Yes / Long-term and reversible changes in body weight are typical of seasonal animals. Thyroid hormone (TH) and retinoic acid (RA) within the tanycytes and ependymal cells of the hypothalamus have been implicated in the photoperiodic response. We investigated signalling downstream of RA and how this links to the control of body weight and food intake in photoperiodic F344 rats. Chemerin, an inflammatory chemokine, with a known role in energy metabolism, was identified as a target of RA. Gene expression of chemerin (Rarres2) and its receptors were localised within the tanycytes and ependymal cells, with higher expression under long (LD) versus short (SD) photoperiod, pointing to a physiological role. The SD to LD transition (increased food intake) was mimicked by 2 weeks of ICV infusion of chemerin into rats. Chemerin also increased expression of the cytoskeletal protein vimentin, implicating hypothalamic remodelling in this response. By contrast, acute ICV bolus injection of chemerin on a 12h:12h photoperiod inhibited food intake and decreased body weight with associated changes in hypothalamic neuropeptides involved in growth and feeding after 24hr. We describe the hypothalamic ventricular zone as a key site of neuroendocrine regulation, where the inflammatory signal, chemerin, links TH and RA signaling to hypothalamic remodeling. / BBSRC (grant number BB/K001043/1) and the Scottish Government.

Yes / Seasonal animals undergo changes in physiology and behavior between summer and winter conditions. These changes are in part driven by a switch in a series of hypothalamic genes under transcriptional control by hormones and, of recent interest, inflammatory factors. Crucial to the control of transcription are histone deacetylases (HDACs), generally acting to repress transcription by local histone modification. Seasonal changes in hypothalamic HDAC transcripts were investigated in photoperiod-sensitive F344 rats by altering the day-length (photoperiod). HDAC4, 6 and 9 were found to change in expression. The potential influence of HDACs on two hypothalamic signaling pathways that regulate transcription, inflammatory and nuclear receptor signaling, was investigated. For inflammatory signaling the focus was on NF-κB because of the novel finding made that its expression is seasonally regulated in the rat hypothalamus. For nuclear receptor signaling it was discovered that expression of retinoic acid receptor beta was regulated seasonally. HDAC modulation of NF-κB-induced pathways was examined in a hypothalamic neuronal cell line and primary hypothalamic tanycytes. HDAC4/5/6 inhibition altered the control of gene expression (Fos, Prkca, Prkcd and Ptp1b) by inducers of NF-κB that activate inflammation. These inhibitors also modified the action of nuclear receptor ligands thyroid hormone and retinoic acid. Thus seasonal changes in HDAC4 and 6 have the potential to epigenetically modify multiple gene regulatory pathways in the hypothalamus that could act to limit inflammatory pathways in the hypothalamus during long-day summer-like conditions. / Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC)

Dans le domaine du neurométabolisme, un modèle indique que la leptine excite directement les neurones pro-opiomélanocortine (POMC) dans le noyau arqué de l'hypothalamus (ARC) pour stimuler l'appétit. Cependant, cette notion a été récemment remise en question suivant, entre autres, des évidences que les neurones POMC sont très hétérogènes. De plus, certains neurones POMC existent dans l'aire rétrochiasmatique (RCA) et la réponse des neurones POMC à la leptine chez les femelles reste incertaine. Par conséquent, il est nécessaire de mieux définir les effets de la leptine sur les neurones POMC de l'ARC et du RCA chez les mâles et les femelles. Dans cette thèse, nous avons cherché à étudier les effets de la leptine sur les propriétés