv) command generation using menus and command line interfaces; (v) the search and selection of icons and text labels; (vi) information retrieval. A measure of self-report workload was also included in several of these experiments. The main experimental findings included: (i) an interaction between spatial ability and the manipulation of semantic but not spatial interface content; (ii) verbal ability being only predictive of certain task components of word processing; (iii) age differences in word processing and information retrieval speed but not accuracy; (iv) evidence of compensatory strategies being employed by older subjects; (v) evidence of performance strategy differences which disadvantaged high spatial subjects in conditions of low spatial information content; (vi) interactive effects of associative memory, expertise and command strategy; (vii) an association between logical reasoning and word processing but not information retrieval; (viii) an interaction between expertise and cognitive demand; and (ix) a stronger association between cognitive ability and novice performance than expert performance.

Variations in dentate gyrus pathology in neurodegenerative disease

The dentate gyrus (DG) is an important part of the hippocampal formation and is believed to be involved in a variety of brain functions including episodic and spatial memory and the exploration of novel environments. In several neurodegenerative disorders, significant pathology occurs in the DG which may be involved in the development of clinical dementia. Based on the abundance of pathological change, neurodegenerative disorders could be divided into three groups: (1) those in which high densities of neuronal cytoplasmic inclusions (NCI) were present in DG granule cells, e.g., Pick’s disease (PiD), frontotemporal lobar degeneration with TDP-43-immunoreactive inclusions (FTLD-TDP), and neuronal intermediate filament inclusion disease (NIFID), (2) those in which aggregated protein deposits were distributed throughout the hippocampal formation including the molecular layer of the DG, e.g., Alzheimer’s disease (AD), Down’s syndrome (DS), and variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD), and (3) those in which in there was significantly less pathology in the DG, e.g., Parkinson’s disease dementia (PD-Dem), dementia with Lewy bodies (DLB), progressive supranuclear palsy (PSP), corticobasal degeneration (CBD), multiple system atrophy (MSA), and sporadic CJD (sCJD). Hence, DG pathology varied significantly among disorders which could contribute to differences in clinical dementia. Pathological differences among disorders could reflect either differential vulnerability of the DG to specific molecular pathologies or variation in the degree of spread of pathological proteins into the hippocampal formation from adjacent regions.

Pathology of the dentate gyrus in neurodegenerative disease

The dentate gyrus (DG) is an important part of the hippocampal formation and is believed to be involved in a variety of brain functions including episodic and spatial memory and the exploration of novel environments. In several neurodegenerative disorders, significant pathology occurs in the DG which may be involved in the development of clinical dementia. Based on the abundance of pathological change, neurodegenerative disorders can be divided into three groups: (1) those in which high densities of neuronal cytoplasmic inclusions (NCI) are present in DG granule cells, e.g., Pick’s disease (PiD), frontotemporal lobar degeneration with TDP-43-immunoreactive inclusions (FTLD-TDP), and neuronal intermediate filament inclusion disease (NIFID), (2) those in which aggregated protein deposits are distributed throughout the hippocampal formation including the molecular layer of the DG, e.g., Alzheimer’s disease (AD), Down’s syndrome (DS), and variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD), and (3) those in which in there is significantly less pathology in the DG, e.g., Parkinson’s disease dementia (PD-Dem), dementia with Lewy bodies (DLB), progressive supranuclear palsy (PSP), corticobasal degeneration (CBD), multiple system atrophy (MSA), and sporadic CJD (sCJD). Hence, DG pathology varies significantly among disorders which could contribute to differences in clinical dementia. Pathological differences among disorders could reflect either differential vulnerability of the DG to specific molecular pathologies or variation in the degree of spread of pathological proteins into the hippocampal formation from adjacent regions.

