Intracellular chemical messengers and neuronal function: Two examples

Two distinct classes of neurons have been examined in the nervous system of Aplysia. The membrane properties of these neurons are regulated by intracellular signalling molecules in both a short-term and a long-term fashion.^ The role of the phosphatidylinositol cycle in the control of neuronal properties was studied in a class of bursting pacemaker cells, the left upper-quadrant bursting neurons (cells L2, L3, L4, and L6) of the abdominal ganglion of Aplysia. These cells display a regular burst-firing pattern that is controlled by cyclic changes of intracellular Ca$\sp{2+}$ that occur during the bursting rhythm. The characteristic bursting pattern of these neurons occurs within a range of membrane potentials ($-35$ to $-50$ mV) called the pacemaker range. Intracellular pressure injection of inositol 1,4,5-trisphosphate (IP$\sb3$) altered the bursting rhythm of the bursting cells. Injection of IP$\sb3$ induced a brief depolarization that was followed by a long-lasting (2-15 min) hyperpolarization. When cells were voltage-clamped at potentials within the pacemaker range, injection of IP$\sb3$ generally induced a biphasic response that had a total duration of 2-15 min. An initial inward shift in holding current (I$\sb{\rm in}$), which lasted 5-120 sec, was followed by a slow outward shift in holding current (I$\sb{\rm out}$). At membrane potentials more negative than $-40$ mV, I$\sb{\rm in}$ was associated with a small and relatively voltage-independent increase in membrane conductance. I$\sb{\rm in}$ was not blocked by bath application of TTX or Co$\sp{2+}$. Although I$\sb{\rm in}$ was activated by injection of IP$\sb3$, it was not blocked by iontophoretic injection of ethyleneglycol-bis-(beta-aminoethyl ether), N, N$\sp\prime$-tetraacetic acid (EGTA) sufficient to block the Ca$\sp{2+}$-activated inward tail current (I$\sb{\rm B}$).^ Long-term (lasting at least 24 hours) effects of adenylate cyclase activation were examined in a well characterized class of mechanosensory neurons in Aplysia. The injected cells were analyzed 24 hours later by two-electrode voltage-clamp techniques. We found that K$\sp+$ currents of these cells were reduced 24 hours after injection of cAMP. The currents that were reduced by cAMP were very similar to those found to be reduced 24 hours after behavioral sensitization. These results suggest that cAMP is part of the intracellular signal that induces long-term sensitization in Aplysia. (Abstract shortened with permission of author.) ^

The dynamics of calmodulin signaling revealed using optical methods

The Ca2+-binding protein calmodulin (CaM) is a key transducer of Ca2+ oscillations by virtue of its ability to bind Ca 2+ selectively and then interact specifically with a large number of downstream enzymes and proteins. It remains unclear whether Ca2+ -dependent signaling alone can activate the full range of Ca 2+/CaM regulated processes or whether other regulatory schemes in the cell exist that allow specific targeting of CaM to subsets of Ca 2+/CaM binding sites or regions of the cell. Here we investigate the possibility that alterations of the availability of CaM may serve as a potential cellular mechanism for regulating the activation of CaM-dependent targets. By utilizing sensitive optical techniques with high spatial and temporal resolution, we examine the intracellular dynamics of CaM signaling at a resolution previously unattainable. After optimizing and characterizing both the optical methods and fluorescently labeled probes for intracellular measurements, the diffusion of CaM in the cytoplasm of HEK293 cells was analyzed. It was discovered that the diffusion characteristics of CaM are similar to that of a comparably sized inert molecule. Independent manipulation of experimental parameters, including increases in total concentrations of CaM and intracellular Ca2+ levels, did not change the diffusion of CaM in the cytoplasm. However, changes in diffusion were seen when the concentration of Ca2+/CaM-binding targets was increased in conjunction with elevated Ca2+. This indicates that CaM is not normally limiting for the activation of Ca 2+/CaM-dependent enzymes in HEK293 cells but reveals that the ratio of CaM to CaM-dependent targets is a potential mechanism for changing CaM availability. Next we considered whether cellular compartmentalization may act to regulate concentrations of available Ca2+/CaM in hippocampal neurons. We discovered changes in diffusion parameters of CaM under elevated Ca2+ conditions in the soma, neurite and nucleus which suggest that either the composition of cytoplasm is different in these compartments and/or they are composed of unique families of CaM-binding proteins. Finally, we return to the HEK293 cell and for the first time directly show the intracellular binding of CaM and CaMKII, an important target for CaM critical for neuronal function and plasticity. Furthermore, we analyzed the complex binding stoichiometry of this molecular interaction in the basal, activated and autophosphorylated states of CaMKII and determined the impact of this binding on CaM availability in the cell. Overall these results demonstrate that regulation of CaM availability is a viable cellular mechanism for regulating the output of CaM-dependent processes and that this process is tuned to the specific functional needs of a particular cell type and subcellular compartment. ^

