On the analytical solutions of the Hindmarsh-Rose neuronal model

In this article we analytically solve the Hindmarsh-Rose model (Proc R Soc Lond B221:87-102, 1984) by means of a technique developed for strongly nonlinear problems-the step homotopy analysis method. This analytical algorithm, based on a modification of the standard homotopy analysis method, allows us to obtain a one-parameter family of explicit series solutions for the studied neuronal model. The Hindmarsh-Rose system represents a paradigmatic example of models developed to qualitatively reproduce the electrical activity of cell membranes. By using the homotopy solutions, we investigate the dynamical effect of two chosen biologically meaningful bifurcation parameters: the injected current I and the parameter r, representing the ratio of time scales between spiking (fast dynamics) and resting (slow dynamics). The auxiliary parameter involved in the analytical method provides us with an elegant way to ensure convergent series solutions of the neuronal model. Our analytical results are found to be in excellent agreement with the numerical simulations.

A neuronal model of a global workspace in effortful cognitive tasks

A minimal hypothesis is proposed concerning the brain processes underlying effortful tasks. It distinguishes two main computational spaces: a unique global workspace composed of distributed and heavily interconnected neurons with long-range axons, and a set of specialized and modular perceptual, motor, memory, evaluative, and attentional processors. Workspace neurons are mobilized in effortful tasks for which the specialized processors do not suffice. They selectively mobilize or suppress, through descending connections, the contribution of specific processor neurons. In the course of task performance, workspace neurons become spontaneously coactivated, forming discrete though variable spatio-temporal patterns subject to modulation by vigilance signals and to selection by reward signals. A computer simulation of the Stroop task shows workspace activation to increase during acquisition of a novel task, effortful execution, and after errors. We outline predictions for spatio-temporal activation patterns during brain imaging, particularly about the contribution of dorsolateral prefrontal cortex and anterior cingulate to the workspace.

Expression and analysis of presenilin 1 in a human neuronal system: localization in cell bodies and dendrites.

Mutations in the recently identified presenilin 1 gene on chromosome 14 cause early onset familial Alzheimer disease (FAD). Herein we describe the expression and analysis of the protein coded by presenilin 1 (PS1) in NT2N neurons, a human neuronal model system. PS1 was expressed using recombinant Semliki Forest virions and detected by introduced antigenic tags or antisera to PS1-derived peptides. Immunoprecipitation revealed two major PS1 bands of approximately 43 and 50 kDa, neither of which were N-glycosylated or O-glycosylated. Immunoreactive PS1 was detected in cell bodies and dendrites of NT2N neurons but not in axons or on the cell surface. PS1 was also detected in BHK cells, where it was also intracellular and colocalized with calnexin, a marker for the rough endoplasmic reticulum. A mutant form of PS1 linked to FAD did not differ from the wild-type protein at the light microscopic level. The model system described here will enable studies of the function of PS1 in human neurons and the role of mutant PS1 in FAD.

Perceptual Learning via Modification of Cortical Top-Down Signals

The primary visual cortex (V1) is pre-wired to facilitate the extraction of behaviorally important visual features. Collinear edge detectors in V1, for instance, mutually enhance each other to improve the perception of lines against a noisy background. The same pre-wiring that facilitates line extraction, however, is detrimental when subjects have to discriminate the brightness of different line segments. How is it possible to improve in one task by unsupervised practicing, without getting worse in the other task? The classical view of perceptual learning is that practicing modulates the feedforward input stream through synaptic modifications onto or within V1. However, any rewiring of V1 would deteriorate other perceptual abilities different from the trained one. We propose a general neuronal model showing that perceptual learning can modulate top-down input to V1 in a task-specific way while feedforward and lateral pathways remain intact. Consistent with biological data, the model explains how context-dependent brightness discrimination is improved by a top-down recruitment of recurrent inhibition and a top-down induced increase of the neuronal gain within V1. Both the top-down modulation of inhibition and of neuronal gain are suggested to be universal features of cortical microcircuits which enable perceptual learning.