Mutant tau knock-in mice display frontotemporal dementia relevant behaviour and histopathology

Peer reviewed

Altered hippocampal function in major depression despite intact structure and resting perfusion

A.F. is supported by Research Capability Funding from the Northumberland-Tyne-and-Wear NHS Foundation Trust awarded to R.H.M.-W.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Estudo da participação do receptor P2X7 no desempenho cognitivo de roedores: abordagens farmacológicas e genéticas

A memória é um fenômeno decorrente de um conjunto de processos fisiológicos denominado plasticidade. Várias formas de plasticidade são necessárias no processo de formação da memória e também são responsáveis pelo gerenciamento do comportamento. O fenômeno eletrofisiológico chamado potencialização de longa duração (PLD), cuja ocorrência no hipocampo merece destaque, foi proposto como sendo o mecanismo de plasticidade constitutivo das bases da consolidação da memória nesta região encefálica. A importância da plasticidade na região CA1 do hipocampo se manifesta em diversas formas de aprendizado, como espacial e condicionamento clássico. Os eventos bioquímicos que culminam na plasticidade e formação da memória sofrem influência de diversos sistemas de neurotransmissores e evidências indicam também a participação do sistema purinérgico, provavelmente através dos receptores ionotrópicos P2X. Receptores purinérgicos do subtipo P2X7 (P2X7R), largamente distribuídos no sistema nervoso central (SNC), além de possuírem várias características que os distinguem de outros subtipos de receptores P2X, estão envolvidos na regulação da liberação de neurotransmissores cruciais para a promoção da PLD na região hipocampal e formação da memória. Assim, este trabalho objetivou avaliar a participação dos P2X7R em camundongos geneticamente modificados (KO), que não expressam o receptor P2X7, e ratos através da exposição destes a diferentes tarefas comportamentais, bem como avaliar o efeito do enriquecimento ambiental sobre possíveis déficits mnemônicos resultantes da supressão gênica sobre o receptor P2X7. Os resultados sugerem que os P2X7R participam tanto da memória aversiva como da memória espacial: o bloqueio farmacológico com o antagonista específico de P2X7R A-740003 em diferentes janelas temporais causou prejuízos mnemônicos em ratos submetidos à tarefa do medo condicionado contextual (MCC), enquanto a deleção do P2X7R causou déficits mnemônicos a camundongos nas tarefas do labirinto aquático de Morris e no MCC, indicando prejuízos nas memórias espacial e aversiva, respectivamente. Experimentos com enriquecimento ambiental sugerem que esta forma de estimulação contribui na reversão dos déficits mnemônicos causado pela ausência do P2X7R. Por fim, nenhuma alteração na memória de habituação foi observada em animais com deleção gênica para o P2X7R.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Epothilone-d rescues cognition and attenuates alzheimer’s disease-like pathology in APP/PS1 mice

AIMS: Cognitive decline in Alzheimer's disease (AD) patients has been linked to synaptic damage and neuronal loss. Hyperphosphorylation of tau protein destabilizes microtubules leading to the accumulation of autophagy/vesicular material and the generation of dystrophic neurites, thus contributing to axonal/synaptic dysfunction. In this study, we analyzed the effect of a microtubule-stabilizing compound in the progression of the disease in the hippocampus of APP751SL/PS1M146L transgenic model. METHODS: APP/PS1 mice (3 month-old) were treated with a weekly intraperitoneal injection of 2 mg/kg epothilone-D (Epo-D) for 3 months. Vehicle-injected animals were used as controls. Mice were tested on the Morris water maze, Y-maze and object-recognition tasks for memory performance. Abeta, AT8, ubiquitin and synaptic markers levels were analyzed by Western-blots. Hippocampal plaque, synaptic and dystrophic loadings were quantified by image analysis after immunohistochemical stainings. RESULTS: Epo-D treated mice exhibited a significant improvement in the memory tests compared to controls. The rescue of cognitive deficits was associated to a significant reduction in the AD-like hippocampal pathology. Levels of Abeta, APP and ubiquitin were significantly reduced in treated animals. This was paralleled by a decrease in the amyloid burden, and more importantly, in the plaque-associated axonal dystrophy pathology. Finally, synaptic levels were significantly restored in treated animals compared to controls. CONCLUSION: Epo-D treatment promotes synaptic and spatial memory recovery, reduces the accumulation of extracellular Abeta and the associated neuritic pathology in the hippocampus of APP/PS1 model. Therefore, microtubule stabilizing drugs could be considered therapeutical candidates to slow down AD progression. Supported by FIS-PI12/01431 and PI15/00796 (AG),FIS-PI12/01439 and PI15/00957(JV)