Robo1 regulates the development of major axon tracts and interneuron migration in the forebrain

The Slit genes encode secreted ligands that regulate axon branching, commissural axon pathfinding and neuronal migration. The principal identified receptor for Slit is Robo ( Roundabout in Drosophila). To investigate Slit signalling in forebrain development, we generated Robo1 knockout mice by targeted deletion of exon 5 of the Robo1 gene. Homozygote knockout mice died at birth, but prenatally displayed major defects in axon pathfinding and cortical interneuron migration. Axon pathfinding defects included dysgenesis of the corpus callosum and hippocampal commissure, and abnormalities in corticothalamic and thalamocortical targeting. Slit2 and Slit1/2 double mutants display malformations in callosal development, and in corticothalamic and thalamocortical targeting, as well as optic tract defects. In these animals, corticothalamic axons form large fasciculated bundles that aberrantly cross the midline at the level of the hippocampal and anterior commissures, and more caudally at the medial preoptic area. Such phenotypes of corticothalamic targeting were not observed in Robo1 knockout mice but, instead, both corticothalamic and thalamocortical axons aberrantly arrived at their respective targets at least 1 day earlier than controls. By contrast, in Slit mutants, fewer thalamic axons actually arrive in the cortex during development. Finally, significantly more interneurons ( up to twice as many at E12.5 and E15.5) migrated into the cortex of Robo1 knockout mice, particularly in both rostral and parietal regions, but not caudal cortex. These results indicate that Robo1 mutants have distinct phenotypes, some of which are different from those described in Slit mutants, suggesting that additional ligands, receptors or receptor partners are likely to be involved in Slit/Robo signalling.

A new method for modulating the activity of parvalbumin-positive neurons and cerebellar Purkinje cells in vivo

Neurons can be divided into various classes according to their location, morphology, neurochemical identity and electrical properties. They form complex interconnected networks with precise roles for each cell type. GABAergic neurons expressing the calcium-binding protein parvalbumin (Pv) are mainly interneurons, which serve a coordinating function. Pv-cells modulate the activity of principal cells with high temporal precision. Abnormalities of Pv-interneuron activity in cortical areas have been linked to neuropsychiatric illnesses such as schizophrenia. Cerebellar Purkinje cells are known to be central to motor learning. They are the sole output from the layered cerebellar cortex to deep cerebellar nuclei. There are still many open questions about the precise role of Pv-neurons and Purkinje cells, many of which could be answered if one could achieve rapid, reversible cell-type specific modulation of the activity of these neurons and observe the subsequent changes at the whole-animal level. The aim of these studies was to develop a novel method for the modulation of Pv-neurons and Purkinje cells in vivo and to use this method to investigate the significance of inhibition in these neuronal types with a variety of behavioral experiments in addition to tissue autoradiography, electrophysiology and immunohistochemistry. The GABA(A) receptor γ2 subunit was ablated from Pv-neurons and Purkinje cells in four separate mouse lines. Pv-Δγ2 mice had wide-ranging behavioral alterations and increased GABA-insensitive binding indicative of an altered GABA(A) receptor composition, particularly in midbrain areas. PC-Δγ2 mice experienced little or no motor impairment despite the lack of inhibition in Purkinje cells. In Pv-Δγ2-partial rescue mice, a reversal of motor and cognitive deficits was observed in addition to restoration of the wild-type γ2F77 subunit to the reticular nucleus of thalamus and the cerebellar molecular layer. In PC-Δγ2-swap mice, zolpidem sensitivity was restored to Purkinje cells and the administration of systemic zolpidem evoked a transient motor impairment. On the basis of these results, it is concluded that this new method of cell-type specific modulation is a feasible way to modulate the activity of selected neuronal types. The importance of Purkinje cells to motor control supports previous studies, and the crucial involvement of Pv-neurons in a range of behavioral modalities is confirmed.

Tonically Active Kainate Receptors (tKARs) : A Novel Mechanism Regulating Neuronal Function in the Brain

