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

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

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

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

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

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

Opioidergic and GABAergic mechanisms in the rostral ventromedial medulla modulate the nociceptive response of vocalization in guinea pigs

Vocalization generated by the application of a noxious stimulus is an integrative response related to the affective-motivational component of pain. The rostral ventromedial medulla (RVM) plays an important role in descending pain modulation, and opiates play a major role in modulation of the antinociception mediated by the RVM. Further, it has been suggested that morphine mediates antinociception indirectly, by inhibition of tonically active GABAergic neurons. The current study evaluated the effects of the opioids and GABA agonists and antagonists in the RVM on an affective-motivational pain model. Additionally, we investigated the opioidergic-GABAergic interaction in the RVM in the vocalization response to noxious stimulation. Microinjection of either morphine (4.4 nmo1/0.2 mu l) or bicuculline (0.4 nmo1/0.2 mu l) into the RVM decreased the vocalization index, whereas application of the GABA(A) receptor agonist, musci-mol (0.5 nmo1/0.2 mu l) increased the vocalization index during noxious stimulation. Furthermore, prior microinjection of either the opioid antagonist naloxone (2.7 nmo1/0.2 mu l) or muscimol (0.25 nmo1/0.2 mu l) into the RVM blocked the reduction in vocalization index induced by morphine. These observations suggest an antinociceptive and pro-nociceptive role of the opioidergic and GABAergic neurotransmitters in the RVM, respectively. Our data show that opioids have an antinociceptive effect in the RVM, while GABAergic neurotransmission is related to the facilitation of nociceptive responses. Additionally, our results indicate that the antinociceptive effect of the opioids in the RVM could be mediated by a disinhibition of tonically active GABAergic interneurons in the downstream projection neurons of the descending pain control system; indicating an interaction between the opioidergic and GABAergic pathways of pain modulation. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

K(+) channel expression distinguishes subpopulations of parvalbumin- and somatostatin-containing neocortical interneurons

Kv3.1 and Kv3.2 K+ channel proteins form similar voltage-gated K+ channels with unusual properties, including fast activation at voltages positive to −10 mV and very fast deactivation rates. These properties are thought to facilitate sustained high-frequency firing. Kv3.1 subunits are specifically found in fast-spiking, parvalbumin (PV)-containing cortical interneurons, and recent studies have provided support for a crucial role in the generation of the fast-spiking phenotype. Kv3.2 mRNAs are also found in a small subset of neocortical neurons, although the distribution of these neurons is different. We raised antibodies directed against Kv3.2 proteins and used dual-labeling methods to identify the neocortical neurons expressing Kv3.2 proteins and to determine their subcellular localization. Kv3.2 proteins are prominently expressed in patches in somatic and proximal dendritic membrane as well as in axons and presynaptic terminals of GABAergic interneurons. Kv3.2 subunits are found in all PV-containing neurons in deep cortical layers where they probably form heteromultimeric channels with Kv3.1 subunits. In contrast, in superficial layer PV-positive neurons Kv3.2 immunoreactivity is low, but Kv3.1 is still prominently expressed. Because Kv3.1 and Kv3.2 channels are differentially modulated by protein kinases, these results raise the possibility that the fast-spiking properties of superficial- and deep-layer PV neurons are differentially regulated by neuromodulators. Interestingly, Kv3.2 but not Kv3.1 proteins are also prominent in a subset of seemingly non-fast-spiking, somatostatin- and calbindin-containing interneurons, suggesting that the Kv3.1–Kv3.2 current type can have functions other than facilitating high-frequency firing.

Opioidergic, GABAergic and serotonergic neurotransmission in the dorsal raphe nucleus modulates tonic immobility in guinea pigs

