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. ^

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. ^

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)

CONFORMATIONAL CHANGES IN THE EXTRACELLULAR DOMAIN OF GLUTAMATE RECEPTORS

The family of membrane protein called glutamate receptors play an important role in the central nervous system in mediating signaling between neurons. Glutamate receptors are involved in the elaborate game that nerve cells play with each other in order to control movement, memory, and learning. Neurons achieve this communication by rapidly converting electrical signals into chemical signals and then converting them back into electrical signals. To propagate an electrical impulse, neurons in the brain launch bursts of neurotransmitter molecules like glutamate at the junction between neurons, called the synapse. Glutamate receptors are found lodged in the membranes of the post-synaptic neuron. They receive the burst of neurotransmitters and respond by fielding the neurotransmitters and opening ion channels. Glutamate receptors have been implicated in a number of neuropathologies like ischemia, stroke and amyotrophic lateral sclerosis. Specifically, the NMDA subtype of glutamate receptors has been linked to the onset of Alzheimer’s disease and the subsequent degeneration of neuronal cells. While crystal structures of AMPA and kainate subtypes of glutamate receptors have provided valuable information regarding the assembly and mechanism of activation; little is known about the NMDA receptors. Even the basic question of receptor assembly still remains unanswered. Therefore, to gain a clear understanding of how the receptors are assembled and how agonist binding gets translated to channel opening, I have used a technique called Luminescence Resonance Energy Transfer (LRET). LRET offers the unique advantage of tracking large scale conformational changes associated with receptor activation and desensitization. In this dissertation, LRET, in combination with biochemical and electrophysiological studies, were performed on the NMDA receptors to draw a correlation between structure and function. NMDA receptor subtypes GluN1 and GluN2A were modified such that fluorophores could be introduced at specific sites to determine their pattern of assembly. The results indicated that the GluN1 subunits assembled across each other in a diagonal manner to form a functional receptor. Once the subunit arrangement was established, this was used as a model to further examine the mechanism of activation in this subtype of glutamate receptor. Using LRET, the correlation between cleft closure and activation was tested for both the GluN1 and GluN2A subunit of the NMDA receptor in response to agonists of varying efficacies. These investigations revealed that cleft closure plays a major role in the mechanism of activation in the NMDA receptor, similar to the AMPA and kainate subtypes. Therefore, suggesting that the mechanism of activation is conserved across the different subtypes of glutamate receptors.

Neuromuscular disuse and atrophy: {\it In vivo\/} magnetic resonance studies of intramuscular lipid metabolism and fluid shift changes

We postulated that neuromuscular disuse results in deleteriously affected tissue-vascular fluid exchange processes and subsequently damages the important oxidative bioenergetic process of intramuscular lipid metabolism. The in-depth research reported in the literature is somewhat limited by the ex vivo nature and sporadic time-course characterization of disuse atrophy and recovery. Thus, an in vivo controlled, localized animal model of disuse atrophy was developed in one of the hindlimbs of laboratory rabbits (employing surgically implanted tetrodotoxin (TTX)-filled mini-osmotic pump-sciatic nerve superfusion system) and tested repeatedly with magnetic resonance (MR) throughout the 2-week period of temporarily induced disuse and during the recovery period (following explantation of the TTX-filled pump) for a period of 3 weeks. Controls consisted of saline/"sham"-implanted rabbit hindlimbs. The validity of this model was established with repeated electrophysiologic nerve conduction testing using a clinically appropriate protocol and percutaneously inserted small needle stimulating and recording electrodes. Evoked responses recorded from proximal (P) and distal (D) sites to the sciatic nerve cuff in the TTX-implanted group revealed significantly decreased (p $<$ 0.001) proximal-to-distal (P/D) amplitude ratios (as much as 50-70% below Baseline/pre-implanted and sham-implanted group values) and significantly increased (p $<$ 0.01) differential latency (PL-DL) values (as much as 1.5 times the pre- and sham-implanted groups). By Day 21 of recovery, observed P/D and PL-DL levels matched Baseline/sham-implemented levels. MRI-determined cross-sectional area (CSA) values of Baseline/pre-implanted, sham- or TTX-implanted, and recovering/explanted and the corresponding contralateral hindlimb tibialis anterior (TA) muscles normalized to tibial bone (TB) CSA (in TA/TB ratios) revealed that there was a significant decline (indicative of atrophic response) from pre- and sham-implanted controls by as much as 20% (p $<$ 0.01) at Day 7 and 50-55% (p $<$ 0.001) at Day 13 of TTX-implantation. In the non-implanted contralaterals, a significant increase (indicative of hypertrophic response) by as much as 10% (p $<$ 0.025) at Day 7 and 27% (p $<$ 0.001) at Day 13 + TTX was found. The induced atrophic/hypertrophic TA muscles were observed to be fully recovered by Day 21 post-explantation as evidenced by image TA/TB ratios. End-point biopsy results from a small group of rabbits revealed comprehensive atrophy of both Type I and Type II fibers, although the heterogeneity of the response supports the use of image-guided, volume-localized proton magnetic resonance spectroscopy (MRS) to noninvasively assess tissue-level metabolic changes. MRS-determined results of a 0.25cc volume of tissue within implanted limb TA muscles under resting/pre-ischemic, ischemic-stressed, and post-ischemic conditions at timepoints during and following disuse atrophy/recovery revealed significantly increased intramuscular spectral lipid levels, as much as 2-3 times (p $<$ 0.01) the Baseline/pre-implanted values at Day 7 and 6-7 times (p $<$ 0.001) at Day 13 + TTX, which approached normal levels (compared to pre- and sham-implanted groups) by Day 21 of post-explanation recovery. (Abstract shortened by UMI.) ^