Fast excitatory transmission between neurons in the central nervous system is mainly mediated by L-glutamate acting on ligand gated (ionotropic) receptors. These are further categorized according to their pharmacological properties to AMPA (2-amino-3-(5-methyl-3-oxo-1,2- oxazol-4-yl)propanoic acid), NMDA (N-Methyl-D-aspartic acid) and kainate (KAR) subclasses. In the rat and the mouse hippocampus, development of glutamatergic transmission is most dynamic during the first postnatal weeks. This coincides with the declining developmental expression of the GluK1 subunit-containing KARs. However, the function of KARs during early development of the brain is poorly understood. The present study reveals novel types of tonically active KARs (hereafter referred to as tKARs) which play a central role in functional development of the hippocampal CA3-CA1 network. The study shows for the first time how concomitant pre- and postsynaptic KAR function contributes to development of CA3-CA1 circuitry by regulating transmitter release and interneuron excitability. Moreover, the tKAR-dependent regulation of transmitter release provides a novel mechanism for silencing and unsilencing early synapses and thus shaping the early synaptic connectivity. The role of GluK1-containing KARs was studied in area CA3 of the neonatal hippocampus. The data demonstrate that presynaptic KARs in excitatory synapses to both pyramidal cells and interneurons are tonically activated by ambient glutamate and that they regulate glutamate release differentially, depending on target cell type. At synapses to pyramidal cells these tKARs inhibit glutamate release in a G-protein dependent manner but in contrast, at synapses to interneurons, tKARs facilitate glutamate release. On the network level these mechanisms act together upregulating activity of GABAergic microcircuits and promoting endogenous hippocampal network oscillations. By virtue of this, tKARs are likely to have an instrumental role in the functional development of the hippocampal circuitry. The next step was to investigate the role of GluK1 -containing receptors in the regulation of interneuron excitability. The spontaneous firing of interneurons in the CA3 stratum lucidum is markedly decreased during development. The shift involves tKARs that inhibit medium-duration afterhyperpolarization (mAHP) in these neurons during the first postnatal week. This promotes burst spiking of interneurons and thereby increases GABAergic activity in the network synergistically with the tKAR-mediated facilitation of their excitatory drive. During development the amplitude of evoked medium afterhyperpolarizing current (ImAHP) is dramatically increased due to decoupling tKAR activation and ImAHP modulation. These changes take place at the same time when the endogeneous network oscillations disappear. These tKAR-driven mechanisms in the CA3 area regulate both GABAergic and glutamatergic transmission and thus gate the feedforward excitatory drive to the area CA1. Here presynaptic tKARs to CA1 pyramidal cells suppress glutamate release and enable strong facilitation in response to high-frequency input. Therefore, CA1 synapses are finely tuned to high-frequency transmission; an activity pattern that is common in neonatal CA3-CA1 circuitry both in vivo and in vitro. The tKAR-regulated release probability acts as a novel presynaptic silencing mechanism that can be unsilenced in response to Hebbian activity. The present results shed new light on the mechanisms modulating the early network activity that paves the way for oscillations lying behind cognitive tasks such as learning and memory. Kainate receptor antagonists are already being developed for therapeutic use for instance against pain and migraine. Because of these modulatory actions, tKARs also represent an attractive candidate for therapeutic treatment of developmentally related complications such as learning disabilities.

Self-organization of spinal reflexes involving homonymous, antagonist and synergistic interactions

Recent results in spinal research are challenging the historical view that the spinal reflexes are mostly hardwired and fixed behaviours. In previous work we have shown that three of the simplest spinal reflexes could be self-organised in an agonist-antagonist pair of muscles. The simplicity of these reflexes is given from the fact that they entail at most one interneuron mediating the connectivity between afferent inputs and efferent outputs. These reflexes are: the Myotatic, the Reciprocal Inibition and the Reverse Myotatic reflexes. In this paper we apply our framework to a simulated 2D leg model actuated by six muscles (mono- and bi-articular). Our results show that the framework is successful in learning most of the spinal reflex circuitry as well as the corresponding behaviour in the more complicated muscle arrangement. © 2012 Springer-Verlag.

Nutritional Control of L1 Arrest and Recovery in Caenorhabditis elegans by Insulin-like Peptides and Signaling

Animals must coordinate development with fluctuating nutrient availability. Nutrient availability governs post-embryonic development in Caenorhabditis elegans: larvae that hatch in the absence of food do not initiate post-embryonic development but enter "L1 arrest" (or "L1 diapause") and can survive starvation for weeks, while rapidly resume normal development once get fed. Insulin-like signaling (IIS) has been shown to be a key regulator of L1 arrest and recovery. However, the C. elegans genome encodes 40 insulin-like peptides (ILPs), and it is unknown which peptides participate in nutritional control of L1 arrest and recovery. Work in other contexts has identified putative receptor agonists and antagonists, but the extent of specificity versus redundancy is unclear beyond this distinction.

We measured mRNA expression dynamics with high temporal resolution for all 40 insulin-like genes during entry into and recovery from L1 arrest. Nutrient availability influences expression of the majority of insulin-like genes, with variable dynamics suggesting complex regulation. We identified 13 candidate agonists and 8 candidate antagonists based on expression in response to nutrient availability. We selected ten candidate agonists (daf-28, ins-3, ins-4, ins-5, ins-6, ins-7, ins-9, ins-26, ins-33 and ins-35) for further characterization in L1 stage larvae. We used destabilized reporter genes to determine spatial expression patterns. Expression of candidate agonists was largely overlapping in L1 stage larvae, suggesting a role of the intestine, chemosensory neurons ASI and ASJ, and the interneuron PVT in systemic control of L1 development. Transcriptional regulation of candidate agonists was most significant in the intestine, as if nutrient uptake was a more important influence on transcription than sensory perception. Scanning in the 5' upstream promoter region of these 40 ILPs, We found that transcription factor PQM-1 and GATA putative binding sites are depleted in the promoter region of antagonists. A novel motif was also found to be over-represented in ILPs.