ModelDB in Computational Neuroscience Education - A research tool as interactive educational media

ModelDB's mission is to link computational models and publications, supporting the field of computational neuroscience (CNS) by making model source code readily available. It is continually expanding, and currently contains source code for more than 300 models that cover more than 41 topics. Investigators, educators, and students can use it to obtain working models that reproduce published results and can be modified to test for new domains of applicability. Users can browse ModelDB to survey the field of computational neuroscience, or pursue more focused explorations of specific topics. Here we describe tutorials and initial experiences with ModelDB as an interactive educational tool.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Attentional shifting and the role of the dorsal pathway in visual word recognition

A substantial amount of evidence has been collected to propose an exclusive role for the dorsal visual pathway in the control of guided visual search mechanisms, specifically in the preattentive direction of spatial selection [Vidyasagar, T. R. (1999). A neuronal model of attentional spotlight: Parietal guiding the temporal. Brain Research and Reviews, 30, 66-76; Vidyasagar, T. R. (2001). From attentional gating in macaque primary visual cortex to dyslexia in humans. Progress in Brain Research, 134, 297-312]. Moreover, it has been suggested recently that the dorsal visual pathway is specifically involved in the spatial selection and sequencing required for orthographic processing in visual word recognition. In this experiment we manipulate the demands for spatial processing in a word recognition, lexical decision task by presenting target words in a normal spatial configuration, or where the constituent letters of each word are spatially shifted relative to each other. Accurate word recognition in the Shifted-words condition should demand higher spatial encoding requirements, thereby making greater demands on the dorsal visual stream. Magnetoencephalographic (MEG) neuroimaging revealed a high frequency (35-40 Hz) right posterior parietal activation consistent with dorsal stream involvement occurring between 100 and 300 ms post-stimulus onset, and then again at 200-400 ms. Moreover, this signal was stronger in the shifted word condition, compared to the normal word condition. This result provides neurophysiological evidence that the dorsal visual stream may play an important role in visual word recognition and reading. These results further provide a plausible link between early stage theories of reading, and the magnocellular-deficit theory of dyslexia, which characterises many types of reading difficulty. © 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Neuronal maturation in an experimental model of brain tissue heterotopia in the lung

Neural maturation involves diverse interaction and signaling mechanisms that are essential to the development of the nervous system. However, little is known about the development of neurons in heterotopic brain tissue in the lung, a rare abnormality observed in malformed babies and fetuses. The aim of this study was to identify the neurons and to investigate their maturation in experimental brain tissue heterotopia during fetal and neonatal periods. The fetuses from 24 pregnant female Swiss mice were used to induce brain tissue heterotopia on the 15th gestational day. Briefly, the brain of one fetus of each dam was extracted, disaggregated, and injected into the right hemithorax of siblings. Six of these fetuses with pulmonary brain tissue implantation were collected on the 18th gestational day (group E18), and six others were collected on the 8th postnatal day (group P8). The brain of each fetus from dams not submitted to any experimental procedure was collected on the 18th gestational day (group CE18) and on the 8th postnatal day (group CP8) to serve as a control for neuronal quantitation and maturation. Immunohistochemical staining of NeuN was used to assess neuron quantity and maturation. The NeuN labeling index was greater in the postnatal period than in the fetal period for the experimental and control groups (138 > E18 and CP8 > CE18), although there were fewer neurons in experimental than in control groups (P8 < CP8 and El 8 < CE1 8) (P < 0.005). These results indicate that fetal neuroblasts/neurons not only survive a dramatic event such as mechanical disaggregation, in the same way as it happens in human cases, but also they retain their development in heterotopia, irrespective of local tissue influences.

Detection of neuronal activity and metabolism in a model of dehydration-induced anorexia in rats at 14.1 T using manganese-enhanced MRI and 1H MRS.

In this study, hypothalamic activation was performed by dehydration-induced anorexia (DIA) and overnight food suppression (OFS) in female rats. The assessment of the hypothalamic response to these challenges by manganese-enhanced MRI showed increased neuronal activity in the paraventricular nuclei (PVN) and lateral hypothalamus (LH), both known to be areas involved in the regulation of food intake. The effects of DIA and OFS were compared by generating T-score maps. Increased neuronal activation was detected in the PVN and LH of DIA rats relative to OFS rats. In addition, the neurochemical profile of the PVN and LH were measured by (1) H MRS at 14.1T. Significant increases in metabolite levels were measured in DIA and OFS relative to control rats. Statistically significant increases in γ-aminobutyric acid were found in DIA (p=0.0007) and OFS (p<0.001) relative to control rats. Lactate increased significantly in DIA (p=0.03), but not in OFS, rats. This work shows that manganese-enhanced MRI coupled to (1) H MRS at high field is a promising noninvasive method for the investigation of the neural pathways and mechanisms involved in the control of food intake, in the autonomic and endocrine control of energy metabolism and in the regulation of body weight.

