Selon l'OMS, les troubles dépressifs majeurs (TDM) seront la 2ème cause d'incapacité dans le monde en 2020 et deviendront la 1ère en 2030. Les antidépresseurs classiques ont des effets thérapeutiques retardés et de nombreux patients sont résistants. La kétamine, antagoniste du récepteur N-methyl-D-aspartate (R-NMDA) du L-glutamate, possède un effet antidépresseur rapide chez les patients résistants à un traitement classique. Le mécanisme de cette activité étonnante n'est pas bien compris. En couplant la microdialyse intracérébrale à un test comportemental prédictif d'une activité antidépressive dans un modèle de souris BALB/cJ de phénotype anxieux, nous montrons que cette activité de la kétamine dépend de la balance excitation-inhibition entre les systèmes glutamate/R-NMDA et R-AMPA, GABA/R-GABAA, sérotonine du circuit cortex préfrontal/noyau du raphé. Nos résultats suggèrent également que ce serait la combinaison [kétamine-(2R,6R)-hydroxynorkétamine, son principal métabolite cérébral] qui porterait l'effet antidépresseur. Mes travaux de thèse contribuent à une meilleure compréhension de l'effet rapide antidépresseur de la kétamine. / According to the WHO, major depressive disorder (MDD) will be the second leading cause of disability in the world in 2020 and will become the first in 2030. Conventional antidepressant drugs have delayed therapeutic effects and many patients are resistant. Ketamine, an N-methyl-D-aspartate (NMDA-R) receptor antagonist of L-glutamate, exerts a rapid antidepressant effect in patients who are resistant to standard therapy. The mechanism of this amazing activity is not well understood. By coupling intracerebral microdialysis to a predictive behavioral test of antidepressant activity in a BALB/cJ mouse model with an anxious phenotype, we show that this ketamine activity is dependent on the excitation-inhibition balance between glutamate/NMDA-R and AMPA-R, GABA/GABAA-R, serotonin systems in the prefrontal cortex/raphe nucleus circuit. Our results also suggest that it would be the combination [ketamine-(2R,6R)-hydroxynorketamine, its main brain metabolite] that would carry the antidepressant effect. My thesis work pave the way for the development of new fast-acting antidepressant drugs.

L'hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) est une maladie rare caractérisée par une augmentation de la pression artérielle pulmonaire moyenne liée à un important remodelage de la paroi vasculaire obstruant progressivement les petites artères pulmonaires. Le récepteur NMDA (NMDAR) est un récepteur au glutamate jouant un rôle crucial dans la transmission synaptique neuronale. Il est aussi présent dans des cellules périphériques, notamment les cellules vasculaires aortiques et cérébrales, et participe à leur prolifération. De plus, le NMDAR contribue à la prolifération des cellules cancéreuses. Puisque dans l'HTAP, les cellules vasculaires pulmonaires présentent un phénotype cancer-like, hyperprolifératif et résistant à l'apoptose, nous avons émis l'hypothèse selon laquelle les NMDARs vasculaires pulmonaires pourraient contribuer au remodelage vasculaire et conduire à l'HTAP. Nous avons montré que les cellules vasculaires pulmonaires expriment physiologiquement les principaux éléments d'une communication glutamatergique fonctionnelle via le NMDAR. Dans l'HTAP, le glutamate s'accumule dans les vaisseaux remodelés et l'endothéline-1, un acteur majeur du remodelage vasculaire, induit la libération du glutamate par les cellules musculaires lisses. Le NMDAR est mobilisé dans les cellules vasculaires et sa fonction pourrait être altérée en raison d'un déséquilibre dans le ratio d'expression de ses sous-unités. L'activation du NMDAR contribue à la prolifération des cellules vasculaires pulmonaires et à l'angiogenèse, éléments clés de la physiopathologie de l'HTAP. Des études réalisées sur des souris n'exprimant pas les NMDARs vasculaires ou utilisant des antagonistes du NMDAR mettent en évidence le rôle du NMDAR dans l'hypertension pulmonaire expérimentale. Ces résultats suggèrent que le NMDAR est un nouvel acteur du remodelage vasculaire et qu'il représente une nouvelle cible thérapeutique de l'HTAP. Ils apportent également de nouveaux éléments alimentant l'analogie entre le système vasculaire et le système nerveux. / Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disease characterized by an increase in the mean pulmonary arterial pressure, due to a deep vascular remodeling leading to the progressive obstruction of the small pulmonary arteries. The NMDA receptor (NMDAR) is a glutamate receptor playing a crucial role in the neuronal synaptic communication. It is also present in peripheral cells, including aortic and cerebral vascular cells, and promotes their proliferation. Moreover, NMDAR contributes to proliferation of cancer cells. As pulmonary vascular cells exhibit a cancer-like hyperproliferative and apoptotic-resistant phenotype in PAH, we hypothesized that the activation of pulmonary vascular NMDARs may contribute to the vascular remodeling leading to PAH. We found that pulmonary vascular cells express the main features of a functional synaptic-like glutamatergic communication through NMDARs. In PAH, glutamate accumulates in pulmonary arteries, and endothelin-1, a major actor of the PAH-associated vascular remodeling, triggers glutamate release from smooth muscle cells. Furthermore, the NMDAR is mobilized and its function may be altered due to an unbalanced expression ratio of the NMDAR subunits. Moreover, NMDAR activation contributes to vascular cell proliferation and angiogenesis, key features of PAH pathophysiology. Finally, studies with NMDAR antagonists and vascular NMDAR-knockout mice showed that vascular NMDARs are involved in pulmonary hypertension. These results suggest that NMDAR is a new actor of the vascular remodeling and could represent a new therapeutic target in PAH. They also bring new pieces to the vascular/nervous parallels.

