Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Dans une situation d'apprentissage, il a été proposé que les neurones recrutés et les synapses activées pour accomplir cet exercice mental se modifient afin de laisser, à l'échelle cellulaire, une trace mnésique. Les récents et nombreux travaux de recherche en neurobiologie de la mémoire ont permis de confirmer l'existence potentielle d'une partie de ces processus cognitifs hypothétiques. Entre autres, il a été démontré que les changements neuronaux survenant lors de divers phénomènes de modulation de la fonction synaptique (plasticité synaptique) seraient, en partie, le résultat d'une modification des propriétés des récepteurs glutamatergiques de type AMPA (a-amino-3-hydroxy-5-méthyl-4-isoxazolepropionate) par des processus enzymatiques dépendants de l'ion calcium (Ca2+). Cependant, la caractérisation des effets de plusieurs conditions (pathologies, comparaisons interespèces, modifications génétiques) sur les capacités mnésiques des sujets expérimentaux et sur les phénomènes de plasticité synaptique observés dans leur cerveau a été et est encore principalement effectuée par l'utilisation de souris, tandis que les données sur les propriétés de liaison des récepteurs AMPA sont, dans l'ensemble, tirées d'expériences effectuées avec des rats. Par conséquent, la caractérisation des mécanismes de régulation des propriétés de liaison des récepteurs AMP A chez la souris s'avère nécessaire afin de faciliter et d'approfondir la compréhension des processus cellulaires impliqués dans l'expression des différentes formes de plasticité synaptique associées aux circuits neuronaux glutamatergiques. Durant mes travaux de maîtrise, des analyses qualitatives et quantitatives de la liaison de ligands tritiés sur des coupes de cerveaux congelés de différentes souches de souris ont été effectuées afin de déterminer comment l'exposition de ces coupes à des ions calcium (traitement calcique) est en mesure de modifier les propriétés de liaison des récepteurs glutamatergiques AMP A. Les résultats obtenus avec la souche B6C3Fl montrent que le Ca2+ a des effets sur les propriétés de liaison de ces récepteurs qui sont différents d'une région cérébrale à l'autre : la liaison est augmentée dans l'hippocampe, diminuée dans le cortex et le striatum, et inchangée dans le thalamus. De plus, ces effets semblent spécifiques aux récepteurs AMPA puisque le traitement calcique des coupes de cerveau n'a pas induit de changements de la liaison de ligands tritiés aux récepteurs NMDA (N-méthyl-D-aspartate), un autre type de récepteurs glutamatergiques. L'analyse de courbes de saturation de la liaison de l' AMPA tritié a révélé que la hausse de la liaison induite par le Ca2+ dans la région CA1 radiatum de l'hippocampe est due à un changement dans le nombre maximal de sites de liaison (Bmax), alors que la baisse de la liaison observée dans le cortex et induite par le Ca2+ semble être le résultat d'une diminution de l'affinité (exprimée par le Kt) des récepteurs AMPA envers le ligand. Cette régulation calcique à la baisse de l'affinité des récepteurs AMP A dans le cortex et le striatum semble impliquer l'activation de la phospholipase A2 et de la voie lipoxygénase du métabolisme de l'acide arachidonique puisqu'elle est bloquée par des inhibiteurs de ces systèmes enzymatiques.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le trafic membranaire est essentiel dans les neurones pour la morphogénèse, le recyclage des vésicules synaptiques et des récepteurs. L’exocytose des récepteurs AMPA contenus dans les endosomes de recyclage (ER) est nécessaire pour l’expression de la plasticité synaptique à long terme (PLT). Pour étudier ce mécanisme, nous avons visualisé l’exocytose par microscopie de fluorescence sur des neurones en culture transfectés avec le récepteur de la transferrine (TfR), un marqueur des ER, fusionné à la phluorine. Un examen systématique des événements d'exocytose a révélé des différences de comportement. Dans la plupart des cas, les récepteurs diffusent rapidement dans la membrane plasmique après exocytose (discharge), mais dans environ 25% des cas, les récepteurs restent concentrés (display). L’utilisation de changements rapides de pH extracellulaire autour de la cellule montre que l’exocytose est transitoire : après quelques secondes (médiane 2.6s) les récepteurs sont réinternalisés. Ce mécanisme a pu être étendu aux récepteurs AMPA et β2-adrenergique, pour lesquels l’exocytose de type display avait déjà été décrite. L’imagerie deux couleurs montre que Rab11, un marqueur des ER, est enrichie au site d’exocytose. L’expression d’un dominant négatif de Rab11 connu pour inhiber la PLT provoque une diminution spécifique de la fréquence des évènements discharge. Dans nos recherches sur le mécanisme de l’exocytose, nous avons testé l’implication des protéines SNARE dans la fusion membranaire. Ainsi VAMP4 est enrichie avec le TfR dans les ER qui sont exocytés à une fréquence équivalente. De plus, elle est requise pour le recyclage du TfR. / Membrane trafficking is essential for neuronal function: from growth of neurons and synapse formation to recycling of synaptic vesicles and receptors, questions concerning exocytosis and endocytosis are stimulating