Tonic immobility (TI) is an innate defensive behavior that can be elicited by physical restriction and postural inversion and is characterized by a profound and temporary state of akinesis. Our previous studies demonstrated that the stimulation of serotonin receptors in the dorsal raphe nucleus (DRN) appears to be biphasic during TI responses in guinea pigs (Cavia porcellus). Serotonin released by the DRN modulates behavioral responses and its release can occur through the action of different neurotransmitter systems, including the opioidergic and GABAergic systems. This study examines the role of opioidergic, GABAergic and serotonergic signaling in the DRN in TI defensive behavioral responses in guinea pigs. Microinjection of morphine (1.1 nmol) or bicuculline (0.5 nmol) into the DRN increased the duration of TI. The effect of morphine (1.1 nmol) was antagonized by pretreatment with naloxone (0.7 nmol), suggesting that the activation of pi opioid receptors in the DRN facilitates the TI response. By contrast, microinjection of muscimol (0.5 nmol) into the DRN decreased the duration of TI. However, a dose of muscimol (0.26 nmol) that alone did not affect TI, was sufficient to inhibit the effect of morphine (1.1 nmol) on TI, indicating that GABAergic and enkephalinergic neurons interact in the DRN. Microinjection of alpha-methyl-5-HT (1.6 nmol), a 5-HT2 agonist, into the DRN also increased TI. This effect was inhibited by the prior administration of naloxone (0.7 nmol). Microinjection of 8-OH-DPAT (1.3 nmol) also blocked the increase of TI promoted by morphine (1.1 nmol). Our results indicate that the opioidergic, GABAergic and serotonergic systems in the DRN are important for modulation of defensive behavioral responses of TI. Therefore, we suggest that opioid inhibition of GABAergic neurons results in disinhibition of serotonergic neurons and this is the mechanism by which opioids could enhance TI. Conversely, a decrease in TI could occur through the activation of GABAergic interneurons. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Creatine and neurotrophin-4/5 promote survival of nitric oxide synthase-expressing interneurons in striatal cultures

Nitric oxide (NO) mediates a variety of physiological functions in the central nervous system and acts as an important developmental regulator. Striatal interneurons expressing neuronal nitric oxide synthase (nNOS) have been described to be relatively spared from the progressive cell loss in Huntington's disease (HD). We have recently shown that creatine, which supports the phosphagen energy system, induces the differentiation of GABAergic cells in cultured striatal tissue. Moreover, neurotrophin-4/5 (NT-4/5) has been found to promote the survival and differentiation of cultured striatal neurons. In the present study, we assessed the effects of creatine and NT-4/5 on nNOS-immunoreactive (-ir) neurons of E14 rat ganglionic eminences grown for 1 week in culture. Chronic administration of creatine [5mM], NT-4/5 [10ng/ml], or a combination of both factors significantly increased numbers of nNOS-ir neurons. NT-4/5 exposure also robustly increased levels of nNOS protein. Interestingly, only NT-4/5 and combined treatment significantly increased general viability but no effects were seen for creatine supplementation alone. In addition, NT-4/5 and combined treatment resulted in a significant larger soma size and number of primary neurites of nNOS-ir neurons while creatine administration alone exerted no effects. Double-immunolabeling studies revealed that all nNOS-ir cells co-localized with GABA. In summary, our findings suggest that creatine and NT-4/5 affect differentiation and/or survival of striatal nNOS-ir GABAergic interneurons. These findings provide novel insights into the biology of developing striatal neurons and highlight the potential of both creatine and NT-4/5 as therapeutics for HD.

Cell-type specific alterations of cortical interneurons in schizophrenic patients

In the human brain, cortical GABAergic interneurons represent an important population of local circuit neurons responsible for the intrinsic modulation of neuronal information and have been supposed to be involved in the pathophysiology of schizophrenia. We conducted a quantitative study on the differentiated three-dimensional morphological structure of two types of parvalbumin-immunoreactive interneurons in the anterior cingulate cortex (ACC) of schizophrenic patients versus controls. While type A interneurons ('small bipolar cells') showed a significant reduction of their soma size in schizophrenics, type B interneurons ('small multipolar cells') of schizophrenic patients exhibited a marked decrease in the extent of their dendritic system. These results further support the assumption of a considerable significance of the ACC, an important limbic relay centre, for the etiopathogenesis of schizophrenic psychoses.