Untersucht wurde die mögliche Rolle von Adenosin-5´-Triphosphat (ATP) als extrazelluläres Signalmolekül im Neostriatum der Ratte. Zum Einsatz kam die patch-clamp Methode, adaptiert für Ableitungen aus akuten Hirnschnitten. Bereits bekannt war, dass ATP exzitatorische postsynaptische Ströme an GABAergen, striatalen Projektionsneuronen („medium spiny“ Neurone) hemmen konnte. Nun sollten die verantwortlichen Mechanismen hinter diesem Effekt aufgeklärt werden. Es zeigte sich, dass exogen zugeführtes ATP zunächst zu Adenosin metabolisiert werden musste, um seine Wirkung ausüben zu können. Ein Teil dieses Effektes war, vermittelt über präsynaptische Adenosin A1-Rezeptoren, einer Hemmung der striatalen Glutamat-Freisetzung geschuldet. Neu war, dass auch die „medium spiny“ Neurone selbst funktionelle A1-Rezeptoren exprimierten. Aktiviert durch lokal gebildetes Adenosin vermittelten diese eine Hemmung der Leitfähigkeit von Glutamat-Rezeptoren des N-Methyl-D-Aspartat (NMDA) Subtyps. Unter physiologischen Bedingungen mag dieser Mechanismus der Begrenzung der Informationsweiterleitung über die GABAergen Projektionsneurone dienen. Striataler Glutamat-Exzess mit Überaktivierung von NMDA-Rezeptoren ist ein Charakteristikum der Huntington´schen Erkrankung. Eine Adressierung der A1 Rezeptoren als therapeutische Option im Rahmen dieser Basalganglienerkrankung scheint daher prinzipiell möglich.

L’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) est une maladie rare définie par une augmentation de la pression artérielle pulmonaire moyenne due à un remodelage progressif des artérioles pulmonaires, menant à une défaillance du ventricule cardiaque droit. Le remodelage vasculaire est la conséquence d’une dysfonction endothéliale conduisant à une hyperprolifération et à un défaut d’apoptose des cellules vasculaires pulmonaires. Le récepteur NMDA (NMDAR), un récepteur au glutamate connu pour son rôle dans la plasticité neuronale et la transmission synaptique, a été récemment identifié comme acteur de ce remodelage vasculaire. Cependant, le sous-type de NMDAR impliqué n’est pas connu. Le développement de traitements potentiels ciblant le NMDAR nécessite de mieux comprendre quelles sous-unités du récepteur sont mobilisées dans la maladie. Dans la mesure où la sous-unité GluN2A est impliquée dans la survie des neurones et la sous-unité GluN2B dans leur mort, nous avons fait l’hypothèse que la composition des NMDARs vasculaires pulmonaires devait être dérégulée dans l’HTAP. Par conséquent, cette thèse a pour objectifs i) d’étudier la composition du NMDAR dans l’HTAP, ii) d’en identifier les conséquences fonctionnelles, et iii) d’explorer son intégration au sein de la physiopathologie de l’HTAP.Nous avons montré que l’expression de la sous-unité GluN2B est réduite dans les artères pulmonaires des patients HTAP comparés à des sujets non-HTAP, malgré l’augmentation de l’expression de la sous-unité obligatoire GluN1, suggérant une commutation de l’expression des NMDARs de type GluN2B vers d’autres sous-types. Nous avons également montré que les NMDARs de type GluN2B sont rapidement et transitoirement recrutés à la membrane des cellules musculaires lisses (CMLs) en réponse à un facteur de croissance, le PDGF, par l’intermédiaire des Src family kinases (SFKs). En utilisant un inhibiteur spécifique des NMDARs de type GluN2B, nous avons observé qu’ils réduisaient la prolifération et la migration dépendantes du PDGF, indiquant une boucle de rétrocontrôle négatif. Ces résultats suggèrent une signalisation croisée entre le PDGFR-β, les SFKs et les NMDARs de type GluN2B. Ainsi le déficit en NMDARs de type GluN2B chez les patients HTAP pourrait potentialiser la réponse proliférative et migratoire au PDGF, une voie suractivée dans l’HTAP. De plus, nous avons montré que les NMDARs de type GluN2A sont recrutés de façon prolongée à la membrane des CMLs lors d’une stimulation par le PDGF. Néanmoins, le rôle précis des récepteurs de type GluN2A dans l’HTAP reste à découvrir. Pour approfondir le rôle du NMDAR dans la physiopathologie de l’HTAP, nous avons mené une étude bio-informatique complémentaire afin de modéliser les voies de signalisation impliquant le NMDAR dans l’HTAP. Nous avons construit et connecté en réseau les bases de connaissance sur les acteurs de l’HTAP d’une part, et les voies de signalisation impliquant le NMDAR dans le système nerveux central d’autre part. Nous avons montré que ces réseaux positionnent le NMDAR au cœur de nombreuses voies de signalisation caractéristiques de l’HTAP, dont celle du PDGFR-β.Ainsi, nous avons montré que l’expression membranaire des récepteurs de type GluN2A et GluN2B est dérégulée dans l’HTAP, orientant