Phenotypic analysis of single and compound deletion mutants did not reveal effects on L1 recovery/developmental dynamics, though simultaneous disruption of ins-4 and daf-28 extended survival of L1 arrest without enhancing thermal tolerance, while overexpression of ins-4, ins-6 or daf-28 shortened L1 survival. Simultaneous disruption of several ILPs showed a temperature independent, transient dauer phenotype. These results revealed the relative redundancy and specificity among agonistic ILPs.

TGF- β and steroid hormone (SH) signaling have been reported to control the dauer formation along with IIS. Our preliminary results suggest they may also mediate the IIS control of L1 arrest and recovery, as the expression of several key components of TGF-β and SH signaling pathway genes are negatively regulated by DAF-16, and loss-of-function of these genes partially represses daf-16 null phenotype in L1 arrest, and causes a retardation in L1 development.

In summary, my dissertation study focused on the IIS, characterized the dynamics and sites of ILPs expression in response to nutrient availability, revealed the function of specific agonistic ILPs in L1 arrest, and suggested potential cross-regulation among IIS, TGF-β signaling and SH signaling in controlling L1 arrest and recovery. These findings provide insights into how post-embryonic development is governed by insulin-like signaling and nutrient availability.

Ins-4 and daf-28 function redundantly to regulate C. elegans L1 arrest

© 2014 The Authors.Caenorhabditis elegans larvae reversibly arrest development in the first larval stage in response to starvation (L1 arrest or L1 diapause). Insulin-like signaling is a critical regulator of L1 arrest. However, the C. elegans genome encodes 40 insulin-like peptides, and it is unknown which peptides participate in nutritional control of L1 development. Work in other contexts has revealed that insulin-like genes can promote development ("agonists") or developmental arrest ("antagonists"), suggesting that such agonists promote L1 development in response to feeding. We measured mRNA expression dynamics with high temporal resolution for all 40 insulin-like genes during entry into and recovery from L1 arrest. Nutrient availability influences expression of the majority of insulin-like genes, with variable dynamics suggesting complex regulation. We identified thirteen candidate agonists and eight candidate antagonists based on expression in response to nutrient availability. We selected ten candidate agonists (. daf-28, ins-3, ins-4, ins-5, ins-6, ins-7, ins-9, ins-26, ins-33 and ins-35) for further characterization in L1 stage larvae. We used destabilized reporter genes to determine spatial expression patterns. Expression of candidate agonists is largely overlapping in L1 stage larvae, suggesting a role of the intestine, chemosensory neurons ASI and ASJ, and the interneuron PVT in control of L1 development. Transcriptional regulation of candidate agonists is most significant in the intestine, as if internal nutrient status is a more important influence on transcription than sensory perception. Phenotypic analysis of single and compound deletion mutants did not reveal effects on L1 developmental dynamics, though simultaneous disruption of ins-4 and daf-28 increases survival of L1 arrest. Furthermore, overexpression of ins-4, ins-6 or daf-28 alone decreases survival and promotes cell division during starvation. These results suggest extensive functional overlap among insulin-like genes in nutritional control of L1 development while highlighting the role of ins-4, daf-28 and to a lesser extent ins-6.

Impact du genre et du modèle sur les mécanismes d’épileptogénèse dans le cerveau immature

Les modèles kainate et pentylènetétrazole représentent deux modèles d’épilepsie du lobe temporal dont les conséquences à long terme sont différentes. Le premier est un modèle classique d’épileptogénèse avec crises récurrentes spontanées tandis que le second se limite aux crises aigües. Nous avons d’abord caractérisé les différents changements survenant dans les circuits excitateurs et inhibiteurs de l’hippocampe adulte de rats ayant subi des crises à l’âge immature. Ensuite, ayant observé dans le modèle fébrile une différence du pronostic lié au genre, nous avons voulu savoir si cette différence était aussi présente dans des modèles utilisant des neurotoxines. L’étude électrophysiologique a démontré que les rats KA et PTZ, mâles comme femelles, présentaient une hyperactivité des récepteurs NMDA au niveau des cellules pyramidales du CA1, CA3 et DG. Les modifications anatomiques sous-tendant cette hyperexcitabilité ont été étudiées et les résultats ont montré une perte sélective des interneurones GABAergiques contenant la parvalbumine dans les couches O/A du CA1 des mâles KA et PTZ. Chez les femelles, seul le DG était légèrement affecté pour les PTZ tandis que les KA présentaient, en plus du DG, des pertes importantes au niveau de la couche O/A. Les évaluations cognitives ont démontré que seuls les rats PTZ accusaient un déficit spatial puisque les rats KA présentaient un apprentissage comparable aux rats normaux. Cependant, encore une fois, cette différence n’était présente que chez les mâles. Ainsi, nos résultats confirment qu’il y a des différences liées au genre dans les conséquences des convulsions lorsqu’elles surviennent chez l’animal immature.

Mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la régulation du développement des circuits d’interneurones GABAergiques dans le néocortex : rôle de la molécule d’adhésion cellulaire neurale (NCAM)

Les interneurones GABAergiques constituent une population mineure de cellules par rapport aux neurones glutamatergiques dans le néocortex. Cependant ils contrôlent fortement l'excitabilité neuronale, la dynamique des réseaux neuronaux et la plasticité synaptique. L'importance des circuits GABAergiques dans le processus fonctionnel et la plasticité des réseaux corticaux est soulignée par des résultats récents qui montrent que des modifications très précises et fiables des circuits GABAergiques sont associées à divers troubles du développement neurologique et à des défauts dans les fonctions cérébrales. De ce fait, la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires impliquant le développement des circuits GABAergiques est la première étape vers une meilleure compréhension de la façon dont les anomalies de ces processus peuvent se produire. La molécule d’adhésion cellulaire neurale (NCAM) appartient à la super-famille des immunoglobulines de reconnaissance cellulaire et est impliquée dans des interactions homophiliques et hétérophiliques avec d’autres molécules. Même si plusieurs rôles de NCAM ont été démontrés dans la croissance neuronale, la fasciculation axonale, la formation et la maturation de synapses, de même que dans la plasticité cellulaire de plusieurs systèmes, le rôle de NCAM dans la formation des synapses GABAergiques reste inconnu. Ce projet visait donc à déterminer le rôle précis de NCAM dans le processus de maturation des synapses GABAergiques dans le néocortex, en modulant son expression à différentes étapes du développement. L’approche choisie a été de supprimer NCAM dans des cellules GABAergiques à paniers avant la maturation des synapses (EP12-18), pendant la maturation (EP16-24), ou durant le maintien de celles-ci (EP24-32). Les méthodes utilisées ont été le clonage moléculaire, l’imagerie confocale, la culture de coupes organotypiques et des techniques morphométriques de quantification de l’innervation GABAergique. Nos résultats montrent que l’inactivation de NCAM durant la phase de maturation des synapses périsomatiques (EP16-24) cause une réduction du nombre de synapses GABAergiques périsomatiques et du branchement de ces axones. En revanche, durant la phase de maintien (EP26-32), l’inactivation de NCAM n’a pas affecté ces paramètres des synapses GABAergiques. Or, il existe trois isoformes de NCAM (NCAM120, 140 et 180) qui pourraient jouer des rôles différents dans les divers types cellulaires ou à des stades développementaux différents. Nos données montrent que NCAM120 et 140 sont nécessaires à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Cependant, NCAM180, qui est l’isoforme la plus étudiée et caractérisée, ne semble pas être impliquée dans ce processus. De plus, l’inactivation de NCAM n’a pas affecté la densité des épines dendritiques ou leur longueur. Elle est donc spécifique aux synapses périsomatiques GABAeriques. Finalement, nos résultats suggèrent que le domaine conservé C-terminal KENESKA est essentiel à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Des expériences futures nous aiderons à mieux comprendre la mécanistique et les différentes voies de signalisation impliquées.

Mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de l’acide polysialique (PSA) dans le néocortex visuel des souris durant la maturation des synapses GABAergiques