Operative GABAergic inhibition in hippocampal CA1 pyramidal neurons in experimental epilepsy

Patch–clamp recordings of CA1 interneurons and pyramidal cells were performed in hippocampal slices from kainate- or pilocarpine-treated rat models of temporal lobe epilepsy. We report that γ-aminobutyric acid (GABA)ergic inhibition in pyramidal neurons is still functional in temporal lobe epilepsy because: (i) the frequency of spontaneous GABAergic currents is similar to that of control and (ii) focal electrical stimulation of interneurons evokes a hyperpolarization that prevents the generation of action potentials. In paired recordings of interneurons and pyramidal cells, synchronous interictal activities were recorded. Furthermore, large network-driven GABAergic inhibitory postsynaptic currents were present in pyramidal cells during interictal discharges. The duration of these interictal discharges was increased by the GABA type A antagonist bicuculline. We conclude that GABAergic inhibition is still present and functional in these experimental models and that the principal defect of inhibition does not lie in a complete disconnection of GABAergic interneurons from their glutamatergic inputs.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Acoustic hypersensitivity in adult rats after neonatal ventral hippocampus lesions

Rats with a bilateral neonatal ventral hippocampus lesion (NVHL) are used as models of neurobiological aspects of schizophrenia. In view of their decreased number of GABAergic interneurons, we hypothesized that they would show increased reactivity to acoustic stimuli. We systematically characterized the acoustic reactivity of NVHL rats and sham operated controls. They were behaviourally observed during a loud white noise. A first cohort of 7 months` old rats was studied. Then the observations were reproduced in a second cohort of the same age after characterizing the reactivity of the same rats to dopaminergic drugs. A third cohort of rats was studied at 2, 3, 4, 5 and 6 months. In subsets of lesioned and control rats, inferior colliculus auditory evoked potentials were recorded. A significant proportion of rats (50-62%) showed aberrant audiogenic responses with explosive wild running resembling the initial phase of audiogenic seizures. This was not correlated with their well-known enhanced reactivity to dopaminergic drugs. The proportion of rats showing this strong reaction increased with rats` age. After the cessation of the noise, NVHL rats showed a long freezing period that did neither depend on the size of the lesion nor on the rats` age. The initial negative deflection of the auditory evoked potential was enhanced in the inferior colliculus of only NVHL rats that displayed wild running. Complementary anatomical investigations using X-ray scans in the living animal, and alizarin red staining of brain slices, revealed a thin layer of calcium deposit close to the medial geniculate nuclei in post-NVHL rats, raising the possibility that this may contribute to the hyper-reactivity to sounds seen in these animals. The findings of this study provide complementary information with potential relevance for the hyper-reactivity noted in patients with schizophrenia, and therefore a tool to investigate the underlying biology of this endophenotype. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Neuronal calcium-binding proteins and schizophrenia

Calcium-binding proteins (CBPs) such as calbindin, parvalbumin and calretinin are used as immunohistochemical markers for discrete neuronal subpopulations. They are particularly useful in identifying the various subpopulations of GABAergic interneurons that control output from prefrontal and cingulate cortices as well as from the hippocampus. The strategic role these interneurons play in regulating output from these three crucial brain regions has made them a focus for neuropathological investigation in schizophrenia. The number of pathological reports detailing subtle changes in these CBP-containing interneurons in patients with schizophrenia is rapidly growing. These proteins however are more than convenient neuronal markers. They confer survival advantages to neurons and can increase the neuron's ability to sustain firing. These properties may be important in the subtle pathophysiology of nondegenerative phenomena such as schizophrenia. The aim of this review is to introduce the reader to the functional properties of CBPs and to examine the emerging literature reporting alterations in these proteins in schizophrenia as well as draw some conclusions about the significance of these findings. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