probablement la réponse au glutamate dépendante du PDGF vers les récepteurs de type GluN2A. Les conséquences d’un tel déséquilibre sont l’augmentation de la prolifération et de la migration des CMLs vasculaires pulmonaires. De plus le manque de récepteurs de type GluN2B est une caractéristique physiopathologique nouvelle dans l’HTAP et dans la compréhension du mode d’action des NMDARs périphériques en général. Enfin, le NMDAR semble être un acteur central dans la physiopathologie de l’HTAP, interagissant avec de nombreuses voies de signalisation impliquées dans la maladie, suggérant de nouvelles pistes pour avancer dans la compréhension des mécanismes physiopathologiques de l’HTAP. / Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disease defined by an increase in mean pulmonary arterial pressure due to progressive obstruction of the small pulmonary arteries, leading to right heart failure and death. The vascular remodeling is a consequence of complex and multiple patho-mechanisms, including endothelial cells dysfunction and hyperproliferation of smooth muscle cells in the pulmonary vascular wall. The N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR), a glutamate receptor, has been recently identified as playing an active role in this vascular remodeling. It has been shown that in pulmonary arteries of PAH patients, NMDAR is overexpressed and overactivated and is involved in the proliferation and resistance to apoptosis of pulmonary vascular cells. However, the NMDAR subtype involved in this process remains unknown. The development of potential treatments targeting the NMDAR requires a better understanding of its subunit involvement in the disease. Since the GluN2A subunit is involved in the survival of neurons and the GluN2B subunit in their death, we hypothesized that the pulmonary vascular NMDAR subunit composition could be dysregulated in PAH. Therefore, in this thesis study we aimed to: i) study the composition of NMDAR in PAH, ii) explore its functional consequences in the pathophysiology of PAH, and iii) uncover its integration in the pathophysiology of PAH.We showed that the expression of the GluN2B subunit is reduced in the pulmonary arteries of PAH patients compared to non-PAH subjects. This occurs despite the overall increased expression of the obligatory GluN1 subunit, suggesting a switch from GluN2B-type receptors to, at least, another GluN2-type receptor. We also showed that in the presence of PDGF-BB, there is an immediate increase in the levels of phosphorylated Src family kinases (SFKs), associated to an increase in phosphorylated GluN2B (the active form) that were relocated to the cell membrane, suggesting the cross-talk between PDGF, SFKs and NMDAR. To validate the pathway, we inhibited the activation of PDGFR-β or SFKs, and in both cases the phosphorylation of GluN2B after PDGF stimulation was aborted. To assess the functional importance of this pathway, proliferation and “wound healing” tests were performed. The results clearly showed that selective inhibition of GluN2B, in the presence of PDGF, significantly increased both migration and proliferation of PASMCs. These results suggest that the lack of GluN2B-type receptors in PAH may potentiate SMC proliferative and migratory response to PDGF, a well-known overactivated pathway in PAH. In addition, we showed that GluN2A-type NMDARs arerecruited to the SMC membrane following PDGF stimulation, but the precise role of GluN2A-type NMDARs in PAH remains elusive. To further explore the crosstalk between the NMDAR and the PDGF receptor (PDGFR) pathways, we conducted a complementary bioinformatics study. To provide a model of the NMDAR signaling pathways in PAH we constructed and connected comprehensive knowledge bases of the actors involved in PAH on one hand and the signaling pathways involving NMDAR within the central nervous system on the other hand. Within these networks the NMDAR was revealed as a central downstream effector of the hallmark signaling pathways of PAH, including that of PDGFR.These results indicate that the membrane expression of GluN2A-type and GluN2B-type receptors is dysregulated in PAH, presumably switching the PDGF-dependent glutamate response towards GluN2A-type receptors. The consequences of such imbalance are the increased proliferation and migration of pulmonary vascular SMCs. Moreover, the lack of GluN2B-type NMDARs is a new feature in the pathophysiology of PAH and in the understanding of peripheral NMDA receptors in general. Besides, the NMDAR seems to be a central effector in PAH, interacting with multiple hallmark pathways of the disease, suggesting new tracks to further understanding the pathophysiology of PAH.