Studies on the adhesion properties of the liver-metastatic murine RAW117 large-cell lymphoma cells: Roles of $\beta\sb3$ integrin

Metastasis is the major cause of death in cancer patients. Since many cancers show organ-preference of metastasis, elucidation of the underlying mechanisms of metastasis will benefit diagnosis or treatment of metastatic diseases. Adhesion mechanisms are thought to be involved in organ-preference of metastasis, because metastatic cells show organ preference in adhering to organ-derived microvascular endothelial cells. The adhesion molecules in this process remain largely unidentified. I have examined a series of murine RAW117 large-cell lymphoma cells variants selected in vivo for liver-colonizing properties ($\rm{H10{>>}L17>P}$). The highly liver-metastatic H10 cells were found to differentially express much higher levels of integrin $\alpha\rm\sb{v}\beta\sb3$ than L17 or P cells. H10 cells also adhered at higher rates to vitronectin and fibronectin than to fibrinogen, fibrin, laminin and type I collagen, and adhered at significantly higher rates to (GRGDS)$\sb4$ than to monomeric RGD-peptides. In contrast, P and L17 cells did not adhere well to the above substrates. H10 cells also spread well on vitronectin and migrated toward vitronectin concentration gradients. Pretreament of H10 cells with anti-$\beta\sb3$ monoclonal antibodies resulted in significant decreases in adhesion of H10 cells to vitronectin and immobilized (GRGDS)$\sb4$, and reduced the formation of experimental liver metastases in syngeneic Balb/c mice.^ Adhesion of RAW117 cells under hydrodynamic shear stresses was also studied because tumor cell adhesion occurs under fluid shear stresses in target organ microvessels. Similar to their properties found with static adhesion assays, H10 cells stabilized their hydrodynamic adhesion to vitronectin, fibronectin and (GRGDS)$\sb4$ much more quickly than P or L17 cells. Unlike their static adhesion properties, RAW117 cells showed differential adhesion stabilization to liver-sinusoidal endothelial cell-derived extracellular matrix ($\rm{H10{>>}L17>P}$). Although not supporting static adhesion of RAW117 cells, monomeric RGD-peptides mediated adhesion stabilization of H10 cells but not L17 or P cells. Integrin $\rm\alpha\sb{v}\beta\sb3$ was found to be involved in stabilizing H10 cell adhesion to vitronectin, (GRGDS)$\sb4$, monomeric RGD-peptide R1, and liver sinusoidal endothelial cell-derived extracellular matrix.^ This study is the first to provide evidence that integrin $\rm\alpha\sb{v}\beta\sb3$ is differentially expressed in liver-metastatic lymphoma cells and involved in differential adhesion of these cells. The results indicate that strong static adhesion and especially the unique hydrodynamic adhesion of RAW117 cells to the RGD-containing substrates correlate with liver-metastatic potentials. Thus, integrin $\rm\alpha\sb{v}\beta\sb3$ may play an important role in liver-preferential metastasis of RAW117 large-cell lymphoma cells. ^

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. ^