SOURCE, FATE AND FUNCTION OF EARLY GLIAL CELLS EXPRESSING NKX2.1 IN MOUSE EMBRYONIC BRAINS

The brain tissue is made of neuronal and glial cells generated in the germinal layer bordering the ventricles. These cells divide, differentiate and migrate following specific pathways. The specification of GABAergic interneurons and glutamatergic neurons has been broadly studied but little is known about the origin, the fate and the function of early glial cells in the embryonic telencephalon. It has been commonly accepted since long that the glial cells and more particularly the astrocytes were generated after neurogenesis from the dorsal telencephalon. However, our work shows that, unlike what was previously thought, numerous glial cells (astroglia and polydendrocytes) are generated during neurogenesis in the early embryonic stages from E14.5 to E16.5, and originate from the ventral Nkx2.1-expressing precursors instead. NK2 homeobox 1 (Nkx2.1) is a member of the NK2 family of homeodomaincontaining transcription factors. The specification of the MGE precursors requires the expression of the Nkx2.1 homeobox gene. Moreover, Nkx2.1 is previously known to regulate the specification of GABAergic interneurons and early oligodendrocytes in the ventral telencephalon. Here, in my thesis work, I have discovered that, in addition, Nkx2.1 also regulates astroglia and polydendrocytes differentiation. The use of Nkx2.1 antibody and Nkx2.1 riboprobe have revealed the presence of numerous Nkx2.1-positive cells that express astroglial markers (like GLAST and GFAP) in the entire embryonic brain. Thus, to selectively fate map MGE-derived GABAergic interneurons and glia, we crossed Nkx2.1-Cre mice, Glast-Cre ERT+/- inducible mice and NG2-Cre mice with the Cre reporter Rosa26-lox-STOP-lox-YFP (Rosa26-YFP) mice. The precise origin of Nkx2.1-positive astroglia has been directly ascertained by combining glial immunostaining and focal electroporation of the pCAG-GS-EGFP plasmids into the subpallial domains of organotypic slices, as well as, by using in vitro neurosphere experiments and in utero electroporation of the pCAG-GS-tomato plasmid into the ventral pallium of E14.5 Nkx2.1-Cre+/Rosa-YFP+/- embryos. We have, thus, confirmed that the three germinal regions of the ventral telencephalon i.e. the MGE, the AEP/POA and the triangular septal nucleus are able to generate early astroglial cells. Moreover, immunohistochemistry for several astroglial cells and polydendrocyte markers, both in the Nkx2.1-/- and control embryos and in the neurospheres, has revealed a severe loss of both glial cell types in the Nkx2.1 mutants. We found that the loss of glia corresponded to a decrease of Nkx2.1-derived precursor division capacity and glial differentiation. There was a drastic decrease of BrdU+ dividing cells labeled for Nkx2.1 in the MGE*, the POA* and the septal nucleus* of Nkx2.1 mutants. In addition, we noticed that while some remaining Nkx2.1+ precursors still succeeded to give rise to post-mitotic neurons in vitro and in vivo in the Nkx2.1-/-, they completely lost the capacity to differentiate in astrocytes. Altogether, these observations indicate for the first time that the transcription factor Nkx2.1 regulates the proliferation and differentiation of precursors in three subpallial domains that generate early embryonic astroglia and polydendrocytes. Furthermore, in order to investigate the potential function of these early Nkx2.1- derived glia, we have performed multiple immunohistochemical stainings on Nkx2.1-/- and wild-type animals, and Nkx2.1-Cre mice that were crossed to Rosa-DTA+/- mice in which the highly toxic diphtheria toxin aided to selectively deplete a majority of the Nkx2.1-derived cells. Interestingly, in these two mutants, we observed a drastic and significant loss of GFAP+, GLAST+, NG2+ and S100ß+ astroglial cells at the telencephalic midline and in the medial cortical areas. This cells loss could be directly correlated with severe axonal guidance defects observed in the corpus callosum (CC), the hippocampal commissure (HIC), the fornix (F) and the anterior commissure (AC). Axonal guidance is a key step allowing neurons to form specific connections and to become organized in a functional network. The contribution of guidepost cells inside the CC and the AC in mediating the growth of commissural axons have until now been attributed to specialized midline guidepost astroglia. Previous published results in our group have unravelled that, during embryonic development, the CC is populated in addition to astroglia by numerous glutamatergic and GABAergic guidepost neurons that are essential for the correct midline crossing of callosal axons. Therefore, the relative contribution of individual neuronal or glial populations towards the guidance of commissural axons remains largely to be investigated to understand guidance mechanisms further. Thus, we crossed Nkx2.1-Cre mice with NSE-DTA+/- mice that express the diphtheria toxin only in neurons and allowed us to selectively deplete Nkx2.1-derived GABAergic neurons. Interestingly, in the Nkx2.1-/- mice, the CC midline was totally disorganized and the callosal axons partly lost their orientation, whereas in the Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- and the Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice, the axonal organization of the CC was not affected. In the three types of mice, hippocampal axons of the fornix were not properly fasciculated and formed disoriented bundles through the septum. Additionally, the AC formation was completely absent in Nkx2.1-/- mice and the AC was divided into two/three separate paths in the Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- mice that project in wrong territories. On the