Le cortex préfrontal (PFC) est le principal locus des perturbations dans l’activité des réseaux de neurones chez les schizophrènes. Ces perturbations résultent d’une dérégulation des interactions entre le système dopaminergique et le système glutamatergique dont l’origine demeure inconnue. Il est acquis que les cellules gliales détectent et intègrent les signaux synaptiques, et libèrent différentes substances neuroactives comme la D-sérine. Cet acide aminé est aujourd’hui reconnu comme le coagoniste endogène des récepteurs au glutamate de type NMDA dans de nombreuses aires cérébrales. Mon travail de thèse est centré sur le rôle de la d-sérine dans la transmission synaptique excitatrice glutamatergique dans le PFC du rongeur adulte et dans la gouvernance des interactions entre systèmes glutamatergique et dopaminergiques J’ai tout d’abord montré en utilisant des enregistrements électrophysiologiques sur tranches que la d-sérine est le coagoniste des récepteurs NMDA synaptiques dans les couches V/VI du PFC. Cet acide aminé est synthétisé par les astrocytes et contrôle l’induction de la potentialisation à long terme. D’autre part, j’ai montré que la dopamine exerce un effet biphasique sur l’activité des récepteurs NMDA synaptiques et sur l’excitabilité des neurones pyramidaux des couches V/VI du PFC et ce en contrôlant la libération de d-sérine. Une approche pharmacologique sélective a permis de mettre en évidence le rôle des récepteurs D1 dans les effets potentialisateurs et le rôle des récepteurs D2/D3 dans les effets inhibiteurs de la dopamine. Mon travail démontre que les astrocytes arborent des récepteurs à la dopamine qui contrôlent la libération de la d-sérine. / The prefontal cortex (PFC) is the main locus where dysfunctions of neuronal networks are evident in schizophrenia. These dysfunctions are caused by an impairment of cross-talk between dopaminergic and glutamatergic systems whose origin is unknown. It is now accepted that glia detect and integrate synaptic signals and then release many neuroactive substances such as D-serine. This amino acid is now considered to be the endogenous coagonist of the NMDA subtype receptors for glutamate in many brain areas. My PhD work focuses on the functions of d-serine in glutamatergic excitatory synaptic transmission in the PFC of adult rodent and in governing the interactions between dopaminergic and glutamatergic systems. First, using electrophysiological recordings on brain slices, I have shown that d-serine is the coagonist of synaptic NMDA receptors in layers V/VI of PFC. This amino acid is synthesized by glia and is crucial for the induction of long term potentiation. In addition, I have shown that dopamine has a bell-shape effect on the activity of synaptic NMDA receptors and on the excitability of excitatory pyramidal neurons by controlling the release of d-serine. The use of specific pharmacological tools allowed me to show the potentiating effects of dopamine are mediated by D1 receptors whereas the inhibitory effects are due to the activation of D2/D3 receptors. Finally, my work highlights the presence of functional dopaminergic receptors on astrocytes that modulate the release of d-serine in the PFC, thus impacting NMDA receptor activity.