Le fonctionnement du cortex cérébral nécessite l’action coordonnée de deux des sous-types majeurs de neurones, soient les neurones à projections glutamatergiques et les interneurones GABAergiques. Les interneurones GABAergiques ne constituent que 20 à 30% des cellules corticales par rapport au grand nombre de neurones glutamatergiques. Leur rôle est toutefois prépondérant puisqu’ils modulent fortement la dynamique et la plasticité des réseaux néocorticaux. Il n’est donc pas surprenant que les altérations de développement des circuits GABAergiques soient associées à plusieurs maladies du cerveau, incluant l’épilepsie, le syndrome de Rett et la schizophrénie. La compréhension des mécanismes moléculaires régissant le développement des circuits GABAergiques est une étape essentielle menant vers une meilleure compréhension de la façon dont les anormalités se produisent. Conséquemment, nous nous intéressons au rôle de l’acide polysialique (PSA) dans le développement des synapses GABAergiques. PSA est un homopolymère de chaînons polysialylés en α-2,8, et est exclusivement lié à la molécule d’adhésion aux cellules neuronales (NCAM) dans les cerveaux de mammifères. PSA est impliqué dans plusieurs processus développementaux, y compris la formation et la plasticité des synapses glutamatergiques, mais son rôle dans les réseaux GABAergiques reste à préciser. Les données générées dans le laboratoire du Dr. Di Cristo démontrent que PSA est fortement exprimé post- natalement dans le néocortex des rongeurs, que son abondance diminue au cours du développement, et, faits importants, que son expression dépend de l’activité visuelle i et est inversement corrélée à la maturation des synapses GABAergiques. La présente propose de caractériser les mécanismes moléculaires régulant l’expression de PSA dans le néocortex visuel de la souris. Les enzymes polysialyltransférases ST8SiaII (STX) et ST8SiaIV (PST) sont responsables de la formation de la chaîne de PSA sur NCAM. En contrôlant ainsi la quantité de PSA sur NCAM, ils influenceraient le développement des synapses GABAergiques. Mon projet consiste à déterminer comment l’expression des polysialyltransférases est régulée dans le néocortex visuel des souris durant la période post-natale; ces données sont à la fois inconnues, et cruciales. Nous utilisons un système de cultures organotypiques dont la maturation des synapses GABAergiques est comparable au modèle in vivo. L’analyse de l’expression génique par qPCR a démontré que l’expression des polysialyltransférases diminue au cours du développement; une baisse majeure corrélant avec l’ouverture des yeux chez la souris. Nous avons de plus illustré pour la première fois que l’expression de STX, et non celle de PST, est activité-dépendante, et que ce processus requiert l’activation du récepteur NMDA, une augmentation du niveau de calcium intracellulaire et la protéine kinase C (PKC). Ces données démontrent que STX est l’enzyme régulant préférentiellement le niveau de PSA sur NCAM au cours de la période post-natale dans le cortex visuel des souris. Des données préliminaires d’un second volet de notre investigation suggèrent que l’acétylation des histones et la méthylation de l’ADN pourraient également contribuer à la régulation de la transcription de cette enzyme durant le développement. Plus d’investigations seront toutefois nécessaires afin de confirmer cette hypothèse. En somme, la connaissance des mécanismes par lesquels l’expression des ii polysialyltransférases est modulée est essentielle à la compréhension du processus de maturation des synapses GABAergiques. Ceci permettrait de moduler pharmacologiquement l’expression de ces enzymes; la sur-expression de STX et/ou PST pourrait produire une plus grande quantité de PSA, déstabiliser les synapses GABAergiques, et conséquemment, ré-induire la plasticité cérébrale.

Impact d’un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions sur le développement des interneurones corticaux : rôle de l’adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK)

L’encéphalopathie hypoxique-­‐ischémique cause des milliers de victimes à travers le monde chaque année. Les enfants survivants à un épisode hypoxique-­‐ischémique sont à risque de développer des problèmes neurologiques incapacitants comme une paralysie cérébrale, un retard mental, une épilepsie ou des troubles d’ordre comportemental. Les modèles animaux ont amélioré nos connaissances sur les mécanismes sous-­‐jacents aux dommages cérébraux, mais elles sont encore trop incomplètes pour être capables de prévenir les problèmes neurologiques. Ce projet vise à comprendre l’impact d’un épisode asphyxique périnatale associé à des convulsions ainsi que l’activation de l’adenosine monophosphate-­‐activated protein kinase (AMPK) sur les circuits GABAergiques inhibiteurs en développement chez la souris. Dans le but d’investiguer le sort des neurones inhibiteurs, appelés interneurones, suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions avec des animaux transgéniques, nous avons pris avantage d’un nouveau modèle d’hypoxie permettant d’induire des convulsions chez la souris. Deux populations d’interneurones représentant ensemble environ 60% de tous les interneurones corticaux ont été étudiées, soit les cellules exprimant la parvalbumine (PV) et les cellules exprimant la somatostatine (SOM). L’étude stéréologique n’a montré aucune mort neuronale de ces deux populations d’interneurones dans l’hippocampe chez les souris hypoxique d’âge adulte. Par contre, le cortex des souris hypoxiques présentait des zones complètement ou fortement dépourvues de cellules PV alors que les cellules SOM n’étaient pas affectées. L’utilisation d’une lignée de souris transgénique exprimant une protéine verte fluorescente (GFP) dans les cellules PV nous a permis de comprendre que les trous PV sont le reflet de deux choses : 1) une diminution des cellules PV et 2) une immaturité des cellules PV restantes. Puisque les cellules PV sont spécifiquement affectées dans la première partie de notre étude, nous avons voulu étudier les mécanismes moléculaires sous-­‐jacents à cette vulnérabilité. L’AMPK est un senseur d’énergie qui orchestre le rétablissement des i niveaux d’énergie cellulaire dans le cas d’une déplétion énergétique en modulant des voies de signalisation impliquant la synthèse de protéines et l’excitabilité membranaire. Il est possible que l’activation d’AMPK suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions soit néfaste à long-­‐terme pour le circuit GABAergique en développement et modifie l’établissement de l’innervation périsomatique d’une cellule PV sur les cellules pyramidales. Nous avons étudié cette hypothèse dans un modèle de culture organotypique en surexprimant la forme wild-­‐type (WT) de la sous-­‐unité α2 d’AMPK, ainsi qu’une forme mutée dominante négative (DN), dans des cellules PV individuelles. Nous avons montré que pendant la phase de formation synaptique (jours post-­‐natals équivalents EP 10-­‐18), la surexpression de la forme WT désorganise la stabilisation des synapses. De plus, l’abolition de l’activité d’AMPK semble augmenter le nombre de synapses périsomatiques faits par la cellule PV sur les cellules pyramidales pendant la phase de formation et semble avoir l’effet inverse pendant la phase de maturation (EP 16-­‐24). La neurotransmission GABAergique joue plusieurs rôles dans le cerveau, depuis la naissance jusqu’à l’âge adulte des interneurones, et une dysfonction des interneurones a été associée à plusieurs troubles neurologiques, comme la schizophrénie, l’autisme et l’épilepsie. La maturation des circuits GABAergiques se fait majoritairement pendant la période post-­‐natale et est hautement dépendante de l’activité neuronale et de l’expérience sensorielle. Nos résultats révèlent que le lourd fardeau en demande énergétique d’un épisode asphyxique périnatal peut causer une mort neuronale sélective des cellules PV et compromettre l’intégrité de leur maturation. Un des mécanismes sous-­‐ jacents possible à cette immaturité des cellules PV suite à l’épisode hypoxique est l’activation d’AMPK, en désorganisant leur profil d’innervation sur les cellules pyramidales. Nous pensons que ces changements dans le réseau GABAergique pourrait contribuer aux problèmes neurologiques associés à une insulte hypoxique.