Neuronal expression of the ubiquitin ligase Nedd4-2 in rat dorsal root ganglia: Modulation in the spared nerve injury model of neuropathic pain.

Neuronal hyperexcitability following peripheral nerve lesions may stem from altered activity of voltage-gated sodium channels (VGSCs), which gives rise to allodynia or hyperalgesia. In vitro, the ubiquitin ligase Nedd4-2 is a negative regulator of VGSC α-subunits (Na(v)), in particular Na(v)1.7, a key actor in nociceptor excitability. We therefore studied Nedd4-2 in rat nociceptors, its co-expression with Na(v)1.7 and Na(v)1.8, and its regulation in pathology. Adult rats were submitted to the spared nerve injury (SNI) model of neuropathic pain or injected with complete Freund's adjuvant (CFA), a model of inflammatory pain. L4 dorsal root ganglia (DRG) were analyzed in sham-operated animals, seven days after SNI and 48h after CFA with immunofluorescence and Western blot. We observed Nedd4-2 expression in almost 50% of DRG neurons, mostly small and medium-sized. A preponderant localization is found in the non-peptidergic sub-population. Additionally, 55.7±2.7% and 55.0±3.6% of Nedd4-2-positive cells are co-labeled with Na(v)1.7 and Na(v)1.8 respectively. SNI significantly decreases the proportion of Nedd4-2-positive neurons from 45.9±1.9% to 33.5±0.7% (p<0.01) and the total Nedd4-2 protein to 44%±0.13% of its basal level (p<0.01, n=4 animals in each group, mean±SEM). In contrast, no change in Nedd4-2 was found after peripheral inflammation induced by CFA. These results indicate that Nedd4-2 is present in nociceptive neurons, is downregulated after peripheral nerve injury, and might therefore contribute to the dysregulation of Na(v)s involved in the hyperexcitability associated with peripheral nerve injuries.

Model-Free Reconstruction of Excitatory Neuronal Connectivity from Calcium Imaging Signals

A systematic assessment of global neural network connectivity through direct electrophysiological assays has remained technically infeasible, even in simpler systems like dissociated neuronal cultures. We introduce an improved algorithmic approach based on Transfer Entropy to reconstruct structural connectivity from network activity monitored through calcium imaging. We focus in this study on the inference of excitatory synaptic links. Based on information theory, our method requires no prior assumptions on the statistics of neuronal firing and neuronal connections. The performance of our algorithm is benchmarked on surrogate time series of calcium fluorescence generated by the simulated dynamics of a network with known ground-truth topology. We find that the functional network topology revealed by Transfer Entropy depends qualitatively on the time-dependent dynamic state of the network (bursting or non-bursting). Thus by conditioning with respect to the global mean activity, we improve the performance of our method. This allows us to focus the analysis to specific dynamical regimes of the network in which the inferred functional connectivity is shaped by monosynaptic excitatory connections, rather than by collective synchrony. Our method can discriminate between actual causal influences between neurons and spurious non-causal correlations due to light scattering artifacts, which inherently affect the quality of fluorescence imaging. Compared to other reconstruction strategies such as cross-correlation or Granger Causality methods, our method based on improved Transfer Entropy is remarkably more accurate. In particular, it provides a good estimation of the excitatory network clustering coefficient, allowing for discrimination between weakly and strongly clustered topologies. Finally, we demonstrate the applicability of our method to analyses of real recordings of in vitro disinhibited cortical cultures where we suggest that excitatory connections are characterized by an elevated level of clustering compared to a random graph (although not extreme) and can be markedly non-local.