La sclérose tubéreuse de Bourneville (STB) est une maladie génétique et multi-systémique à transmission autosomique dominante due à des mutations d’un gène TSC1 ou TSC2 qui codent respectivement pour hamartine et tuberine ayant une action inhibitrice sur la voie de signalisation mTOR. L’épilepsie précoce et pharmacorésistante est la manifestation neurologique la plus fréquente et la plus délétère de la STB. Elle débute souvent dans la première année de vie par des spasmes infantiles qui évoluent avec l’âge et en absence de traitement vers des crises toniques ou tonico-cloniques. Bien que les crises soient supposées être générées dans des tubers corticaux, les mécanismes de l’épilepsie ne sont pas bien élucidés et le traitement reste souvent inefficace. Des études morphologiques ont montré une altération de l’expression ARNm des récepteurs au glutamate dans les cellules géantes et les neurones dysplasiques des tubers, mais leur implication fonctionnelle restait à montrer. Les différentes sous-unités NMDA ont une expression âge-dépendante et région-spécifique, les plus grands changements survenant au début de la vie quand l’épilepsie de la STB apparaît. Ce travail avait pour but d’étudier à l’aide de méthodes électrophysiologiques in vitro et in vivo l’expression fonctionnelle des sous-unités NMDA aberrantes et de déterminer leur rôle dans l’épileptogènese chez les souris hétérozygotes Tsc1+/- et sur le tissu humain STB post-opératoire. Nous avons pu démontrer que : i) Les souris hétérozygotes pour le gène Tsc1 sont spontanément épileptiques in vivo et in vitro dans une courte fenêtre dévelopmentale de P9 à P18. ii) Elles présentent une altération d’expression des récepteurs NMDA couche-spécifique et mTOR dépendante avec une surexpression des sous-unités GluN2C/D dans la couche 4 et 2/3 et GluN2B dans les couches 2/3. Cette expression anormale est prévenue par l’administration d’un inhibiteur de la voie mTOR, la rapamycine. iii) Les mêmes altérations d’expression des récepteurs NMDA, sont montrées sur les tissus post-opératoires, non seulement de tubers de STB mais aussi des dysplasies corticales focales (DCF), ces deux malformations ayant des similarités étiologiques et physiopathologiques. iv) La RT-PCR quantitative confirme une expression excessive de GluN2C dans le cortex de souris Tsc1+/- et sur le tissu humain des tubers et DCF. v) Les décharges épileptiques chez la souris Tsc1+/- sont générées dans la couche granulaire 4 du cortex avant de se propager vers les couches superficielles et les couches profondes, empruntant ainsi les microcircuits corticaux. vi) L’expression excessive de la sous-unité GluN2C dans le cortex contribue à l’hyperexcitabilité neuronale chez la souris Tsc1+/- et sur des tissus humains de tubers et de DCF puisque les crises et les décharges sont bloquées par les antagonistes sélectifs de GluN2C/D. vii) Les crises chez la souris Tsc1+/- suivent une séquence âge-dépendante évoluant du type «spasms-like» vers «tonic-clonic like», rappelant celle de l’épilepsie humaine, avec deux pics de haute incidence de crises à P13 et P16 correspondant chez l’homme respectivement l’âge des spasmes infantiles et celui des crises toniques. L’évolution avec l’âge du délai de propagation inter-hémisphérique pourrait contribuer à ce changement de types de crises. Ces résultats montrent donc pour la première fois qu’une happloinsuffisance pour le gène Tsc1 chez les souris Tsc1+/- sans tubers suffit à produire une altération de l’expression des récepteurs NMDA de manière mTOR dépendante et contribuer ainsi à l’épileptogènese dans la STB. La souris Tsc1+/- est le premier modèle génétique sans anomalies morphologiques présentant une épilepsie spontanée qui évolue des spasmes vers des crises toniques et tonico-cloniques. Néanmoins cette épilepsie diffère de l’épilepsie humaine de la STB par l’absence de crises focales et de pharmacorésistance, ce qui pourrait être expliqué par l’absence de tubers chez la souris Tsc1+/-. (...) / Tuberous sclerosis complex (TSC) is a genetic multisystemic disease with autosomal dominant transmission due to mutations in a gene TSC1 or TSC2 respectively which encode hamartin and tuberin proteins having an inhibitory action on the mTOR signaling pathway. Early refractory epilepsy is the most common and most deleterious neurological manifestation. The epilepsy often begins in the first year of life by infantile spasms that change in the lack of treatment to tonic or tonic-clonic seizures in age-dependent manner. Although seizures are thought to be generated in cortical tubers, epilepsy mechanisms are not well understood and treatment is often ineffective. Morphological studies showed the altered expression of glutamate receptor mRNA in the giant cells and dysplastic neurons of tubers, but their functional involvement remains unknown. The different NMDA subunits have an age-dependent and region-specific expression, the greatest changes occurring early in life when the TSC epilepsy appears. This work aimed to study the functional expression of aberrant NMDA subunits expression and their role in the epileptogenesis in heterozygous Tsc1+/- mice and post-surgical human tissue of TSC patients using in vitro and in vivo electrophysiological methods. The study reveal that: i) Heterozygous tuber-free Tsc1+/- mice show spontaneous epilepsy in vivo and in vitro in a short developmental window from P9 to P18. ii) These mice exhibit an altered NMDA receptor expression in mTOR dependent and layer-specific manner with GluN2C/D subunits overexpression in layers 4 and 2/3, and GluN2B ovexpression in layers 2/3. This abnormal NMDA receptors expression is prevented by the administration of an mTOR inhibitor, rapamycin. iii) The same alterations of