Imagerie par résonance magnétique spectroscopique et exploration neurochimique de régions cérébrales d'individus atteints d'un trouble léger de la cognition.

Introduction : Les individus présentant des troubles cognitifs légers ou Mild Cognitive Impairment (MCI) sont plus à risque de développer une maladie d’Alzheimer (MA) que le reste de la population âgée. Objectif : Cette étude repose sur le recours à un devis de type étude de cas multiples dont l’objectif est de contribuer à l’identification d’indices biologiques en quantifiant, à l’aide de la résonance magnétique spectroscopique (MRS), des changements métaboliques précoces chez les individus avec MCI, susceptibles d’évoluer vers la MA. Méthodologie : Huit individus MCI sont comparés à huit individus âgés normaux. Chaque participant est soumis à un examen MRS. Résultats : Parmi les huit participants MCI recrutés, l’un d’entre eux présente désormais un profil cognitif concordant avec une MA. L’analyse spectrale des métabolites de cet individu montre des ratios de glutamate plus élevés au niveau du cortex préfrontal gauche et de la régioncingulaire postérieure gauche. Bien qu’une diminution de NAA/Cr soit fréquemment observée chez la population MCI en voie d’évoluer vers la démence, les résultats obtenus ne démontrent rien en ce sens. Discussion/Conclusion : Le rôle du glutamate dans les processus neurodégénératifs est encore mal établi. L’augmentation de glutamate observée est contraire à la diminution habituellement observée au cours de la MA. Ces résultats sont toutefois explicables par l’existence possible d’excitotoxicité précoce chez les MCI en voie de d’évoluervers la démence. Cela pourrait aussi illustrer des mécanismes de compensation présents avant qu’un déclin cognitif ne soit objectivable.

L’amphétamine intra-habenulaire n’altère pas l’effet de récompense induit par la stimulation électrique du raphé dorsal

La contribution de la neurotransmission dopaminergique dans le noyau accumbens à l’effet de récompense induit par la stimulation électrique du cerveau a été l’objet de plusieurs années de recherche. Cependant, d’autres sites recevant des terminaisons dopaminergiques pourraient contribuer à moduler la récompense dans d’autres régions cérébrales. Parmi elles, on retrouve l’habenula qui reçoit des projections dopaminergiques de l’aire tegmentale ventrale. La contribution de cette voie au phénomène de récompense en général et à l’effet de recompense induit par l’autostimulation intracrânienne est peu connue. Le but de cette recherche était d’étudier la contribution de la dopamine mésohabenulaire à l’effet de recompense induit par la stimulation électrique du raphé dorsal. Des rats ont été implantés d’une bicanule dans l’Hb et d’une électrode dans le raphé dorsal. Le paradigme du déplacement de la courbe a été utilisé pour évaluer les changements dans l’effet de récompense à la suite de l’injection intra-habenulaire d’amphétamine (10-40 μg). À titre de contrôles positifs, des rats ont reçu l’amphétamine dans le core et dans le shell (1-20 μg) du noyau accumbens. Les injections d’amphétamine dans l’habenula n’ont pas changé l’effet de récompense induit par la stimulation électrique. Dans le noyau accumbens, les injections dans le shell et le core provoquent des augmentations dans l’effet de récompense comme il a déjà été démontré. Nos résultats suggèrent que la neurotransmission dopaminergique dans l’habenula latérale ne contribue pas significativement au circuit soutenant l’effet renforçant de la stimulation électrique du cerveau.