électrophysiologiques des neurones POMC dans l'ARC (POMC$^\mathsf{ARC}$) et le RCA (POMC$^\mathsf{RCA}$) de souris mâles et femelles. Nous avons utilisé l'électrophysiologie de type patch-clamp sur cellules entières pour enregistrer l'activité électrique des neurones POMC$^\mathsf{ARC}$ et POMC$^\mathsf{RCA}$ à même des tranches de cerveau de souris POMC-CreERt2::tdTomato qui expriment la protéine fluorescente Tdtomato dans les neurones POMC adultes exclusivement. Nous avons également étudié si le cycle œstral affecte la réponse des neurones POMC à la leptine chez des souris femelles. L'application de leptine a induit des effets excitateurs et inhibiteurs sur des sous-populations de neurones POMC chez les mâles et les femelles. Il est intéressant de noter que la réponse des neurones POMC$^\mathsf{ARC}$ et POMC$^\mathsf{RCA}$ à la leptine était similaire. De plus, bien que la majorité des neurones POMC provenant de souris femelles ne répondaient pas à la leptine, les réponses des neurones POMC à la leptine entre les mâles et les femelles n'étaient pas statistiquement différentes. Il n'y avait aucune différence dans le pourcentage de neurones POMC à travers les différentes étapes du cycle œstral. Nos résultats révèlent une diversité sous-estimée dans la réponse des neurones POMC à la leptine qui semble exister de manière similaire entre les mâles et les femelles. L'analyse des diverses réponses des neurones POMC à la leptine pourrait être essentielle pour comprendre le rôle de cette population hétérogène dans l'intégration des signaux métaboliques pour réguler l'équilibre énergétique et d'autres fonctions dans des conditions physiologiques et pathologiques, tel que l'obésité. / In the field of neurometabolism, a prevalent model states that leptin directly excites pro-opiomelanocortin (POMC) neurons in the arcuate nucleus of the hypothalamus (ARC) to regulate feeding. However, this notion has been recently challenged by evidence that POMC neurons are greatly heterogeneous. In addition, some POMC neurons exist in the retrochiasmatic area (RCA). Furthermore, the response of female POMC neurons to leptin remains unclear. Therefore, there is a need to better define the effects of leptin on hypothalamic POMC neurons of the ARC and RCA in both males and females. In this thesis, we aimed to study the effects of leptin on the electrical properties of POMC neurons in the ARC (POMC$^\mathsf{ARC}$) and the RCA (POMC$^\mathsf{RCA}$) of male and female mice. We used whole-cell patch clamp electrophysiology to record POMC$^\mathsf{ARC}$ and POMC$^\mathsf{RCA}$ neurons from brain slices of POMC-CreERt2::tdTomato mice which express the fluorescent protein Tdtomato in adult POMC neurons exclusively. We also investigated whether the estrous cycle affects the response of POMC neurons to leptin by analyzing vaginal smears. Bath application of leptin induced excitatory and inhibitory effects on a subset of male and female POMC$^\mathsf{ARC}$ and POMC$^\mathsf{RCA}$ neurons. Interestingly, the responsiveness of POMC$^\mathsf{ARC}$ and POMC$^\mathsf{RCA}$ neurons to leptin was similar. Moreover, although the majority of female POMC neurons were nonresponsive to leptin, the responses of POMC neurons to leptin between males and females were not statistically different. Upon inspection, there were no differences in the percentage of female leptin-responsive POMC neurons across the different stages of the estrous cycle. Our results reveal an underappreciated diversity in the response of POMC neurons to leptin which appear to exist similarly in males and females. Analyzing the diverse responses of POMC neurons to leptin could be key for understanding the role of this heterogeneous population in integrating metabolic signals to regulate energy balance and other functions under physiological and pathological conditions, especially, obesity.