neurobiology research. In particular, trafficking of glutamate receptors present in recycling endosomes (REs) is necessary for the expression of long term potentiation (LTP). To investigate the mechanism of exocytosis in dendrites, we have imaged cultured rat hippocampal neurons transfected with transferrin receptor, a classical marker of REs, tagged with phluorin. As for AMPA receptors or β2-adrenegric receptors, single exocytic events has revealed two main behaviors: in most cases, receptors diffuse quickly in the plasma membrane after exocytosis (discharge events), but receptors can also remain clustered (display events). Using fast extracellular pH changes around the recorded cell, we show that for display events exocytosis is transient: after a few seconds (median 2.6 s) receptors are internalized. Moreover, using two color imaging of single exocytosis events with markers of neuronal compartments, we found that Rab11 is enriched at the exocytosis site, confirming the endosomal origin of the vesicles. Overexpression of a dominant negative form of Rab11 known to impair LTP decreases selectively the frequency of discharge events. As SNARE proteins are involved in virtually all membrane fusion processes, we investigated the role of Vamp proteins in somatodendritic exocytosis events. We found that Vamp4, unlike Vamp2 or Vamp7, is enriched in TfR containing compartments and can undergo exocytosis at high frequency and is required for TfR exocytosis.

Il est bien admis que la compréhension de la structuration moléculaire à l’intérieur des cellules neuronales est essentielle pour appréhender le fonctionnement du cerveau. Pour cette raison, l’étude de l’organisation des molécules clés neuronales et synaptiques contribue grandement à comprendre le mystère du cerveau. AMPA sont des récepteurs ionotropiques du glutamate jouent le rôle central dans la plasticité synaptique et la transmission synaptique basale dans le système nerveux central. Distribution des récepteurs AMPA sur la membrane neuronale est remarquablement hétérogène. Ils sont organisés en agrégats fonctionnels distincts, appelés nanodomaines. Des travaux antérieurs ont montré que Neuroligin, la molécule d’adhésion post-synaptique, ancres récepteurs AMPA par PSD95 dans la membrane post-synaptique et constitue en même temps un complexe d’adhésion trans-synaptique avec présynaptique Neurexin, impliqué dans le recrutement de machines de libération vésiculaire sur le site présynaptique. De cette façon, NRLG fonctionnellement organise synapses par la poste de recrutement de molécules présynaptiques essentielles pour réponse synaptique. Ici, nous avons étudié l’effet de la modulation de NRLG1 (modification du niveau d’expression ou de l’activité) sur le dynamique et nano-organisation des récepteurs AMPA au niveau des synapses individuelles. Notre hypothèse est que le complexe NRX-NRG pourrait être impliquée dans la localisation précise des récepteurs post-synaptiques et son apposition avec zone active présynaptique, jouant ainsi le rôle important dans la transduction du signal approprié. Taille de la densité post-synaptique (PSD) est de l’ordre de 500 nm, alors que diamètre moyen des nanodomaines AMPAR 100 nm. Une telle petite dimension nécessitait l’application de techniques de microscopie de super-résolution, dont la résolution de l’ordre de 20-40 nm est presque un ordre de grandeur mieux que microscopie fluorescence limitée par la diffraction. Nanoscopie fluorescence permettent visualiser des cellules jusqu’au niveau presque moléculaire. Pour atteindre mes objectifs, j’ai mis en place différents nanoscopies de localisation d’une seule molécule, qui s’appuient sur séparés dans l’espace et le temps de détection de population choisi de sondes de fluorescence. Il a été proposé que le trafic membranaire des récepteurs de neurotransmetteurs peut contribuer à la modulation de l’efficacité synaptique. J’ai sondé propriétés diffusionnelles des récepteurs AMPA avec suivi de particules unique, qui a été pendant longtemps appliqué pour sonder l’hétérogénéité de la membrane cellulaire. Localisation relative des biomolécules à la base de la compréhension de leur relation fonctionnelle. Il est bien admis que la juxtaposition de deux objets, ainsi que leur colocalisation, peuvent témoigner de leur association. Avec les récents développements dans l’acquisition multi couleur de la molécule unique et images de super-résolution à base d’ensemble, il est maintenant possible d’explorer la colocalisation à l’échelle nanométrique entre biomolécules dans des cellules vivantes et fixe. Malgré l’ la popularité et l’application très répandue, il n’existe que quelques paradigmes d’analyse quantitative pour la colocalisation des images multicolores super-résolution. Ici, avec l’aide de paradigmes conventionnels de mesure de la colocalisation et statistiques multivariées, nous analysons et présentons en isolement l’échelle du détail et proximité des macromolécules au sein de zones fonctionnelles de synapses. En outre, nous utilisons ces paradigmes pour évaluer marqueurs fluorescents impliqués dans la production de routine de la molécule unique fondée images super-résolution. Nous étendons notre analyse élucider en profondeur le co-agrégation des