other hand, the AC didn't form or was reduced to a relatively narrower tract in the Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice as compared to wild-type AC. These results clearly indicate that midline Nkx2.1-derived cells play a major role in commissural axons pathfinding and that both Nkx2.1-derived guidepost neurons and glia are necessary elements for the correct development of these commissures. Furthermore, during our investigations on Nkx2.1-/- and Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- mice, we noticed similar and severe defects in the erythrocytes distribution and the blood vessels network morphology in the embryonic brain of both mutants. As the Cre-mediated recombination was never observed to occur in the blood vessels of Nkx2.1-Cre mice, we inferred that the vessels defects observed were due to the loss of Nkx2.1-derived cells and not to the cells autonomous effects of Nkx2.1 in regulating endothelial cell precursors. Thereafter, the respective contribution of individual Nkx2.1-regulated neuronal or glial populations in the blood vessels network building were studied with the use of transgenic mice strains. Indeed, the use of Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice indicated that the Nkx2.1-derived neurons were not implicated in this process. Finally, to discriminate between the two Nkx2.1-derived glial cell populations, the GLAST+ astroglia and the NG2+ polydendrocytes, an NG2-Cre mouse strain crossed to the Rosa-DTA+/- mice was used. In that mutant, the blood vessel network and the erythrocytes distribution were similarly affected as observed in Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- animals. Therefore, this result indicates that most probably, the NG2+ polydendrocytes are involved in helping to build the vessels network in the brain. Taken altogether, these observations show that during brain development, Nkx2.1- derived embryonic glial cells act as guidepost cells on the guidance of axons as well as forming vessels. Both Nkx2.1-regulated guidepost GABAergic neurons and glia collaborate to guide growing commissural axons, while polydendrocytes are implicated in regulating brain angiogenesis. - Le tissu cérébral est composé de cellules neuronales et gliales générées dans les couches germinales qui bordent les ventricules. Ces cellules se divisent, se différencient et migrent selon des voies particulières. La spécification des interneurones GABAergiques et des neurones glutamatergiques a été largement étudiée, par contre, l'origine, le destin et la fonction des cellules gliales précoces du télencéphale embryonnaire restent peu élucidées. Depuis longtemps, il était communément accepté que les cellules gliales, et plus particulièrement les astrocytes, sont générés après la neurogénèse à partir du télencéphale dorsal. Toutefois, notre travail montre que de nombreuses cellules gliales sont générées à partir de précurseurs ventraux qui expriment le gène Nkx2.1, entre E14.5 et E16.5, c'est-à dire,à des stades embryonnaires très précoces. Le gène NK2 homéobox 1 (Nkx2.1) appartient à une famille de facteurs de transcription appelée NK2. Il s'agit de protéines qui contiennent un homéo-domaine. La spécification des précurseurs de la MGE requiert l'expression du gène homéobox Nkx2.1. De plus, la fonction du gène Nkx2.1 dans la régulation de la spécification des interneurones GABAergiques et des oligodendrocytes dans le télencéphale ventral était déjà connue. Au cours de mon travail de thèse, j'ai également mis en évidence que, Nkx2.1 régule aussi les étapes de prolifération et de différenciation de divers sous-types de cellules gliales soit de type astrocytes ou bien polydendrocytes. L'utilisation d'un anticorps contre la protéine Nkx2.1 ainsi qu'une sonde à ribonucléotides contre l'ARN messager du gène Nkx2.1 ont révélé la présence de nombreuses cellules positives pour Nkx2.1 qui exprimaient des marqueurs astrocytaires (comme GLAST et GFAP) dans le télencéphale embryonnaire. Afin de déterminer de manière sélective le sort des interneurones GABAergiques, des polydendrocytes et des astrocytes dérivés de la MGE, nous avons croisé soit des souris Nkx2.1-Cre, des souris Glast-Cre ERT+/- inductibles ou bien des souris NG2-Cre avec des souris Rosa26-lox-STOP-lox-YFP (Rosa26-YFP) Cre rapportrices. L'origine précise des astroglies positives pour Nkx2.1 a été directement établie en combinant une coloration immunologique pour les glies et une électroporation focale d'un plasmide pCAG-GS-EGFP dans les domaines subpalliaux de tranches organotypiques, puis également, par des cultures de neurosphères in vitro et des expériences d'électroporation in utero d'un plasmide pCAG-GS-tomato dans le pallium ventral d'embryons Nkx2.1-Cre+/Rosa- YFP+/- au stade E14.5. Nous avons donc confirmé que les trois régions germinales du télencéphale ventral, c'est-à-dire, la MGE, l'AEP/POA et le noyau triangulaire septal sont capables de générer des cellules astrogliales. D'autre part, l'immunohistochimie pour plusieurs marqueurs d'astrocytes ou de polydendrocytes, dans les embryons Nkx2.1-/- et contrôles ainsi que dans les neurosphères, a révélé une sévère perte de ces deux types gliaux chez les mutants. Nous avons trouvé que la perte de glies correspondait à une diminution de la capacité de division des précurseurs dérivés de Nkx2.1, ainsi que l'incapacité de ces précurseurs de se différencier en cellules gliales. Nous avons en effet observé une diminution importante des cellules BrdU+ en division exprimant Nkx2.1dans la MGE*, la POA* et le noyau septal* des mutants pour Nkx2.1. D'autre part, nous avons pu mettre en évidence aussi bien in vitro, qu'in vivo, que certains précurseurs Nkx2.1+ chez le mutant gardent la capacité à se différencier