Rôle de la plasticité synaptique des interneurones somatostatinergiques dans l’apprentissage et la mémoire dépendants de l’hippocampe

La plasticité synaptique activité-dépendante forme la base physiologique de l’apprentissage et de la mémoire dépendants de l’hippocampe. Le rôle joué par les différents sous-types d’interneurones dans l’apprentissage et la mémoire hippocampiques reste inconnu, mais repose probablement sur des mécanismes de la plasticité spécifique aux synapses de certains sous-types d’interneurones. Les synapses excitatrices établies sur les interneurones de l’oriens-alveus dans l’aire CA1 exhibent une forme persistante de potentialisation à long terme induite par la stimulation chimique des récepteurs métabotropiques du glutamate de type 1 (mGluR1) [mGluR1-mediated chemical late long-term potentiation (cL-LTPmGluR1)]. Le présent projet de recherche avait pour objectifs d’identifier les sous-types d’interneurones de l’oriens-alveus exprimant la cL-LTPmGluR1 et d’examiner les mécanismes d’induction et d’expression de celle-ci. Nous avons déterminé que la stimulation répétée des mGluR1 induit de la cL-LTPmGluR1 aux synapses excitatrices établies sur le sous-type d’interneurones exprimant le peptide somatostatine (SOM-INs). Des enregistrements électrophysiologiques couplés à des inhibiteurs pharmacologiques et à un knock-out fonctionnel de mammalian target of rapamycin complexe 1 (mTORC1) ont montré que l’induction de la cL-LTPmGluR1 (qui consiste en trois applications de l’agoniste des mGluR1/5, le (S)-3,5-dihydroxyphénylglycine (DHPG) en présence de l’antagoniste des récepteurs métabotropiques du glutamate de type 5 (mGluR5), le 2-méthyl-6-(phényléthynyl)-pyridine (MPEP)) des SOM-INs requiert les voies de signalisation des mGluR1, de extracellular signal-regulated protein kinase (ERK) et de mTORC1. L’ensemble de nos résultats montre qu’une forme persistante de plasticité synaptique sous-tendue par mTORC1 est induite par la stimulation répétée des mGluR1 dans les interneurones hippocampiques exprimant le peptide somatostatine. La connaissance des mécanismes sous-tendant la cL-LTPmGluR1, couplée à l’utilisation de modèles animal in vivo, rendront maintenant possible le blocage de la cL-LTPmGluR1 dans les SOM-INs et l’examen de son rôle dans l’apprentissage et la mémoire dépendants de l’hippocampe.

Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Bases moléculaires et cellulaires d’un trouble neurodéveloppemental causé par l’haploinsuffisance de SYNGAP1.