Neuronal expression of the ubiquitin ligase Nedd4-2 in rat dorsal root ganglia: modulation in the SNI model of neuropathic pain

La douleur neuropathique est une forme de douleur chronique apparaissant suite à des lésions du système nerveux somato-sensoriel. Caractérisée par une plasticité neuronale inadapté, elle est très souvent intense, invalidante, associe des symptômes comme l'allodynie ou l' hyperalgésie et reste difficile à traiter avec les agents thérapeutiques actuels. Le thème de mon travail de thèse se concentre sur des mécanismes moléculaires de modulation des canaux sodiques voltage-dépendants suite à une lésion du nerf périphérique. Dans l'article présenté en annexe, j'ai focalisé mon travail sur une protéine, Nedd4-2, qui est une ligase ubiquitine. Elle a pour rôle de réguler et d'internaliser dans la cellule des protéines membranaires dont les canaux sodiques. Suite aux lésions du système nerveux périphérique, il existe une hyperexcitabilité neuronale engendrée notamment par un surplus et une dysrégulation des canaux sodiques à la membrane cellulaire. Dans 1 'hypothèse que l'ubiquitine ligase Nedd4-2 soit présente dans les neurones sensitifs primaires et ait un rôle dans la régulation des canaux sodiques, nous avons identifié cette protéine dans les neurones nociceptifs primaires du rat. En utilisant des techniques de Western Blot et d'immunohistochimie, j'ai trouvé que Nedd4-2 est présente dans presque 50% des neurones du ganglion spinal et ces neurones sont principalement des neurones nociceptifs. Dans un modèle expérimental de douleur neuropathique (SN I, pour spared nerve injury), Nedd4-2 se retrouve significativement diminuée dans le tissu du ganglion spinal. J'ai également investigué 1' expression de 2 isoformes des canaux sodiques connues pour leur implication dans la douleur, Navl.7 et Navl.8, et ces 2 isoformes se retrouvent dans les mêmes neurones que Nedd4-2. La caractérisation détaillée est décrite dans le manuscrit: «Neuronal expression of the ubiquitin ligase Nedd4-2 in rat dorsal root ganglia: modulation in the SNI model of neuropathic pain; Cachemaille M, Laedermann CJ, Pertin M, Abriel H, Gasselin RD, Decosterd 1.» Les résultats obtenus indiquent que Nedd4-2, en étant downrégulé après une lésion nerveuse, pourrait ainsi contribuer à une augmentation des canaux sodiques fonctionnels à la membrane. Ainsi Nedd4-2 pourrait être proposée comme cible thérapeutique de manière alternative aux bloqueurs de canaux sodiques. Ce travail a permis l'initiation d'autres expériences. J'ai contribué activement à la construction de vecteurs viraux type adéno-associé recombinant (rAA V2/6) et surexprimé la protéine in vivo dans les ganglions spinaux. Cette partie de mon travail se trouve intégrée dans d'autres travaux de mon laboratoire d'accueil qui a pu démontrer les effets fonctionnels de cette approche sur les courants sodiques enregistrés par électrophysiologie et une diminution de la douleur neuropathique chez la souris. - Abstract-Neuronal hyperexcitability following peripheral nerve lesions may stem from altered activity of voltagegated sodium channels (VGSCs), which gives rise toallodynia or hyperalgesia. In vitro, the ubiquitin ligase Nedd4-2 is a negative regulator of VGSC a-subunits (Nav), in particular Nav1.7, a key actor in nociceptor excitability. We therefore studied Nedd4-2 in rat nociceptors, its co-expression with Nav1.7 and Nav1.8, and its regulation in pathology. Adult rats were submitted to the spared nerve injury (SNI) model of neuropathic pain or injected with complete Freund's adjuvant (CFA), a model of inflammatory pain. L4 dorsal root ganglia (DRG) were analyzed in shamoperated animals, seven days after SNI and 48 h after CFA with immunofluorescence and Western blot. We observed Nedd4-2 expression in almost 50% of DRG neurons, mostly small and medium-sized. A preponderant localization is found in the non-peptidergic sub-population. Additionally, 55.7± 2.7% and 55.0 ±3.6% of Nedd4-2-positive cells are co-labeled with Nav1.7 and Nav1.8 respectively. SNI significantly decreases the proportion of Nedd4-2-positive neurons from 45.9± 1.9% to 33.5± 0.7% (p < 0.01) and the total Nedd4-2 protein to 44%± 0.13% of its basal level (p <0.01, n = 4 animals in each group, mean± SEM). In contrast, no change in Nedd4-2 was found after peripheral inflammation induced by CFA. These results indicate that Nedd4-2 is present in nociceptive neurons, is downregulated after peripheral nerve injury, and might therefore contribute to the dysregulation of Navs involved in the hyperexcitability associated with peripheral nerve injuries.