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L’insuline et la sérotonine (5-HT) sont deux acteurs majeurs du maintien de l’homéostasie énergétique, fonction placée sous le contrôle de l’hypothalamus. En ciblant cette région, l’insuline remplit de nombreuses fonctions métaboliques via l’activation de la voie PI3K/Akt. La 5-HT exercent des effets biologiques similaires mais les voies de signalisation impliquées dans ces processus étaient jusqu’alors mal connues. De plus, il avait été démontré que la 5-HT est capable d’activer la voie PI3K/Akt/GSK3β dans l’hippocampe, mécanisme sous-tendant potentiellement les effets antidépresseurs du neurotransmetteur. Les principaux objectifs de cette thèse étaient d’étudier 1/ l’activation de la voie PI3K/Akt par la 5-HT dans l’hypothalamus de rats diabétiques (modèle Goto-Kakizaki) et chercher un potentiel dialogue avec l’insuline and 2/ les mécanismes sous-tendant l’induction de la dépression par une alimentation hyperlipidique, par l’analyse de la phosphorylation d’Akt et GSK3β sous l’action de l’insuline, de la leptine et de la 5-HT dans l’hippocampe de rat.Ici on montre que 1/ la 5-HT stimule la voie PI3K/Akt dans l’hypothalamus et que la phosphorylation d’Akt induite par la 5-HT est atténuée dans des conditions d’insulino-résistance, suggérant l’existence d’un dialogue entre les voies de signalisation de l’insuline et de la 5-HT. Par ailleurs, nos résultats indiquent qu’une alimentation hyperlipidique induit un comportement dépressif réversible chez le rat, qui pourrait impliquer la voie PI3K/Akt/GSK3β dans les neurones subgranulaires du gyrus denté. La mise en évidence d’un dialogue entre les voies de signalisation de la 5-HT, de la leptine et de l’insuline au niveau central enrichit nos connaissances sur le rôle de ces facteurs dans la régulation de l’homéostasie énergétique et de l’humeur, et propose un lien moléculaire entre diabète de type 2, obésité et dépression / Insulin and serotonin (5-HT) are two key players in the maintenance of energy homeostasis which is controlled by the hypothalamus. In this brain region, insulin mediates numerous metabolic effects via the activation of the PI3K/Akt signaling pathway. 5-HT exerts similar biological properties by acting in the hypothalamus but the signaling pathways accountable for these effects are still unclear. Moreover, it has been reported that 5-HT induces the activation of the PI3K/Akt pathway in the hippocampus and the inhibition of GSK3β, suggesting this action as a potential mechanism for the antidepressant effects of this neurotransmitter.The main objectives of this thesis were to study 1/ the serotonin-induced activation of the PI3K/Akt in the hypothalamus of wild type and diabetic rats (Goto-Kakizaki model) and search a potential cross-talk with insulin and, 2/ the mechanisms underlying the high-fat diet induced depression by investigating the role of the phosphorylation of Akt and GSK3β by 5-HT, insulin and leptin in the hippocampus of rats.Here, we show that 5-HT triggers the PI3K/Akt signaling pathway in the rat hypothalamus, and that this activation is attenuated in insulin-resistant conditions, suggesting a cross-talk between insulin and 5-HT. Moreover, we reported that high-fat diet feeding induces a reversible depressive-like behavior, which may involve the PI3K/Akt/GSK3β pathway in subgranular neurons of the dentate gyrus. In conclusion, the activation of the PI3K/Akt pathway and its target GSK3β by 5-HT in the hypothalamus and in the dentate gyrus, respectively, can be impaired in insulin-/leptin-resistant states, which may underlie a link between metabolic diseases and depression.