Quantitative functional neuroimaging of cerebral physiology in healthy aging

Les études d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) ont pour prémisse générale l’idée que le signal BOLD peut être utilisé comme un succédané direct de l’activation neurale. Les études portant sur le vieillissement cognitif souvent comparent directement l’amplitude et l’étendue du signal BOLD entre des groupes de personnes jeunes et âgés. Ces études comportent donc un a priori additionnel selon lequel la relation entre l’activité neurale et la réponse hémodynamique à laquelle cette activité donne lieu restent inchangée par le vieillissement. Cependant, le signal BOLD provient d’une combinaison ambiguë de changements de métabolisme oxydatif, de flux et de volume sanguin. De plus, certaines études ont démontré que plusieurs des facteurs influençant les propriétés du signal BOLD subissent des changements lors du vieillissement. L’acquisition d’information physiologiquement spécifique comme le flux sanguin cérébral et le métabolisme oxydatif permettrait de mieux comprendre les changements qui sous-tendent le contraste BOLD, ainsi que les altérations physiologiques et cognitives propres au vieillissement. Le travail présenté ici démontre l’application de nouvelles techniques permettant de mesurer le métabolisme oxydatif au repos, ainsi que pendant l’exécution d’une tâche. Ces techniques représentent des extensions de méthodes d’IRMf calibrée existantes. La première méthode présentée est une généralisation des modèles existants pour l’estimation du métabolisme oxydatif évoqué par une tâche, permettant de prendre en compte tant des changements arbitraires en flux sanguin que des changements en concentrations sanguine d’O2. Des améliorations en terme de robustesse et de précisions sont démontrées dans la matière grise et le cortex visuel lorsque cette méthode est combinée à une manipulation respiratoire incluant une composante d’hypercapnie et d’hyperoxie. Le seconde technique présentée ici est une extension de la première et utilise une combinaison de manipulations respiratoires incluant l’hypercapnie, l’hyperoxie et l’administration simultanée des deux afin d’obtenir des valeurs expérimentales de la fraction d’extraction d’oxygène et du métabolisme oxydatif au repos. Dans la deuxième partie de cette thèse, les changements vasculaires et métaboliques liés à l’âge sont explorés dans un groupe de jeunes et aînés, grâce au cadre conceptuel de l’IRMf calibrée, combiné à une manipulation respiratoire d’hypercapnie et une tâche modifiée de Stroop. Des changements de flux sanguin au repos, de réactivité vasculaire au CO2 et de paramètre de calibration M ont été identifiés chez les aînés. Les biais affectant les mesures de signal BOLD obtenues chez les participants âgés découlant de ces changements physiologiques sont de plus discutés. Finalement, la relation entre ces changements cérébraux et la performance dans la tâche de Stroop, la santé vasculaire centrale et la condition cardiovasculaire est explorée. Les résultats présentés ici sont en accord avec l’hypothèse selon laquelle une meilleure condition cardiovasculaire est associée à une meilleure fonction vasculaire centrale, contribuant ainsi à l’amélioration de la santé vasculaire cérébrale et cognitive.

Effect of levodopa on cortico-striatal and cortico-cerebellar circuits in Parkinson's disease