Lack of GDAP1 induces neuronal calcium and mitochondrial defects in a knockout mouse model of charcot-marie-tooth neuropathy.

Mutations in GDAP1, which encodes protein located in the mitochondrial outer membrane, cause axonal recessive (AR-CMT2), axonal dominant (CMT2K) and demyelinating recessive (CMT4A) forms of Charcot-Marie-Tooth (CMT) neuropathy. Loss of function recessive mutations in GDAP1 are associated with decreased mitochondrial fission activity, while dominant mutations result in impairment of mitochondrial fusion with increased production of reactive oxygen species and susceptibility to apoptotic stimuli. GDAP1 silencing in vitro reduces Ca2+ inflow through store-operated Ca2+ entry (SOCE) upon mobilization of endoplasmic reticulum (ER) Ca2+, likely in association with an abnormal distribution of the mitochondrial network. To investigate the functional consequences of lack of GDAP1 in vivo, we generated a Gdap1 knockout mouse. The affected animals presented abnormal motor behavior starting at the age of 3 months. Electrophysiological and biochemical studies confirmed the axonal nature of the neuropathy whereas histopathological studies over time showed progressive loss of motor neurons (MNs) in the anterior horn of the spinal cord and defects in neuromuscular junctions. Analyses of cultured embryonic MNs and adult dorsal root ganglia neurons from affected animals demonstrated large and defective mitochondria, changes in the ER cisternae, reduced acetylation of cytoskeletal α-tubulin and increased autophagy vesicles. Importantly, MNs showed reduced cytosolic calcium and SOCE response. The development and characterization of the GDAP1 neuropathy mice model thus revealed that some of the pathophysiological changes present in axonal recessive form of the GDAP1-related CMT might be the consequence of changes in the mitochondrial network biology and mitochondria-endoplasmic reticulum interaction leading to abnormalities in calcium homeostasis.

The Ca(v)2.3 calcium channel antagonist SNX-482 reduces dorsal horn neuronal responses in a rat model of chronic neuropathic pain

Neuropathic pain is a difficult state to treat, characterized by alterations in sensory processing that can include allodynia (touch-evoked pain). Evidence exists for nerve damage-induced plasticity in both transmission and modulatory systems, including changes in voltage-dependent calcium channel (VDCC) expression and function; however, the role of Ca(v)2.3 calcium channels has not clearly been defined. Here, the effects of SNX-482, a selective Ca(v)2.3 antagonist, on sensory transmission at the spinal cord level have been investigated in the rat. The spinal nerve ligation (SNL) model of chronic neuropathic pain [Kim & Chung, (1992) Pain, 50, 355-363] was used to induce mechanical allodynia, as tested on the ipsilateral hindpaw. In vivo electrophysiological measurements of dorsal horn neuronal responses to innocuous and noxious electrical and natural stimuli were made after SNL and compared to sham-operated animals. Spinal SNX-482 (0.5-4 mu g/50 mu L) exerted dose-related inhibitions of noxious C-fibre- and A delta-fibre-mediated neuronal responses in conditions of neuropathy, but not in sham-operated animals. Measures of spinal cord hyperexcitability and nociception were most susceptible to SNX-482. In contrast, non-noxious A beta-mediated responses were not affected by SNX-482. Moreover, responses to innocuous mechanical and also thermal stimuli were more sensitive to SNX-482 in SNL than control animals. This study is the first to demonstrate an antinociceptive role for SNX-482-sensitive channels in dorsal horn neurons during neuropathy. These data are consistent with plasticity in Ca(V)2.3 calcium channel expression and suggest a potential selective target to reduce nociceptive transmission during conditions of nerve damage.