L’altération de l’environnement périnatal peut impacter à long terme l’expression des gènes notamment par le biais de modifications épigénétiques. Une stratégie pour accroitre la thermotolérance des poulets de chair, sensibles à la chaleur en fin d’élevage (J35) est la thermo-manipulation embryonnaire (TM). Lors d’un coup de chaleur à J35, les modifications d’expression de gènes observées chez les poulets TM pourraient être liées à une altération de l’épigénome induite lors de l’embryogenèse et persistante au cours du développement. Cette thèse s’intéresse à deux modifications post-traductionnelles des histones (MPTH) décrites pour être modulées par des variations thermiques : H3K27Me3 et H3K4Me3. Afin d’étudier ces MPTH sans a priori à J35, nous avons mis au point les techniques d’immunoprécipitation de la chromatine suivie de séquençage à haut débit dans deux tissus : l’hypothalamus et le muscle. Nos travaux montrent que le traitement semble impacter principalement l’épigénome de l’hypothalamus, en particulier au niveau de la marque H3K4me3, en modulant des voies liées à la morphogenèse et la réponse hormonale. / Perinatal environment changes may alter gene expression throughout life via epigenetic modifications. A strategy to improve thermal tolerance of heat-sensitive chickens is a thermalmanipulation during embryogenesis (TM). During a heat challenge at the end of the rearing period (D35), modifications of gene expression have been reported in thermally-manipulated chickens. These alterations could be linked to epigenetic modifications induced during the TM that persist throughout life. This work focused on two histone post-translational modifications (HPTM): H3K27me3 and H3K4me3. We adjusted two methods of chromatin immunoprecipitation to conduct a whole genome study of these HPTM at D35, in the hypothalamus and skeletal muscle. We demonstrated that the TM has a major impact in the hypothalamus, especially on H3K4me3. These alterations seem to modulate the hypothalamic morphogenesis and its response to hormones, therefore possibly contributing to better adaptive capacities of TM chickens.

Le diabète de type 2 et la dépression sont des problèmes majeurs de santé publique associés par un lien bidirectionnel. La dérégulation de l'axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien (HPA), accompagnée par un taux élevé de glucocorticoïdes circulants, pourrait constituer un mécanisme commun à ces pathologies. L'axe HPA est régulé principalement au niveau de l'hypothalamus, siège de régulations nutritionnelles et émotionnelles. En ciblant les noyaux hypothalamiques, la néoglucogenèse intestinale (NGI) a des effets bénéfiques contre le développement du diabète de type 2 via la stimulation des nerfs vagal et spinal. Nous avons donc testé si la NGI, par sa communication avec l'hypothalamus, pourrait également réguler les comportements émotionnels et ainsi exercer des effets bénéfiques sur les maladies métaboliques et émotionnelles.L'absence de NGI provoque un dysfonctionnement de l'axe HPA et de son rétrocontrôle négatif (via des modifications moléculaires), caractérisés par une hypersécrétion de glucocorticoïdes et le développement d'une résistance aux glucocorticoïdes. Grâce à des études comportementales et moléculaires, nous montrons que les souris dépourvues de NGI développent des altérations phénotypiques et neurobiologiques caractéristiques d'un état anxio-dépressif. La restauration de la NGI par une perfusion de glucose portale rétablit les altérations neurobiologiques de l'axe HPA. L'induction de la NGI par un régime riche en protéines exerce des effets anxiolytiques et antidépresseurs. Ces données suggèrent que la NGI en ciblant l'hypothalamus, contrôle le métabolisme et, via l'axe HPA, les comportements émotionnels / Type 2 diabetes and major depressive disorder are major health concerns, which are highly comorbid. Hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis dysfunction, associated with elevated circulating levels of glucocorticoids, was suggested to be a common mechanism for those pathologies. The hypothalamus, which mainly regulates the HPA axis, is a key integrative center, playing a role in both metabolic and emotional