NMDA receptors’ expression are shown in post-surgical tissues not only in tubers from TSC patients, but also in focal cortical dysplasia (FCD), these two malformations sharing etiological and pathophysiological similarities. iv) Quantitative RT-PCR confirms the excessive GluN2C subunit expression in Tsc1+/- mouse cortex and human tissue of tubers and DCF. v) Epileptic discharges in Tsc1+/- mice are generated in the granular layer 4 of the cortex before spreading to the superficial and then to deep layers, thus borrowing the cortical microcircuits. vi) Excessive expression of GluN2C subunit in the cortex contributes to neuronal hyperexcitability in Tsc1+/- mice, as well as in human tubers and DCF tissues, since epileptic discharges are blocked by selective GluN2C/D antagonists. vii) Seizures in Tsc1+/- mice follow the age-dependent sequence, evolving from "spasms-like" to "tonic-clonic like" thus reminding the human epilepsy, with two peaks of highest seizure incidence at P13 and P16 corresponding respectively to age of infantile spasms and of tonic seizures in human. The age-dependent evolution of interhemispheric propagation delay could contribute to this change in seizure type. These results show for the first time that TSC1 happloinsuffisancy in tuber-free Tsc1+/- mice is sufficient to produce an alteration in NMDA receptor expression in an mTOR dependent manner, and thus contributes to epileptogenesis in TSC. The Tsc1+/- mouse line is the first genetic model of TSC without morphological abnormalities presenting with early spontaneous seizures which evolves from “spasms-like” to “tonic-clonic like” seizures. However, the epilepsy in Tsc1+/- mice differs from human TSC epilepsy by the absence of focal seizures and of drug-resistance. Both could be explained by the lack of tubers in the Tsc1+/- mice. It remains to determine whether the expression of GluN2C subunit is also transitional in Tsc1+/- mice and whether other factors contribute to determine the age-dependent epilepsy. This study opens new therapeutic perspectives of TSC epilepsy targeting GluN2C subunit of NMDA receptors.

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. / The functioning of the cerebral cortex requires coordinated action of two major neuronal subtypes - the glutamatergic projection neurons and the GABAergic interneurons. GABAergic interneurons represent 20 to 30% of all cortical cells. Even though they are a minor cell population in the cerebral cortex compared to glutamatergic neurons, they are key modulators of network dynamics and plasticity of neocortical circuits. It is therefore not surprising that aberrant development of GABAergic circuits is implicated in many neurodevelopmental disorders including epilepsy, Rett syndrome and schizophrenia. Understanding the molecular mechanisms governing the development of GABAergic inhibitory synapses in neocortex is important towards a better comprehension of how abnormalities in this developmental process can occur. Therefore, we focus specifically on the role of polysialic acid (PSA) in the development of GABAergic synapses. PSA is a α-2,8 polysialylated homopolymer, which is exclusively linked to the Neural Cell Adhesion Molecule (NCAM) in the mammalian brain. It is involved in several developmental processes including formation and plasticity of glutamatergic synapses; however its role in GABAergic circuit formation has not been explored so far. Previously in Dr Di Cristo’s lab, we showed that PSA is strongly expressed post-natally and its expression steadily declines during development in mice neocortex. We also showed that the developmental and activity-dependant regulation of PSA expression is inversely correlated with the maturation of perisomatic GABAergic innervation. Our aim is to characterize the molecular mechanisms regulating PSA expression in mouse iv visual cortex during post-natal development. Two polysialyltransferases, ST8SiaII (STX) and ST8SiaIV (PST), are responsible for PSA attachment to NCAM. By controlling the amount of PSA on NCAM, they can influence GABAergic synapses development. The mechanisms regulating STX and PST expression is crucial but remain still unknown. My research project focused on the mechanisms regulating STX and PST transcription in the mouse postnatal cortex. We used an organotypic culture system, which recapitulates many aspects of GABAergic synapse maturation as observed in vivo. Polysialyltransferases transcript levels were measured by qPCR and showed that STX and PST mRNA levels steadily decline during post-natal development in the mouse cortex; the sharpest reduction in the expression of both enzymes correlate with eye opening. We further demonstrate for the first time that STX mRNA levels is activity-dependant, requires the activation of NMDA receptors, an increase in intracellular Calcium levels and is PKC-dependent. Altogether, we show that the regulation of the expression of STX is the main mechanism responsible for PSA expression levels in the cortex around eyes opening. We next investigated whether epigenetic mechanisms regulate STX transcription and preliminary data suggest that histone acetylation and DNA methylation may contribute to STX expression during development. However, further experiments are required to confirm this hypothesis. In summary, understanding the mechanisms modulating STX and PST expression in the neocortex is essential for the comprehension of their precise role in GABAergic synapse maturation. This knowledge could allow us to modulate pharmacologically the expression of these enzymes; in turn overexpression of STX and PST may re-induce PSA expression, thereby destabilizing GABAergic synapses, and ultimately facilitating cortical plasticity in the adult.