La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie neurodégénérative la plus commune. Les symptômes principalement observés chez les patients atteints de la MP sont la rigidité, les tremblements, la bradykinésie et une instabilité posturale. Leur sévérité est souvent asymétrique. La cause principale de ces symptômes moteurs est la dégénérescence du circuit dopaminergique nigro-striatal qui mène à un débalancement d’activité du circuit cortico-striatal. Ce débalancement de circuits est le point essentiel de cette thèse. Dans les protocoles de recherche décrits ici, des patients atteints de la MP (avant et après une dose de levodopa) et des participants contrôles sains ont effectué des mouvements auto-initiés ou en réponse à des stimulis externes pendant que l’on mesurait leur activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Dans cette thèse, nous abordons et mettons en évidence quatre (4) points principaux. En première partie (chapitre 2), nous présentons un recensement de la littérature sur les cicruits cortico-striataux et cortico-cérébelleux dans la MP. En utilisant des méthodes de neuroimagerie, des changements d’activité cérébrale et cérébelleuse ont été observés chez les patients atteints de la MP comparés aux participants sains. Même si les augmentations d’activité du cervelet ont souvent été attribuées à des mécanismes compensatoires, nos résultats suggèrent qu’elles sont plus probablement liées aux changements pathophysiologiques de la MP et à la perturbation du circuit cortico-cérébelleux. En général, nous suggérons (1) que le circuit cortico-cérébelleux est perturbé chez les patients atteints de la MP, et que les changements d’activité du cervelet sont liés à la pathophysiologie de la MP plutôt qu’à des mécanismes compensatoires. En deuxième partie (chapitre 3), nous discutons des effets de la levodopa sur les hausses et baisses d’activité observés chez les patients atteints de la MP, ainsi que sur l’activité du putamen pendant les mouvements d’origine interne et externe. De nombreuses études en neuroimagerie ont montré une baisse d’activité (hypo-activité) préfrontale liée à la déplétion de dopamine. En revanche, l’utilisation de tâches cognitives a montré des augmentations d’activité (hyper-activité) corticale chez les patients atteints de la MP comparés aux participants sains. Nous avons suggéré précédemment que ces hypo- et hyper-activités des régions préfrontales dépendent de l’implication du striatum. Dans cette thèse nous suggérons de plus (2) que la levodopa ne rétablit pas ces hyper-activations, mais plutôt qu’elles sont liées à la perturbation du circuit méso-cortical, et aussi possiblement associées à l’administration de médication dopaminergique à long terme. Nous montrons aussi (3) que la levodopa a un effet non-spécifique à la tâche sur l’activité du circuit cortico-striatal moteur, et qu’elle n’a pas d’effet sur l’activité du circuit cortico-striatal cognitif. Nous montrons enfin (chapitre 4) que la levodopa a un effet asymétrique sur les mouvements de la main droite et gauche. À peu près 50% des patients atteints de la MP démontrent une asymétrie des symptômes moteurs, et ceci persiste à travers la durée de la maladie. Nos résultats suggèrent (4) que la levodopa pourrait avoir un plus grand effet sur les patrons d’activations des mouvements de la main la plus affectée.

Caractérisation du substrat neurologique impliqué dans le traitement de stimuli visuels dynamiques émotionnels : étude d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle

Malgré l’engouement pour les neurosciences cognitives des émotions et les nombreuses publications des dernières décennies tentant d’élucider les bases neurobiologiques des émotions, nos connaissances sur le domaine restent embryonnaires. Plusieurs questions importantes restent toujours sans réponses incluant s’il existe ou non un système unique pour le traitement de stimuli émotionnels et s’il y a ou non des différences entre les hommes et les femmes pour le traitement de stimuli émotionnels. L’objectif de cette thèse est d’apporter certains éléments de réponses à ces questions à travers une caractérisation du substrat neurobiologique impliqué dans le traitement de stimuli émotionnels visuels et dynamiques. Ce travail a été mené via l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) cérébrale. Le premier chapitre, subdivisé en quatre sections, permet de présenter la perspective dans laquelle s’inscrit la thèse. La première section de ce chapitre sert à établir certaines balises définitionnelles liées aux émotions. La seconde section, basée sur une lecture des textes originaux, retrace les faits historiques saillants de la neurobiologie des émotions allant de Charles Darwin à Joseph Ledoux. La troisième section débute où la seconde s’arrête et continue l’histoire de la neurobiologie des émotions à travers un résumé de toutes les principales méta-analyses d’imagerie fonctionnelle cérébrale des émotions. La dernière section du chapitre permet de présenter la problématique de recherche. La recherche, à proprement parler, qui constitue le corps de la thèse est ensuite présentée sous forme de trois articles. Enfin, les résultats de cette recherche et la manière dont ils s’inscrivent dans la continuité de nos connaissances actuelles font l’objet d’une discussion générale. Le premier article (chapitre II) rapporte, chez les hommes et les femmes, les régions du cerveau qui sont plus activées lors du traitement de films érotiques que lors du traitement de films dits ‘neutres’. Un chevauchement manifeste est observé entre les hommes et les femmes. Par contre, une activation significativement plus grande est observée chez les hommes pour l’hypothalamus, une région importante pour le comportement sexuel à travers la phylogénie. De plus, chez les hommes seulement, l’activation hypothalamique est corrélée à l’excitation sexuelle subjective. Comme la recherche présentée dans le premier article se sert de conditions expérimentales relativement longues pour l’IRMf (i.e. extraits de films de 3 minutes) et que ceci peut induire une nette diminution de signal en lien avec certaines contraintes de l’IRMf, le second article (chapitre III) examine les corrélats du traitement de stimuli sexuels en utilisant, cette fois, un paradigme d’IRMf classique où plusieurs extraits de films de 33 secondes sont présentés à la place. Cette étude démontre que, pour le traitement de stimuli sexuels, ce paradigme classique d’IRMf est beaucoup plus sensible que celui du premier article. De plus, comme ce paradigme mène à une reproduction des résultats du premier papier, ce travail soutient la perspective selon laquelle les paradigmes à époques courtes sont une alternative valide aux longues époques comme méthode d’étude du traitement de stimuli émotionnels. Le troisième article (chapitre IV) capitalise sur le protocole du second article et démontre que les patrons d’activation associés au visionnement de courts extraits de films induisant du dégoût, de l’amusement, ou de l’excitation sexuelle, sont très étendus. Une analyse de conjonction formelle démontre un large chevauchent de ces patrons à travers les différents affects étudiés. Enfin, le cinquième chapitre sert de discussion générale. Les questions des différences entre les hommes et les femmes dans le traitement des émotions, de l’existence ou non d’un système général pour le traitement des émotions, ainsi que de la manière dont un tel système pourrait être conçu, sont des points saillants de la discussion. Ces points sont abordés à la lumières des connaissances actuelles et des résultats des trois articles.