processes. By targeting hypothalamic nuclei, intestinal gluconeogenesis (IGN) exerts beneficial effects against the development of type 2 diabetes through the stimulation of the vagal and spinal nerves. We therefore evaluated whether IGN, via the hypothalamus, may represent a putative common regulator of metabolic and emotional disorders.In the absence of IGN, mice exhibited HPA axis dysregulation along with decreased glucocorticoid-mediated negative feedback (due to molecular modifications), highlighted by hypercortisolism and glucocorticoid resistance. Using behavioral and molecular studies, we demonstrated that mice lacking IGN displayed phenotypic and neurobiological hallmarks of anxiety/depression-like state. Rescuing IGN by portal glucose infusion reversed neurobiological alterations of the HPA axis. Induction of IGN by a protein-enriched diet had anxiolytic and antidepressant effects. Together, these data raise the possibility that IGN by targeting hypothalamus, controls metabolism and, via the HPA axis, emotional behavior

L’hyperglycémie est détectée et intégrée au niveau de l’hypothalamus médio-basal (MBH) qui inhibe la prise alimentaire et déclenche la sécrétion d’insuline. Le MBH renferme des neurones spécialisés gluco-sensibles (GS) qui détectent directement ou indirectement des variations de la concentration extracellulaire en glucose. Dans une première étude, nous suggérons que la détection indirecte du glucose par les neurones GS hypothalamiques repose sur la libération d’endozépines par les astrocytes, un gliotransmetteur connu pour inhiber la prise alimentaire en réponse à l’hyperglycémie. Nous travaux montrent que les endozépines activent spécifiquement les neurones à pro-opiomélanocortine (POMC) du MBH pour générer leur effet anorexigène. Dans une seconde étude, nous montrons que la détection directe de l’hyperglycémie implique les neurones hypothalamiques dits « high gluco-excited » (HGE). Grâce à des approches pharmacologiques et génétiques, nous mettons en évidence que les canaux redox sensibles Transient Receptor Potential Canonical 3 et 4 (TRPC3/4) sont fondamentaux pour la détection du glucose par les neurones HGE in vitro, la stimulation de la sécrétion d’insuline et la diminution de la prise alimentaire en réponse à l’hyperglycémie cérébrale in vivo. De plus, nos travaux démontrent que les canaux TRPC3 du MBH jouent un rôle clef dans le contrôle de l’homéostasie énergétique. Les travaux de cette thèse permettent de mettre en évidence deux nouveaux mécanismes de détection hypothalamique de l’hyperglycémie : l’un reposant sur l’implication des canaux TRPC3/4 dans les neurones HGE et l’autre proposant les endozépines astrocytaires comme relai du signal « glucose » aux neurones POMC. / Hyperglycemia is detected and integrated by the mediobasal hypothalamus (MBH) which, in turn, inhibits food intake and triggers insulin secretion. The MBH houses specialized glucose-sensitive (GS) neurons, which directly or indirectly modulate their electrical activity in response to changes in glucose level. In a first study, we hypothesized that indirect detection of glucose by MBH GS neurons involves the secretion of endozepine by astrocytes, a gliotransmitter known to inhibit food intake in response to hyperglycemia. The present work shows that endozepines selectively activate anorexigenic MBH pro-opiomelanotortine (POMC) neurons. In the second study, we show that the direct detection of increased glucose level involves hypothalamic glucose-excited (HGE) neurons. Using pharmacological and genetic approaches, we demonstrate that the redox-sensitive Transient Receptor Potential Canonical 3 et 4 (TRPC3/4) channels are involved in MBH HGE response to glucose in vitro and increased insulin secretion and decreased food intake in response to cerebral hyperglycemia in vivo. We also obtained evidences that MBH TRPC3 channel is a critical new player for energy homeostasis. This thesis work identifies two new mechanisms involved in hypothalamic detection of hyperglycemia: the first based on the involvement of TRPC3/4 channels in HGE neurons and the second highlighting the astroglial endozepines as a relay of the “glucose” signal to POMC neurons.

