Identification and analysis of venom gland-specific genes from the coastal taipan (Oxyuranus scutellatus) and related species

Australian terrestrial elapid snakes contain amongst the most potently toxic venoms known. However, despite the well-documented clinical effects of snake bite, little research has focussed on individual venom components at the molecular level. To further characterise the components of Australian elapid venoms, a complementary (cDNA) microarray was produced from the venom gland of the coastal taipan (Oxyuranus scutellatus) and subsequently screened for venom gland-specific transcripts. A number of putative toxin genes were identified, including neurotoxins, phospholipases, a pseudechetoxin-like gene, a venom natriuretic peptide and a nerve growth factor together with other genes involved in cellular maintenance. Venom gland-specific components also included a calglandulin-like protein implicated in the secretion of toxins from the gland into the venom. These toxin transcripts were subsequently identified in seven other related snake species, producing a detailed comparative analysis at the cDNA and protein levels. This study represents the most detailed description to date of the cloning and characterisation of different genes associated with envenomation from Australian snakes.

Know thy neighbour: A normative theory of synaptic depression

Synapses exhibit an extraordinary degree of short-term malleability, with release probabilities and effective synaptic strengths changing markedly over multiple timescales. From the perspective of a fixed computational operation in a network, this seems like a most unacceptable degree of added variability. We suggest an alternative theory according to which short-term synaptic plasticity plays a normatively-justifiable role. This theory starts from the commonplace observation that the spiking of a neuron is an incomplete, digital, report of the analog quantity that contains all the critical information, namely its membrane potential. We suggest that a synapse solves the inverse problem of estimating the pre-synaptic membrane potential from the spikes it receives, acting as a recursive filter. We show that the dynamics of short-term synaptic depression closely resemble those required for optimal filtering, and that they indeed support high quality estimation. Under this account, the local postsynaptic potential and the level of synaptic resources track the (scaled) mean and variance of the estimated presynaptic membrane potential. We make experimentally testable predictions for how the statistics of subthreshold membrane potential fluctuations and the form of spiking non-linearity should be related to the properties of short-term plasticity in any particular cell type.

Experimental implementation of a biometric laser synaptic sensor

We fabricate a biometric laser fiber synaptic sensor to transmit information from one neuron cell to the other by an optical way. The optical synapse is constructed on the base of an erbium-doped fiber laser, whose pumped diode current is driven by a pre-synaptic FitzHugh–Nagumo electronic neuron, and the laser output controls a post-synaptic FitzHugh–Nagumo electronic neuron. The implemented laser synapse displays very rich dynamics, including fixed points, periodic orbits with different frequency-locking ratios and chaos. These regimes can be beneficial for efficient biorobotics, where behavioral flexibility subserved by synaptic connectivity is a challenge.

On the mechanisms of cerebellar synaptic plasticity

Changes in the strength of signalling between neurones are thought to provide a cellular substrate for learning and memory. In the cerebellar cortex, raising the frequency and the strength of parallel fibre (PF) stimulation leads to a long-term depression (LTD) of the strength of signalling at the synapse between PFs and Purkinje cells (PCs), which spreads to distant synapses to the same cell via a nitric oxide (NO) dependent mechanism. At the same synapse, but under conditions of reduced post-synaptic calcium activity, raised frequency stimulation (RFS) of PFs triggers a long-term potentiation of synaptic transmission. The aims of the work described in this thesis were to investigate the conditions necessary for LTD and LTP at this synapse following RFS and to identify the origins and second messenger cascades involved in the induction and spread of LTP and LTD. In thin, parasagittal cerebellar slices whole cell patch clamp recordings were made from PCs and the effects of RFS of one of two, independent PF inputs to the same PC were examined under a range of experimental conditions. Under conditions designed to reduce post-synaptic calcium activity, RFS to a single PF input led to LTP and a decreases in paired pulse facilitation (PPF) in both pathways. This heterosynaptic potentiation was prevented by inhibition of protein kinase A (PKA) or by inhibition of NO synthase with either 7-nitroindazole (7-NI) or NG Nitro-L-argenine methyl ester. Inhibition of guanylate cyclase (GC) or protein kinase G (PKG) had no effect. A similar potentiation was observed upon application of the adenylyl cyclase (AC) activator forskolin or the NO donor spermine NONOate. Both of these treatments also resulted in an increase in the frequency of mEPSCs, which provides further evidence for a presynaptic origin of LTP. Forskolin induced potentiation and the increase in mEPSC frequency were blocked by 7-NI. The styryl dye FM1-43, a fluorescent reporter of endo- and exocytosis, was also used to further examine the possible pre-synaptic origins of LTP. RFS or forskolin application enhanced FM1-43 de-staining and NOS inhibitors blocked this effect. Application of NONOate also enhanced FM1-43 de-staining. When post-synaptic calcium activity was less strictly buffered, RFS to a single PF input led to a transient potentiation that was succeeded by LTD in both pathways. This LTD, which resembled previously described forms, was prevented by inhibition of the NO/cGMP/PKG cascade. Modification of the AC/cAMP/PKA cascade had no effect. In summary, the direction of synaptic plasticity at the PF-PC synapse in response to RFS depends largely on the level of post-synaptic calcium activity. LTP and LTD were non-input specific and both forms of plasticity were dependent on NOS activity. Induction of LTP was mediated by a presynaptic mechanism and depended on NO and cAMP production. LTD on the other hand was a post-synaptic process and required activity of the NO/cGMP/PKG signalling cascade.