La déficience intellectuelle est la cause d’handicap la plus fréquente chez l’enfant. De nombreuses évidences convergent vers l’idée selon laquelle des altérations dans les gènes synaptiques puissent expliquer une fraction significative des affections neurodéveloppementales telles que la déficience intellectuelle ou encore l’autisme. Jusqu’à récemment, la majorité des mutations associées à la déficience intellectuelle a été liée au chromosome X ou à la transmission autosomique récessive. D’un autre côté, plusieurs études récentes suggèrent que des mutations de novo dans des gènes à transmission autosomique dominante, requis dans les processus de la plasticité synaptique peuvent être à la source d’une importante fraction des cas de déficience intellectuelle non syndromique. Par des techniques permettant la capture de l’exome et le séquençage de l’ADN génomique, notre laboratoire a précédemment reporté les premières mutations pathogéniques dans le gène à transmission autosomique dominante SYNGAP1. Ces dernières ont été associées à des troubles comportementaux tels que la déficience intellectuelle, l’inattention, des problèmes d’humeur, d’impulsivité et d’agressions physiques. D’autres patients sont diagnostiqués avec des troubles autistiques et/ou des formes particulières d’épilepsie généralisée. Chez la souris, le knock-out constitutif de Syngap1 (souris Syngap1+/-) résulte en des déficits comme l’hyperactivité locomotrice, une réduction du comportement associée à l’anxiété, une augmentation du réflexe de sursaut, une propension à l’isolation, des problèmes dans le conditionnement à la peur, des troubles dans les mémoires de travail, de référence et social. Ainsi, la souris Syngap1+/- représente un modèle approprié pour l’étude des effets délétères causés par l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur le développement de circuits neuronaux. D’autre part, il est de première importance de statuer si les mutations humaines aboutissent à l’haploinsuffisance de la protéine. SYNGAP1 encode pour une protéine à activité GTPase pour Ras. Son haploinsuffisance entraîne l’augmentation des niveaux d’activité de Ras, de phosphorylation de ERK, cause une morphogenèse anormale des épines dendritiques et un excès dans la concentration des récepteurs AMPA à la membrane postsynaptique des neurones excitateurs. Plusieurs études suggèrent que l’augmentation précoce de l’insertion des récepteurs AMPA au sein des synapses glutamatergiques contribue à certains phénotypes observés chez la souris Syngap1+/-. En revanche, les conséquences de l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur les circuits neuronaux GABAergiques restent inconnues. Les enjeux de mon projet de PhD sont: 1) d’identifier l’impact de mutations humaines dans la fonction de SYNGAP1; 2) de déterminer si SYNGAP1 contribue au développement et à la fonction des circuits GABAergiques; 3) de révéler comment l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux circuits GABAergiques affecte le comportement et la cognition. Nous avons publié les premières mutations humaines de type faux-sens dans le gène SYNGAP1 (c.1084T>C [p.W362R]; c.1685C>T [p.P562L]) ainsi que deux nouvelles mutations tronquantes (c.2212_2213del [p.S738X]; c.283dupC [p.H95PfsX5]). Ces dernières sont toutes de novo à l’exception de c.283dupC, héritée d’un père mosaïque pour la même mutation. Dans cette étude, nous avons confirmé que les patients pourvus de mutations dans SYNGAP1 présentent, entre autre, des phénotypes associés à des troubles comportementaux relatifs à la déficience intellectuelle. En culture organotypique, la transfection biolistique de l’ADNc de Syngap1 wild-type dans des cellules pyramidales corticales réduit significativement les niveaux de pERK, en fonction de l’activité neuronale. Au contraire les constructions plasmidiques exprimant les mutations W362R, P562L, ou celle précédemment répertoriée R579X, n’engendre aucun effet significatif sur les niveaux de pERK. Ces résultats suggèrent que ces mutations faux-sens et tronquante résultent en la perte de la fonction de SYNGAP1 ayant fort probablement pour conséquences d’affecter la régulation du développement cérébral. Plusieurs études publiées suggèrent que les déficits cognitifs associés à l’haploinsuffisance de SYNGAP1 peuvent émerger d’altérations dans le développement des neurones excitateurs glutamatergiques. Toutefois, si, et auquel cas, de quelle manière ces mutations affectent le développement des interneurones GABAergiques résultant en un déséquilibre entre l’excitation et l’inhibition et aux déficits cognitifs restent sujet de controverses. Par conséquent, nous avons examiné la contribution de Syngap1 dans le développement des circuits GABAergiques. A cette fin, nous avons généré une souris mutante knockout conditionnelle dans laquelle un allèle de Syngap1 est spécifiquement excisé dans les interneurones GABAergiques issus de l’éminence ganglionnaire médiale (souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+). En culture organotypique, nous avons démontré que la réduction de Syngap1 restreinte aux interneurones inhibiteurs résulte en des altérations au niveau de leur arborisation axonale et dans leur densité synaptique. De plus, réalisés sur des coupes de cerveau de souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+, les enregistrements des courants inhibiteurs postsynaptiques miniatures (mIPSC) ou encore de ceux évoqués au moyen de l’optogénétique (oIPSC) dévoilent une réduction significative de la neurotransmission inhibitrice corticale. Enfin, nous avons comparé les performances de souris jeunes adultes Syngap1+/-, Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ à celles de leurs congénères contrôles dans une batterie de tests comportementaux. À l’inverse des souris Syngap1+/-, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ ne présentent pas d’hyperactivité locomotrice, ni de comportement associé à l’anxiété. Cependant, elles démontrent des déficits similaires dans la mémoire de travail et de reconnaissance sociale, suggérant que l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux interneurones GABAergiques dérivés de l’éminence ganglionnaire médiale récapitule en partie certains des phénotypes cognitifs observés chez la souris Syngap1+/-. Mes travaux de PhD établissent pour la première fois que les mutations humaines dans le gène SYNGAP1 associés à la déficience intellectuelle causent la perte de fonction de la protéine. Mes études dévoilent, également pour la première fois, l’influence significative de ce gène dans la régulation du développement et de la fonction des interneurones. D’admettre l’atteinte des cellules GABAergiques illustre plus réalistement la complexité de la déficience intellectuelle non syndromique causée par l’haploinsuffisance de SYNGAP1. Ainsi, seule une compréhension raffinée de cette condition neurodéveloppementale pourra mener à une approche thérapeutique adéquate.