Biology and characterisation of polyalanine as an emerging pathological marker

Dix-huit maladies humaines graves ont jusqu'ici été associées avec des expansions de trinucléotides répétés (TNR) codant soit pour des polyalanines (codées par des codons GCN répétés) soit pour des polyglutamines (codées par des codons CAG répétés) dans des protéines spécifiques. Parmi eux, la dystrophie musculaire oculopharyngée (DMOP), l’Ataxie spinocérébelleuse de type 3 (SCA3) et la maladie de Huntington (MH) sont des troubles à transmission autosomale dominante et à apparition tardive, caractérisés par la présence d'inclusions intranucléaires (IIN). Nous avons déjà identifié la mutation responsable de la DMOP comme étant une petite expansion (2 à 7 répétitions supplémentaires) du codon GCG répété du gène PABPN1. En outre, nous-mêmes ainsi que d’autres chercheurs avons identifié la présence d’événements de décalage du cadre de lecture ribosomique de -1 au niveau des codons répétés CAG des gènes ATXN3 (SCA3) et HTT (MH), entraînant ainsi la traduction de codons répétés hybrides CAG/GCA et la production d'un peptide contenant des polyalanines. Or, les données observées dans la DMOP suggèrent que la toxicité induite par les polyalanines est très sensible à leur quantité et leur longueur. Pour valider notre hypothèse de décalage du cadre de lecture dans le gène ATXN3 dans des modèles animaux, nous avons essayé de reproduire nos constatations chez la drosophile et dans des neurones de mammifères. Nos résultats montrent que l'expression transgénique de codons répétés CAG élargis dans l’ADNc de ATXN3 conduit aux événements de décalage du cadre de lecture -1, et que ces événements sont néfastes. À l'inverse, l'expression transgénique de codons répétés CAA (codant pour les polyglutamines) élargis dans l’ADNc de ATXN3 ne conduit pas aux événements de décalage du cadre de lecture -1, et n’est pas toxique. Par ailleurs, l’ARNm des codons répétés CAG élargis dans ATXN3 ne contribue pas à la toxicité observée dans nos modèles. Ces observations indiquent que l’expansion de polyglutamines dans nos modèles drosophile et de neurones de mammifères pour SCA3 ne suffit pas au développement d'un phénotype. Par conséquent, nous proposons que le décalage du cadre de lecture ribosomique -1 contribue à la toxicité associée aux répétitions CAG dans le gène ATXN3. Pour étudier le décalage du cadre de lecture -1 dans les maladies à expansion de trinucléotides CAG en général, nous avons voulu créer un anticorps capable de détecter le produit présentant ce décalage. Nous rapportons ici la caractérisation d’un anticorps polyclonal qui reconnaît sélectivement les expansions pathologiques de polyalanines dans la protéine PABPN1 impliquée dans la DMOP. En outre, notre anticorps détecte également la présence de protéines contenant des alanines dans les inclusions intranucléaires (IIN) des échantillons de patients SCA3 et MD.