The role of alpha-synuclein phosphorylation in synucleinopathies

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas (Neurociências), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2014

Molecular features of glycine-mediated neurotransmission in rat brain

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas (Neurociências), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2015

Évaluation pré-clinique du (–)-[18F]FEOBV: Profil métabolique plasmatique.

Introduction. Plusieurs maladies neurodégénératives bénéficieraient de meilleures ap-proches diagnostiques, dont la maladie d’Alzheimer. Celle-ci affecte en particulier les systèmes cholinergiques du SNC, et de nombreuses études d’imagerie ont tenté d’évaluer la dégénérescence de ce système à des fins diagnostiques, à l’aide de ligands radioactifs de diverses composantes du système ACh. En définitive, la plupart de ces études ne se sont pas montrées satisfaisantes. À la recherche de meilleures approches dans ce domaine, nous avons décidé d’évaluer les possibilités offertes par le (-)-[18F]Fluoroethoxy-benzovesamicol ((-)-[18F]FEOBV), un agent émetteur de positons se liant au VAChT de façon spécifique et réversible. Avant d’en arriver à une utilisation humaine cependant, une validation animale en plusieurs étapes s’avère nécessaire, mais celle-ci nous est apparue justifiée à la lumière de résultats d’études préliminaires en TEP chez le rat, qui se sont montrées très prometteuses. Nous nous sommes donc attaqués à la caractérisation du métabolisme de cet agent. Ceci a exigé, dans un premier temps, la mise au point d’une méthode chromatographique d’analyse des métabolites sanguins et, dans un deuxième temps, l’évaluation de ces métabolites et de leur cinétique chez le rat. Ces données permettront ultérieurement, chez l’humain, de procéder à des études quantitatives en TEP. Étude #1: Une fois les paramètres chromatographiques optimisés, le TR du (–)-FEOBV fut établi à 7.92 ± 0.18 minutes. Étude #2 : Le métabolisme in vivo s’est montré très rapide et temporellement variable, mais un seul métabolite hydrophile a été identifié. La fonction d’apport au cerveau du (–)-[18F]FEOBV a pu être établie après correction pour la présence du métabolite détecté. Conclusion. Dans l’ensemble, le (–)-[18F]FEOBV semble très prometteur en tant que marqueur biologique du système cholinergique pré-synaptique.

Plasticité synaptique dans l’aire tegmentaire ventrale : implication des endocannabinoïdes