An epigenetic signature of developmental potential in neural stem cells and early neurons.

A cardinal property of neural stem cells (NSCs) is their ability to adopt multiple fates upon differentiation. The epigenome is widely seen as a read-out of cellular potential and a manifestation of this can be seen in embryonic stem cells (ESCs), where promoters of many lineage-specific regulators are marked by a bivalent epigenetic signature comprising trimethylation of both lysine 4 and lysine 27 of histone H3 (H3K4me3 and H3K27me3, respectively). Bivalency has subsequently emerged as a powerful epigenetic indicator of stem cell potential. Here, we have interrogated the epigenome during differentiation of ESC-derived NSCs to immature GABAergic interneurons. We show that developmental transitions are accompanied by loss of bivalency at many promoters in line with their increasing developmental restriction from pluripotent ESC through multipotent NSC to committed GABAergic interneuron. At the NSC stage, the promoters of genes encoding many transcriptional regulators required for differentiation of multiple neuronal subtypes and neural crest appear to be bivalent, consistent with the broad developmental potential of NSCs. Upon differentiation to GABAergic neurons, all non-GABAergic promoters resolve to H3K27me3 monovalency, whereas GABAergic promoters resolve to H3K4me3 monovalency or retain bivalency. Importantly, many of these epigenetic changes occur before any corresponding changes in gene expression. Intriguingly, another group of gene promoters gain bivalency as NSCs differentiate toward neurons, the majority of which are associated with functions connected with maturation and establishment and maintenance of connectivity. These data show that bivalency provides a dynamic epigenetic signature of developmental potential in both NSCs and in early neurons. Stem Cells 2013;31:1868-1880.

Caracterização de subpopulações de interneurônios imunorreativos para proteínas ligantes de cálcio no córtex pré-frontal do Sagui (Callithrix jacchus): distribuição e morfologia

Cortical interneurons are characterized by their distinct morphological, physiological and biochemical properties, acting as modulators of the excitatory activity by pyramidal neurons, for example. Various studies have revealed differences in both distribution and density of this cell group throughout distinct cortical areas in several species. A particular class of interneuron closely related to cortical modulation is revealed by the immunohistochemistry for calcium binding proteins calbindin (CB), calretinina (CR) and parvalbumin (PV). Despite the growing amount of studies focusing on calcium binding proteins, the prefrontal cortex of primates remains relatively little explored, particularly in what concerns a better understanding of the organization of the inhibitory circuitry across its subdivisions. In the present study we characterized the morphology and distribution of neurons rich in calcium-binding proteins in the medial, orbital and dorsolateral areas of the prefrontal cortex of the marmoset (Callithrix jacchus). Using both morphometric and stereological techniques, we found that CR-reactive neurons (mainly double bouquet and bipolar cells) have a more complex dendritic arborization than CB-reactive (bitufted and basket cells) and PV-reactive neurons (chandelier cells). The neuronal densities of CR- and CB-reactive cells are higher in the supragranular layers (II/III) whilst PV-reactive neurons, conversely, are more concentrated in the infragranular layers (V/VI). CR-reactive neurons were the predominant group in the three regions evaluated, being most prevalent in dorsomedial region. Our findings point out to fundamental differences in the inhibitory circuitry of the different areas of the prefrontal cortex in marmoset