Estudo dos aspectos eletrostáticos da interação entre polieletrólitos e macroíons

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

The effects of ultraviolet B radiation on immune responses to {\it Borrelia burgdorferi}, the causative agent of Lyme disease

Ultraviolet B (UVB) radiation, in addition to being carcinogenic, is also immunosuppressive. Immunologically, UVB induces suppression locally, at the site of irradiation, or systemically, by inducing the production of a variety of immunosuppressive cytokines. Systemic effects include suppression of delayed-type hypersensitivity (DTH) responses to a variety of antigens (e.g. haptens, proteins, bacterial antigens, or alloantigens). One of the principal mediators of UV-induced immune suppression is the T helper-2 (Th2) cytokine interleukin-10 (IL-10); this suggests that UV irradiation induces suppression by shifting the immune response from a Th1 (cellular) to a Th2 (humoral) response. These "opposing" T helper responses are usually mutually exclusive, and polarized Th1 or Th2 responses may lead to either protection from infection or increased susceptibility to disease, depending on the infectious agent and the route of infection.^ This study examines the effects of UVB irradiation on cellular and humoral responses to Borrelia burgdorferi (Bb), the causative agent of Lyme disease (LD) in both immunization and infectious disease models; in addition, it examines the role of T cells in protection from and pathology of Bb infection. Particular emphasis is placed on the Bb-specific antibody responses following irradiation since UVB effects on humoral immunity are not fully understood. Mice were irradiated with a single dose of UV and then immunized (in complete Freund's adjuvant) or infected with Bb (intradermally at the base of the tail) in order to examine both DTH and antibody responses in both systems. UVB suppressed the Th1-associated antibodies IgG2a and IgG2b in both systems, as well as the DTH response to Bb in a dose dependent manner. Injection of anti-IL-10 antibody into UV-irradiated mice within 24 h after UV exposure restored the DTH response, as well as the Th1 antibody (IgG2a and IgG2b) response. In addition, injecting recombinant IL-10 mimicked some of the effects of UV radiation.^ Bb-specific Th1 T cell lines (BAT2.1-2.3) were generated to examine the role of T cells in Lyme borreliosis. All lines were CD4$\sp+,$ $\alpha\beta\sp+$ and proliferated specifically in response to Bb. The BAT2 cell lines not only conferred a DTH response to naive C3H recipients, but reduced the number of organisms recovered from the blood and tissues of mice infected with Bb. Furthermore, BAT2 cell lines protected mice from Bb-induced periarthritis. ^

Behavioral and cellular analysis of classical conditioning of feeding behavior in Aplysia

In classical conditioning, an associative form of learning, animals learn to associate two stimuli. Cellular and molecular mechanisms for the induction and consolidation of associative learning and memory at the level of single cells and synaptic connections have been studied in both vertebrate and invertebrate animals. The majority of studies, however, relied on aversive stimuli to induce learning. This bias may limit the extent to which identified mechanisms generalize to other forms of associative learning and memory, such as appetitive forms. The goal of the present study was to develop a classical conditioning procedure for the marine mollusk Aplysia californica using appetitive reinforcement, and to analyze associative learning using behavioral and electrophysiological techniques. ^ Using tactile stimulation of the lips as the conditional stimulus (CS) and food as the unconditional stimulus (US) a training protocol was developed that reliably induced classical conditioning of feeding behavior. Memory persisted for at least 24 hours. The gross organization of reinforcement-mediating pathways was analyzed in additional behavioral experiments. Moreover, neurophysiological correlates of classical conditioning were identified and characterized in an in vitro preparation containing the circuitry for feeding behavior. In vitro stimulation of a nerve (AT4) that may mediate the CS during training, resulted in a greater number of buccal motor patterns (BMPs) in brains from conditioned animals, as compared to control animals. The majority of these BMPs were ingestion-like, consistent with the increased number of bites in response to the CS after classical conditioning. Moreover, classical conditioning correlated with increased excitatory synaptic input to BMP-initiating neuron B31/32, in response to stimulation of AT 4, as compared to controls. The expression of the correlates of classical conditioning identified in this study was specific to stimulation of AT 4, which is consistent the stimulus specificity that is characteristic for classical conditioning. ^ The identification of cellular correlates of classical conditioning documented here provides the basis for future, more detailed analyses of an appetitive form of associative learning and memory, that may extend the working knowledge of the cellular and molecular mechanisms for associative plasticity in general. ^