Glutamate excitotoxicity is the predominant mechanism implicated in neuronal cell death associated with neurological disorders such as stroke, epilepsy, traumatic brain injury and ALS. Excessive stimulation of NMDA subtypes of glutamate receptors leads to protracted intracellular calcium elevations triggering calcium mediated neurotoxic mechanisms culminating in delayed neuronal cell death. In addition, glutamate excitotoxicity induces a NMDA dependent extended neuronal depolarization mediated by continuous calcium influx that correlates with delayed neuronal death. Attempts to prevent neuronal death by blocking calcium entry into the neurons using calcium channel blockers or NMDA receptor antagonists have failed to provide any beneficial effects in clinical trials. Thus, calcium continues to enter the neurons despite the presence of calcium entry blockers. This phenomenon is known as the "calcium paradox of stroke" and represents a major problem in developing effective therapies for treatment of stroke. Here employing a combination of patch clamp recordings, fluorescent calcium imaging and neuronal cell death assays in well-characterized in vivo and in vitro models of glutamate excitotoxicity, we report the discovery of a novel calcium permeable ion channel that is activated by excitotoxic glutamate injury and mediates a calcium current that is an early initiating step in causing neuronal death. Blocking this calcium permeable channel with high concentrations of Zn2+ or Gd3+ by removing extracellular calcium for a significant time period after the initial injury is effective in preventing calcium entry, apoptosis and neuronal death, thus accounting for the calcium paradox. This injury induced-calcium permeable channel provides a unique mechanism for calcium entry following stroke and offers a new target for extending the therapeutic window for preventing neuronal death after the initial excitotoxic (stroke) injury.

Tem sido estabelecido que microinjeções intraperitoneais (i.p) de Pentilenotetrazol, um antagonista não competitivo dos receptores GABAA, induzem crises convulsivas do tipo tônico-clônicas em animais de laboratório. Esse efeito convulsivante do PTZ ocorre devido ao bloqueio do fluxo de íons cloreto mediado pelo GABA. Adicionalmente, as crises convulsivas evocadas por PTZ em roedores são seguidas por antinocicepção. Tem sido sugerido que a estimulação elétrica do nervo vago pode reduzir as crises convulsivas e muitas das aferências do nervo vago ao núcleo do trato solitário (NTS) usam o glutamato como neurotransmissor. Há trabalhos mostrando que o NTS conectase ao núcleo reticular paragigantocelular (PGi), uma estrutura também responsável pela elaboração de pelo menos parte da antinocicepção pós-ictal, que o PGi projeta-se ao locus coeruleus, cuja estimulação também produz efeito anticonvulsivante e antinociceptivo.. Com intuito de investigar a participação do NTS nas crises convulsivas e na antinocicepção pós-ictal mediado por receptores glutamatérgicos locais do tipo NMDA e neurônios noradrenérgicos (NE) do LC, microinjeções de agonistas e antagonistas NMDA foram feitas no NTS, seguida da administração de PTZ por via i.p. Em adição foi investigado os efeitos da lesão neurotóxica do LC com administrações por via intratecal de DSP-4 , seguidas por microinjeções de NMDA no NTS sobre as crises convulsivas e antinocicepção pós-ictal induzidas por injeções de PTZ por via i.p. O bloqueio ionóforo de canais de cloreto ligado ao GABA causou crises convulsivas19 tônico-clônicas seguidas antinocicepção pós-ictal em todos os animais submetidos ao presente trabalho. Tanto as convulsões como a antinocicepção pós-ictal mostraram-se parcialmente dependentes da atividade de vias mediadas por aminoácidos excitatórios no núcleo do trato solitário, como da integridade do sistema noradrenérgico, pois o bloqueio de receptores de aminoácidos excitatórios do tipo NMDA no NTS e a administração intratecal de uma neurotoxina seletiva para neurônios noradrenérgicos alteraram a gravidade das crises tônico-clônicas e a intensidade da analgesia pós-ictal. Esses dados sugerem que o sistema glutamatérgico aferente ao NTS e tanto as vias noradrenérgicas ascendentes como descendentes do locus coeruleus são relevantes para o controle das atividades convulsivas e da antinocicepção pós-ictal. / Intraperitoneal injections of the non-competitive GABAA receptor antagonista pentylenetetrazole (PTZ) induce tonic-clonic seizures