en neurones tandis qu'ils perdent celle de se différencier en cellules gliales. Prises dans leur ensemble, ces observations indiquent pour la première fois que le facteur de transcription Nkx2.1 régule les étapes de prolifération et de différentiation des précurseurs des trois domaines subpalliaux qui génèrent les astroglies et polydendrocytes embryonnaires précoces. Par la suite, dans le but de comprendre la fonction potentielle de ces glies précoces, nous avons procédé à de multiples colorations immunohistochimiques sur des animaux Nkx2.1-/- et sauvages, ainsi que sur des souris Nkx2.1-Cre croisées à des souris Rosa-DTA+/- dans lesquelles la toxine diphthérique hautement toxique a permis de supprimer sélectivement la majorité des cellules dérivées de Nkx2.1. De manière intéressante, nous avons observé dans ces deux mutants, une perte drastique et significative de cellules astrogliales GFAP+, GLAST+ et polydendrocytaires NG2+ et S100ß+ dans le télencéphale, à la midline et dans les aires corticales médianes. Ces pertes ont pu être directement corrélées avec des défauts de guidage axonal observés dans le corps calleux (CC), la commissure hippocampique (HIC), le fornix (F) et la commissure antérieure (AC). Le guidage axonal est une étape clé permettant aux neurones de former des connections spécifiques et de s'organiser dans un réseau fonctionnel. La contribution des cellules « guidepost » dans le CC et dans la AC comme médiateurs de la croissance des axones commissuraux à jusqu'à aujourd'hui été attribuée spécifiquement à des astroglies « guidepost » de la midline. Des résultats publiés précédemment dans notre groupe, ont permis de montrer que, pendant le développement embryonnaire, le CC est peuplé en plus de la glie par de nombreux neurones « guidepost » glutamatergiques et GABAergiques qui sont essentiels pour le croisement correct des axones callosaux à la midline. Ainsi, la contribution relative des populations individuelles neuronales ou gliales pour le guidage des axones commissuraux demande à être approfondie afin de mieux comprendre les mécanismes de guidage. A ces fins, nous avons croisé des souris Nkx2.1-Cre avec des souris NSE-DTA+/- qui expriment la toxine diphthérique uniquement dans les neurones et ainsi, nous avons pu sélectivement supprimer les neurones dérivés de domaines Nkx2.1+. Dans les souris Nkx2.1-/-,nous avons découvert que le CC était désorganisé avec des axones callosaux perdant partiellement leur orientation, alors que dans les souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- et Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/-, l'organisation axonale n'était pas affectée. De plus, les faisceaux hippocampiques du fornix étaient défasciculés dans les trois types de mutants. Par ailleurs, la formation de la commissure antérieure (AC) était complètement absente dans les souris Nkx2.1-/- d'une part, et d'autre part, celle-ci était divisée en deux à trois voies séparées dans les souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-. Finalement, la AC était soit absente, soit réduite de manière ne former plus qu'un faisceau relativement plus étroit dans les souris Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- en comparaison avec la AC sauvage. Ces derniers résultats indiquent clairement que les cellules dérivées de Nkx2.1 à la midline, jouent un rôle majeur dans le guidage des axones commissuraux et que, autant les neurones, que les astrocytes « guidepost » dérivés de Nkx2.1, sont des éléments nécessaires au développement correct de ces commissures. En outre, lors de nos investigations sur les souris Nkx2.1-/- et Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-, nous avons remarqués des défauts sévères et similaires dans la distribution des erythrocytes et dans la morphologie du réseau de vaisseaux sanguins dans le cerveau embryonnaire des deux mutants précités. Puisque nous n'avons jamais observé de recombinaison de la Cre recombinase dans les vaisseaux sanguins des souris Nkx2.1Cre, nous en avons déduit que les défauts de vaisseaux observés étaient dus à la perte de cellules dérivées de Nkx2.1. Il existerait donc en plus de la fonction cellulaire autonome de Nkx2.1 reconnue pour régulée directement la spécification des cellules endothéliales, une fonction indirecte de Nkx2.1. Afin de déterminer la contribution respective des populations individuelles neuronales ou gliales régulées par Nkx2.1 dans la construction du réseau de vaisseaux sanguins, nous avons utilisé diverses lignées de souris transgéniques. L'utilisation de souris Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- a indiqué que les neurones dérivés de Nkx2.1 n'étaient pas impliqués dans ce processus. Finalement, afin de discriminer entre les deux populations de cellules gliales dérivées de Nkx2.1, les astroglies et les polydendrocytes, nous avons croisé une lignée de souris NG2-Cre avec des souris Rosa-DTA+/-. Dans ce dernier mutant, le réseau de vaisseaux sanguins du cortex ainsi que la distribution des erythrocytes étaient affectés de la même manière que dans le cortex des souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-. Par conséquent, ce résultat indique que très probablement, les polydendrocytes NG2+ sont impliqués dans la mise en place du réseau de vaisseaux dans le cerveau. Prises dans leur ensemble, ces observations montrent que durant le développement embryonnaire du cerveau, des sous-populations de glies régulées par Nkx2.1 jouent un rôle de cellules « guidepost » dans le guidage des axones, ainsi que des vaisseaux. Les polydendrocytes sont impliquées dans la régulation de l'angiogenèse tandis que, autant les neurones GABAergiques que les astrocytes collaborent dans le guidage des axones commissuraux en croissance.