Confocal analysis of synaptic connectivity of the rod pathway in the rabbit retina

The retina is a specialized neuronal structure that transforms the optical image into electrical signals which are transmitted to the brain via the optic nerve. As part of the strategy to cover a stimulus range as broad as 10 log units, from dim starlight to bright sunlight, retinal circuits are broadly divided into rod and cone pathways, responsible for dark and light-adapted vision, respectively. ^ In this dissertation, confocal microscopy and immunocytochemical methods were combined to study the synaptic connectivity of the rod pathway from the level of individual synapses to whole populations of neurons. The study was focused on synaptic interactions at the rod bipolar terminal. The purpose is to understand the synaptic structure of the dyad synapse made by rod bipolar terminals, including the synaptic components and connections, and their physiological functions in the rod pathway. In addition, some additional components and connections of the rod pathway were also studied in these experiments. The major results can be summarized as following: At the dyad synapse of rod bipolar terminals, three postsynaptic components—processes of All amacrine cells and the varicosities of S1 or S2 amacrine cells express different glutamate receptor subunits, which may underlie the functional diversity of these postsynaptic neurons. A reciprocal feedback system is formed by rod bipolar terminals and S1/S2 amacrine cells. Analysis showed these two wide-field GABA amacrine cells have stereotyped synaptic connections with the appropriate morphology and distribution to perform specific functions. In addition, S1 and S2 cells have different coupling patterns and, in general, there is no coupling between the two types. Besides the classic rod pathway though rod bipolar cells and All amacrine cells, the finding of direct connections between certain types of OFF cone bipolar cells and rods indicates the presence of an alternative rod pathway in the rabbit retina. ^ In summary, this dissertation presents a detailed view of the connection and receptors at rod bipolar terminals. Based on the morphology, distribution and coupling, different functional roles were identified for S1 and S2 amacrine cells. Finally, an alternative to the classic rod pathway was found in the rabbit retina. ^

The contributions of the hippocampal formation, perirhinal cortex and areas TH/TF to object, spatial and contextual recognition memory in primates

Adult monkeys (Macaca mulatta) with lesions of the hippocampal formation, perirhinal cortex, areas TH/TF, as well as controls were tested on tasks of object, spatial and contextual recognition memory. ^ Using a visual paired-comparison (VPC) task, all experimental groups showed a lack of object recognition relative to controls, although this impairment emerged at 10 sec with perirhinal lesions, 30 sec with areas TH/TF lesions and 60 sec with hippocampal lesions. In contrast, only perirhinal lesions impaired performance on delayed nonmatching-to-sample (DNMS), another task of object recognition memory. All groups were tested on DNMS with distraction (dDNMS) to examine whether the use of active cognitive strategies during the delay period could enable good performance on DNMS in spite of impaired recognition memory (revealed by the VPC task). Distractors affected performance of animals with perirhinal lesions at the 10-sec delay (the only delay in which their DNMS performance was above chance). They did not affect performance of animals with areas TH/TF lesions. Hippocampectomized animals were impaired at the 600-sec delay (the only delay at which prevention of active strategies would likely affect their behavior). ^ While lesions of areas TH/TF impaired spatial location memory and object-in-place memory, hippocampal lesions impaired only object-in-place memory. The pattern of results for perirhinal cortex lesions on the different task conditions indicated that this cortical area is not critical for spatial memory. ^ Finally, all three lesions impaired contextual recognition memory processes. The pattern of impairment appeared to result from the formation of only a global representation of the object and background, and suggests that all three areas are recruited for associating information across sources. ^ These results support the view that (1) the perirhinal cortex maintains storage of information about object and the context in which it is learned for a brief period of time, (2) areas TH/TF maintain information about spatial location and form associations between objects and their spatial relationship (a process that likely requires additional time) and (3) the hippocampal formation mediates associations between objects, their spatial relationship and the general context in which these associations are formed (an integrative function that requires additional time). ^

Long-term hyperexcitability of sensory and motor axons in Aplysia californica: Induction by axotomy, serotonin, and transient depolarization