in laboratory animals. Tha convulsive effect of PTZ is due to GABA-mediated Cl- influx blockade. In addition, seizures caused by PTz in rodents are follwed by significant antinociception. The electrical stimulation of the vagus nerve is known to reduce seizures and several inputs from nervus vagus do the nucleus of the tractus solitarius (NTS) use glutamate as neurotransmitter. There are reports showing that the NTS is connected to the nucleus reticularis paragigantocellularis (PGi), a ventromedial medula oblongata structure also related to the elaboration of at least part of the post-ictal antinociception, and the PGi sends outputs to the locus coeruleus, whose stimulation also cause both anticonvulsant and antinociceptive effects. The goal of the present work was to investigate the involvement of the NTS in both seizures and post-ictal antinociception control mediated by NMDA receptors as well as the role played by noradrenergic neurons from locus coeruleus (LC). Either NMDA agonists or antagonists were microinjected in the NTS, followed by i.p. PTZ injections. In addition, it was investigated the effects of LC neurotoxic lesions with intrathecal injections of DSP-4, followed by NMDA receptor agonists microinjections in the NTS, on both tonic-clonic seizures and post-ictal antinociception elicited by peripheral administrations of PTZ. The ionophore blockade of GABA-mediated Cl- influx caused tonic-clonic seizures follwed by significant post21 ictal antinociception in all animals submitted to the present work. Both tonic-clonic seizures and the post-ictal antinociception were percially dependent of the neural activity of excitatory aminoacid-mediated neurotransmission in the NTS of seizing Wistar rats in addition to the integrity of noradrenergic system, since the NMDA receptors blockade in the NTS and the intra-thecal administration of DSP-4 . The neurotoxin selective to LC noradrenergic neurons modified the severity of tonic-clonic seizures and the intensity of post-ictal antinociception. These findings suggest that the glutamatergic inputs to the NTS, in addition to ascending and descending noradrenergic pathways from LC are critical to the control of both seizures and post-ictal antinociception.

[pt] A matéria cinzenta periaquedutal dorsal (MCPD) é associada com comportamento defensivo e ataques de pânico em humanos. Estimulações elétricas ou farmacológicas da MCPD induzem a reações aversivas de corrida e pulo em ratos. Os resultados no experimento 1 indicaram que animais submetidos a um contexto previamente associado com choques nas patas, obtiveram um comportamento defensivo de congelamento robusto e tiveram menores reações defensivas de corridas e pulos através da microinjeção de de 0.3 µl N-metil-D- aspartato (NMDA; 15.0 mg/kg), quando comparado com o grupo controle que não foi exposto ao procedimento de medo ao contexto. No experimento 2, o efeito de injeções de pentilenotetrazol (PTZ; 15.0 mg/kg i.p.) em ratos microinjetados com NMDA nas reações de corridas e pulos foi investigado. Os resultados mostraram que o PTZ (1ml/100gr) foi capaz de minimizar as reações aversivas de corridas e pulos induzidas pela microinjeção de NMDA na MCPD. Esses resultados sugerem que a ativação de mecanismos cerebrais que permeiam a ansiedade produzem um efeito inibitório em ataques de pânico. / [en] The dorsal portion of the periaqueductal gray (DPAG) is notably associated with defensive behavior and panic attacks in humans. Electrical or pharmacological stimulation of the DPAG induces aversive reactions such as running and jumping in rats. Our results indicate that animals exposed to contextual cues, that were previously associated with electrical footshocks, engaged in robust defensive freezing behavior and were less likely to display running and jumping defensive reactions by microinjection of 0.3 µl N-methyl-D-aspartate (NMDA; 15.0 mg/kg) into DPAG when compared with control animals that were not exposed to the context fear conditioning procedure. Furthermore the effect of pentylenotetrazole injections (PTZ; 15.0 mg/kg i.p.) in microinjected NMDA rats in aversive reactions of running and jumping was investigated. The result showed that PTZ dose (1ml/100gr) was capable to minimize the aversive reactions of running and jumping induced by microinjection of NMDA into DPAG. These results suggest that activation of the brain mechanisms that underlie anxiety produces an inhibitory effect on panic attacks.