Impaired fast-spiking, suppressed cortical inhibition and increased susceptibility to seizures in mice lacking Kv3.2 K+ channel proteins

Voltage-gated K+ channels of the Kv3 subfamily have unusual electrophysiological properties, including activation at very depolarized voltages (positive to −10 mV) and very fast deactivation rates, suggesting special roles in neuronal excitability. In the brain, Kv3 channels are prominently expressed in select neuronal populations, which include fast-spiking (FS) GABAergic interneurons of the neocortex, hippocampus, and caudate, as well as other high-frequency firing neurons. Although evidence points to a key role in high-frequency firing, a definitive understanding of the function of these channels has been hampered by a lack of selective pharmacological tools. We therefore generated mouse lines in which one of the Kv3 genes, Kv3.2, was disrupted by gene-targeting methods. Whole-cell electrophysiological recording showed that the ability to fire spikes at high frequencies was impaired in immunocytochemically identified FS interneurons of deep cortical layers (5-6) in which Kv3.2 proteins are normally prominent. No such impairment was found for FS neurons of superficial layers (2-4) in which Kv3.2 proteins are normally only weakly expressed. These data directly support the hypothesis that Kv3 channels are necessary for high-frequency firing. Moreover, we found that Kv3.2 −/− mice showed specific alterations in their cortical EEG patterns and an increased susceptibility to epileptic seizures consistent with an impairment of cortical inhibitory mechanisms. This implies that, rather than producing hyperexcitability of the inhibitory interneurons, Kv3.2 channel elimination suppresses their activity. These data suggest that normal cortical operations depend on the ability of inhibitory interneurons to generate high-frequency firing.