Neuropathic pain is a debilitating neurological disorder that may appear after peripheral nerve trauma and is characterized by persistent, intractable pain. The well-studied phenomenon of long-term hyperexcitability (LTH), in which sensory somata become hyperexcitable following peripheral nerve injury may be important for both chronic pain and long-lasting memory formation, since similar cellular alterations take place after both injury and learning. Though axons have previously been considered simple conducting cables, spontaneous afferent signals develop from some neuromas that form at severed nerve tips, indicating intrinsic changes in sensory axonal excitability may contribute to this intractable pain. Here we show that nerve transection, exposure to serotonin, and transient depolarization induce long-lasting sensory axonal hyperexcitability that is localized to the treated nerve segment and requires local translation of new proteins. Long-lasting functional plasticity may be a general property of axons, since both injured and transiently depolarized motor axons display LTH as well. Axonal hyperexcitability may represent an adaptive mechanism to overcome conduction failure after peripheral injury, but also displays key features shared with cellular analogues of memory including: site-specific changes in neuronal function, dependence on transient, focal depolarization for induction, and requirement for synthesis of new proteins for expression of long-lasting effects. The finding of axonal hyperexcitability after nerve injury sheds new light on the clinical problem of chronic neuropathic pain, and provides more support for the hypothesis that mechanisms of long-term memory storage evolved from primitive adaptive responses to injury. ^

Specificity of somatostatin receptor and G -protein interactions as characterized by somatostatin receptor subtype specific antibodies

The neuropeptide somatostatin is a widely distributed general inhibitor of endocrine, exocrine, gastrointestinal and neural functions. The biological actions of somatostatin are initiated by interaction with high affinity, plasma membrane somatostatin receptors (sst receptors). Five sst receptor subtypes have been cloned and sequence analysis shows they are all members of the G protein coupled receptor superfamily. The G proteins play a pivotal role in sst receptor signal transduction and the specificity of somatostatin receptor-G protein coupling defines the possible range of cellular responses. However, the data for endogenous sst receptor and G protein coupling is very limited, and even when it is available, the sst receptor subtypes involved in G protein coupling and signal transduction are unknown due to the expression of multiple sst receptor subtypes in target cell lines or tissues of somatostatin.^ In an effort to characterize each individual sst receptor subtypes, antisera against unique C-terminal regions of different sst receptor subtypes have been developed in our lab. In this report, antisera made against the sst1, sst2A and sst4 receptors are characterized. They are highly specific to their corresponding receptors and efficiently immunoprecipitate the sst receptors. Using these antibodies, the cell lines expressing these sst receptor subtypes were identified with both immunoprecipitation and Western blot methods. The development of sst receptor subtype specific antibodies make it possible to determine the specificity of the sst receptor subtype and G protein coupling in target cells or tissues expressing multiple sst receptors, two questions were addressed by this thesis: (1) whether different cellular environments affect receptor subtype and G protein coupling; (2) whether different sst receptors couple to different G proteins in similar cellular environments.^ Taken together our findings, both sst1 and sst2A receptors couple with G$\alpha\sb{\rm i1},$ G$\alpha\sb{\rm i2}$ and G$\alpha\sb{\rm i3}$ in CHO cells, G$\alpha\sb{\rm i2}$ and G$\alpha\sb{\rm i3}$ in GH$\sb4$C$\sb1$ cells. Further, sst2A receptors couple with G$\alpha\sb{\rm i1},$ G$\alpha\sb{\rm i2}$ and G$\alpha\sb{\rm i3}$ in AR4-2J cells while sst4 receptors couple with G$\alpha\sb{\rm i2}$ and G$\alpha\sb{\rm i3}$ in CHO cells. Therefore, the G protein coupling of the same sst receptors in different cell lines is basically similar in that they all couple with multiple $\alpha$-subunits of the G$\rm \sb{i}$ proteins, suggesting cellular environment has little effect on receptor and G protein coupling. Moreover, different sst receptors have similar G protein coupling specificities in the same cell line, suggesting components other than receptor and G$\alpha$ subunits in the signal transduction pathways may contribute to specific functions of each sst receptor subtype. This series of experiments represent a novel approach in dissecting signal transduction pathways and may have general application in the field. Furthermore, this is the first systematic study of sst receptor subtype and G protein $\alpha$-subunit interaction in both transfected cells and in normal cell lines. The information generated will be very useful in our understanding of sst receptor signal transduction pathways and in directing future sst receptor research. ^