Le système dopaminergique (DA) méso-corticolimbique du cerveau, qui prend son origine dans l'aire tegmentaire ventrale (ATV), est fortement impliqué dans les comportements motivés et la toxicomanie. Les drogues d'abus activent ce système et y induisent une plasticité synaptique de longue durée. Les neurones DA de l'ATV reçoivent sur leur arborisation dendritique une grande densité de terminaisons glutamatergiques. Les drogues d'abus induisent une potentialisation à long terme (PLT) de ces contacts glutamatergiques. La PLT est une augmentation prolongée de la transmission synaptique, qui semble sous-tendre la mémoire et l'apprentissage. Les endocannabinoïdes (ECs) sont des neurotransmetteurs qui agissent de façon rétrograde sur des récepteurs présynaptiques (CB1) pour diminuer la libération des neurotransmetteurs comme le glutamate. Les neurones libèrent les ECs à partir de leur compartiment somatodendritique suite à une stimulation des afférences et la dépolarisation membranaire qui s’ensuit. La neurotensine (NT) est un neuropeptide retrouvé de façon abondante dans le système DA du cerveau. Il a été découvert que la NT peut induire la libération des ECs dans le striatum. En faisant appel à une combinaison d’approches immunohistochimique, électrophysiologique et pharmacologique chez la souris, nous avons confirmé dans la première étude de cette thèse la présence des récepteurs CB1 sur les terminaisons glutamatergiques des neurones DA de l'ATV, et avons montré que leur activation induit une diminution de la libération de glutamate. Par ailleurs, nous avons montré que des trains de stimulation peuvent induire la libération des ECs. Nous avons découvert qu'en présence d'un antagoniste des récepteurs CB1, il y a facilitation de l’induction de la PLT. Cette observation suggère que les ECs ont un effet inhibiteur sur l’induction de la PLT, plutôt que sur son expression. Nous avons déterminé que le 2-arachidonoylglycerol (2-AG) est l’EC qui est principalement responsable de cette action inhibitrice. Finalement, la PLT induite en présence d’un antagoniste CB1 est aussi dépendante d'une activation des récepteurs NMDA du glutamate. Les travaux réalisés dans la deuxième étude de cette thèse ont montré que la NT est présente dans une sous-population de terminaisons axonales glutamatergiques dans l’ATV. Une application exogène de NT induit une diminution prolongée de l'amplitude des courants postsynaptiques excitateurs (CPSEs). Cette diminution est bloquée en présence d'un antagoniste non-sélectif des récepteurs à la NT, ainsi qu'en présence d'un antagoniste sélectif pour le récepteur de NT de type 1 (NTS1). Confirmant l’implication d’une production d’ECs, la baisse des CPSEs par la NT a été bloquée en présence d’un antagoniste des récepteurs CB1 ou d’un bloqueur de la synthèse de 2-AG. La chélation du calcium intracellulaire n'empêchait pas l’effet inhibiteur de la NT sur les CPSEs, cependant, l'inhibition des protéines G ou de la phospholipase C a complètement bloqué la dépression synaptique induite par la NT. Par ailleurs, nos travaux ont montré que la nature prolongée de la dépression synaptique induite par la NT exogène s’explique par une libération soutenue des ECs, et non pas à une activation prolongée des NTR. Finalement, notre observation qu’un antagoniste des récepteurs de la NT ne facilite pas l’induction de la PLT, comme le fait un antagoniste du récepteur CB1, suggère que la stimulation répétitive des afférences glutamatergiques nécessaire à l’induction de la PLT n’induit pas de libération des ECs via la libération de NT, nous permettant ainsi de conclure que la sécrétion de NT n'agit pas dans ces conditions comme un facteur de régulation négative de la PLT.

Effects of lithium and myoinositol on the rat bisected vas deferens

1. The effects of lithium (Li+) on the concentration-response curves (CRC) to norepinephrine (NE) and acetylcholine (Ach) on the bisected rat vas deferens (RVD) were investigated, as well as its action on the neuronal uptake of [H-3] NE.2. Li+ did not affect the 50% effective concentration (EC(50)) of NE and Ach in the epididymal (EP) portion of the RVD.3. Li+ caused a significant increase of the EC(50) to NE and Ach in the prostatic (PP) portion of the RVD. This shift to the right of the CRC to NE was prevented by the presence of myoinositol.4. Incubation of the PP of the RVD with Li+, increased the neuronal uptake of NE. The simultaneous incubation with myoinositol prevented this increase.5. After the pre-treatment of the rats with 6-hydroxydopamine (6-OHDA), or in the presence of cocaine, Li+ failed to desensitize the PP of the RVD to NE.6. These results suggest that the effect of Li+ on the PP of the RVD occurs mainly at the pre-synaptic level and may be related to the increase of neuronal uptake and to the interference of Li+ on phosphatidylinositol hydrolysis.

Efeitos da estimulação elétrica neuromuscular nas circuitarias medulares inibitórias de sujeitos crônicos após acidente vascular cerebral

Pós-graduação em Fisioterapia - FCT

Long-Term Spinal Ventral Root Reimplantation, but not Bone Marrow Mononuclear Cell Treatment, Positively Influences Ultrastructural Synapse Recovery and Motor Axonal Regrowth

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

Efeitos de relevância versus repetição de estímulo lingüístico na indução da memória declarativa

In the LTP (Long-Term Potentiation) model of learning and memory formation, elaborated in the context of molecular neurobiology, the opening of NMDA (N-Metyl-D-Aspartate) channels to entry of calcium ions into the post-synaptic neuron depends on two excitatory events: the repeated activation of the post-synaptic neuron by only one pre-synaptic neuron (Alternative 1), or its concomitant activation by two or more pre-synaptic neurons (Alternative 2). With the purpose of testing these alternatives, in the context of Cognitive Psychology, we presented to 73 university students a sequence of slides, with the duration of 6 seconds each, containing sentences (one for each slide) considered as being relevant or irrelevant for the subjects. Relevant sentences (R1) were presented only one time, while irrelevant ones were divided in three groups: the first one with sentences presented only one time (I1), the second with sentences presented three times (I3) and the third with sentences presented five times (I5). We conjectured that relevant sentences presented only one time would mobilize two or more brain excitatory pathways (corresponding to Alternative 2 above), while repeated irrelevant sentences would progressively activate the same sensory pathway. After the presentation of the sentences, the subjects answered a written questionnaire with questions about each presented sentence. The results indicate a prevalence of correct answers to R1 over I1, I3 and I5, suggesting that the relevance factor has greater weight than repetition in the induction of declarative memories