Cette thèse est composée de deux parties. Dans la première partie, nous proposons une théorie pour l'interaction entre l'apprentissage par renforcement et les processus de régulation homéostatique. En fait, la régulation efficace de l'homéostasie interne et la défendre contre les perturbations a besoin des stratégies comportementales complexes pour obtenir des ressources physiologiquement épuisés. À cet égard, il est essentiel que les processus cérébraux de régulation homéostatique et les processus d'apprentissage associatifs travaillent de concert. Nous proposons une théorie computationnelle normative pour régulation homéostatique par l'apprentissage associatif, où la stabilité physiologique et l'acquisition de récompense s'avèrent les mêmes objectifs, réalisables simultanément. En théorie, le cadre résout la question de longue date de la façon dont le comportement manifeste est modulée par l'état interne, et comment les animaux apprennent à agir de manière prédictive pour empêcher des défis homéostasie potentiels (répondre par anticipation). Il fournit en outre une explication normative pour choix intertemporel, aversion au risque, la concurrence entre les systèmes de motivation, et le manque de motivation pour l'injection intraveineuse de produits alimentaires. Neurobiologiquement, la théorie suggère une explication pour le rôle de l'interaction par orexine entre les circuits hypothalamiques et les noyaux dopaminergiques du mésencéphale, comme une interface entre les états internes et les comportements motivés. Dans la deuxième partie de la thèse, nous utilisons le modèle présenté dans la première partie, comme base du développement d'une théorie de la dépendance à la cocaïne. Nous soutenons que la dépendance à la cocaïne provient du système de régulation homéostatique être détourné par les effets pharmacologiques de la cocaïne sur le cerveau. Nous démontrons que le modèle réussit à expliquer une variété des aspects comportementaux et neurobiologiques de la dépendance à la cocaïne , à savoir la grandissant de l’administration de cocaine sous les conditions de long accès a cocaïne, fonction dose-réponse pour la cocaïne , rechute à l'addiction à la cocaïne provoquée par amorçage, et l'interaction entre la disponibilité du récepteur de la dopamine D2 et dépendance à la cocaïne. / This thesis is composed of two parts. In the first part, we propose a theory for interaction between reinforcement learning and homeostatic regulation processes. In fact, efficient regulation of internal homeostasis and defending it against perturbations requires complex behavioral strategies to obtain physiologically-depleted resources. In this respect, it is essential that brains homeostatic regulation and associative learning processes work in concert. We propose a normative computational theory for homeostatically-regulated reinforcement learning (HRL), where physiological stability and reward acquisition prove to be identical objectives achievable simultaneously. Theoretically, the framework resolves the long-standing question of how overt behavior is modulated by internal state, and how animals learn to predictively act to preclude prospective homeostatic challenges (anticipatory responding). It further provides a normative explanation for temporal discounting of reward, and accounts for risk-aversive behavior, competition between motivational systems, taste-induced overeating, and lack of motivation for intravenous injection of food. Neurobiologically, the theory suggests a computational explanation for the role of orexin-based interaction between the hypothalamic circuitry and the midbrain dopaminergic nuclei, as an interface between internal states and motivated behaviors. In the second part of the thesis, we use the HRL model presented in the first part, as the cornerstone for developing an Allostatic Reinforcement Learning (ARL) theory of cocaine addiction. We argue that cocaine addiction arises from the HRL system being hijacked by the pharmacological effects of cocaine on the brain. We demonstrate that the model can successfully capture a wide range of behavioral and neurobiological aspects of cocaine addiction, namely escalation of cocaine self-administration under long- but not short-access conditions, U-shaped dose-response function for cocaine, priming-induced reinstatement of cocaine seeking, and interaction between dopamine D2 receptor availability and cocaine seeking.

Allergic manifestations are increasingly common in infants and children. Accumulating evidence suggests that the ‘epidemic’ increase of childhood allergy may be associated with environmental factors such as stress. Although the impact of stress on the manifestation and exacerbation of allergy has been demonstrated, the underlying mechanisms of stress-induced exacerbation are still obscure. A growing number of studies have suggested an altered hypothalamus-pituitary-adrenal (HPA) axis function to stress in allergic children. It is speculated that a dysfunctional HPA axis in response to stress may facilitate and/or consolidate immunological aberrations and thus, may increase the risk for allergic sensitization and exacerbation especially under stressful conditions. In the present review the potential impact of a hyporesponsive as well as a hyperresponsive HPA axis on the onset and chronification of childhood allergy is summarized. Moreover, potential factors that may contribute to the development of an aberrant HPA axis responsiveness in allergy are discussed. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.