Phosphoinositide regulation of neuroexocytosis: adding to the complexity

Exocytosis of neurotransmitter containing vesicles supports neuronal communication. The importance of molecular interactions involving specific lipids has become progressively more evident and the lipid composition of both the synaptic vesicle and the pre-synaptic plasma membrane at the active zone has significant functional consequences for neurotransmitter release. Several classes of lipids have been implicated in exocytosis including polyunsaturated fatty acids and phosphoinositides. This minireview will focus on recent developments regarding the role of phosphoinositides in neurosecretion.

Étude des projections axonales sérotoninergiques dans un modèle murin de la maladie de Parkinson et des dyskinésies induites par la lévodopa

OBJECTIFS: La libération de dopamine par les afférences à sérotonine (5-HT) du striatum constitue un déterminant pré-synaptique important des dyskinésies induites par la L-Dopa (DILs), un effet délétère du traitement pharmacologique de la maladie de Parkinson. En effet, les axones 5-HT seraient en mesure de libérer de façon non-physiologique de la dopamine lorsque la L-Dopa est administrée au patient, contribuant ainsi à l’expression des DILs. Certaines afférences striatales 5-HT contiennent un transporteur vésiculaire du glutamate (VGluT3) et nous croyons que sa présence puisse avoir un effet synergique sur la libération de dopamine. L’objectif général de ce mémoire est donc d’évaluer la quantité de VGluT3 présent au sein des axones 5-HT et de mesurer son implication dans l’expression des DILs. MÉTHODES : Dix-huit souris C57/Bl6 ont été séparées en trois groupes expérimentaux. Douze souris ont reçu une injection intracérébrale de 6- hydroxydopamine (6-OHDA) dans le faisceau prosencéphalique médian afin de léser les afférences dopaminergiques du striatum. Six souris lésées ont reçu des injections systémiques de L-Dopa (12 jours, 1 fois/jour). Six autres souris ont reçu une injection intracérébrale du véhicule afin de servir de contrôle. La sévérité des mouvements involontaires anormaux induits par la L-Dopa (équivalent des dyskinésies) a été quantifiée selon une échelle reconnue. Un double marquage en immunofluorescence pour le transporteur membranaire de la 5-HT (SERT) et le VGluT3 a permis d’évaluer la densité des varicosités SERT+ et SERT+/VGluT3+ dans le striatum dorsal et de comparer ces données entre les trois groupes expérimentaux. RÉSULTATS: Chez les trois groupes de souris, un faible pourcentage des varicosités axonales 5-HT sont également VGluT3+. Ces varicosités doublement marquées sont souvent retrouvées sur une même branche axonale. Aucune différence significative n’a été observée entre les trois groupes expérimentaux en ce qui a trait à la proportion de varicosités SERT+ qui contiennent le VGluT3+. CONCLUSION: Nos données expérimentales ne nous permettent pas de conclure que la densité des varicosités axonales SERT+ ou SERT+/VGluT3+ au sein du striatum dorsal varie en fonction de la sévérité des mouvements involontaires anormaux induits par l’administration de L-Dopa.

Botulinum neurotoxin type-A enters a non-recycling pool of synaptic vesicles

Neuronal communication relies on synaptic vesicles undergoing regulated exocytosis and recycling for multiple rounds of fusion. Whether all synaptic vesicles have identical protein content has been challenged, suggesting that their recycling ability may differ greatly. Botulinum neurotoxin type-A (BoNT/A) is a highly potent neurotoxin that is internalized in synaptic vesicles at motor nerve terminals and induces flaccid paralysis. Recently, BoNT/A was also shown to undergo retrograde transport, suggesting it might enter a specific pool of synaptic vesicles with a retrograde trafficking fate. Using high-resolution microscopy techniques including electron microscopy and single molecule imaging, we found that the BoNT/A binding domain is internalized within a subset of vesicles that only partially co-localize with cholera toxin B-subunit and have markedly reduced VAMP2 immunoreactivity. Synaptic vesicles loaded with pHrodo-BoNT/A-Hc exhibited a significantly reduced ability to fuse with the plasma membrane in mouse hippocampal nerve terminals when compared with pHrodo-dextran-containing synaptic vesicles and pHrodo-labeled anti-GFP nanobodies bound to VAMP2-pHluorin or vGlut-pHluorin. Similar results were also obtained at the amphibian neuromuscular junction. These results reveal that BoNT/A is internalized in a subpopulation of synaptic vesicles that are not destined to recycle, highlighting the existence of significant molecular and functional heterogeneity between synaptic vesicles.