molécules clés synaptiques, PSD95 et récepteurs AMPA, qui sont impliqués dans l’organisation synaptique et transmission basale. / The brain is made of complex networks of interconnected neuronal cells. All our mental activities are underlain by electrochemical signals passing through dedicated neuronal circuits. Climbing further up on the complexity ladder, information processing by neurons is performed by multiple molecules assembling and interacting together. It is well accepted that the understanding of the molecular structuring inside neuronal cells is essential to apprehend functioning of the brain. For this reason, study of the organization of the key neuronal and synaptic molecules greatly contributes to understand the mystery of the brain. AMPA receptors (AMPARs) are ionotropic glutamate receptors that play a central role in synaptic plasticity and basal synaptic transmission in the central nervous system. The distribution of AMPARs on the neuronal membrane is remarkably heterogeneous. They are organized in distinct functional aggregates, called nanodomains. Previous work demonstrate that the postsynaptic adhesion molecule Neuroligin (NRLG) anchors AMPARs through PSD-95 in the postsynaptic membrane while simultaneously forming a trans-synaptic adhesion complex with presynaptic Neurexin (NRX), and recruiting vesicular release machinery at the presynaptic site. In this way, NRLG functionally organizes synapses by recruiting post and pre-synaptic molecules essential for regulation of synaptic responses. Here we studied the effect of NRLG modulation (modification of expression level or activity) on AMPAR nano-dynamics and nano-organization at individual synapses. Our hypothesis is that the NRX-NRLG complex could be involved in the precise localization of postsynaptic receptors and their apposition with the neurotransmitter release sites in the presynaptic active zone, thus playing important role in proper signal transduction. The size of the postsynaptic density (PSD) is in the order of 500 nm, whereas the average diameter of AMPAR nanodomains 100 nm. Such small dimension necessitated the application of super-resolution microscopy techniques, whose resolution in the range of 20-40 nm is almost an order of magnitude better than diffraction limited fluorescence microscopy. Probe-based far-field fluorescence nanoscopies allow visualizing cells down to almost molecular level. To achieve my goals, I implemented different single-molecule localization nanoscopies which rely on the detection of selected populations of fluorescence probes that are separated in space and time. It was proposed that membrane trafficking of neurotransmitter receptors may contribute to modulation of synaptic efficacy. I have probed diffusional properties of AMPARs with single particle tracking, which has long been applied to probe heterogeneity of the cell membrane. Relative localization of biomolecules provides the basis for understanding their functional relationship. It is well accepted that the juxtaposition of two objects, as well as their colocalization, may give evidence of their association. With the recent developments in multi-color acquisition of single molecule and ensemble based super resolution images, it is now possible to explore the colocalization at the nanoscale between biomolecules in live and fixed cells. Despite the popularity and wide spread application of super resolution imaging, there exist only a few quantitative analysis paradigms for the colocalization of multicolor super-resolution images. Here, with the aid of conventional colocalization measurement paradigms and multivariate statistics, we analyze and report in detail the scale segregation and proximity of macromolecules within functional zones of synapses. Furthermore, we use these paradigms to evaluate fluorescent tags involved in the routine generation of single molecule based super-resolution images. We extend our analysis to elucidate in depth the co-aggregation and clustering of two key synaptic molecules, PSD95 and AMPARs, which are involved in basal synaptic organization and transmission.

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Recent literature has shown that AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid) receptors lacking the GluR2 subunit (thus calcium permeable) are widely expressed in the CNS, especially in interneurons and glia, where they contribute to synaptic transmission and plasticity. Studies have also indicated that calcium permeable AMPARs (CP-AMPARs) are expressed and participate in synaptic regulation in principal neurons, including hippocampal pyramidal neurons. Furthermore, CP-AMPARs and their resultant calcium influx are implicated in various pathophysiological conditions such as ischemia and seizures. However, the synaptic events activated by calcium influx through CP-AMPARs remain unknown. I took advantage of genetically altered mice without (GluR2-/-) or with reduced GluR2 (GluR2+/-), thus allowing the expression and detailed analysis of synaptic CP-AMPARs in hippocampal pyramidal neurons. Utilizing electrophysiological techniques, I demonstrated that these receptors were capable of inducing numerous forms of long-term potentiation (referred to as CP-AMPAR-dependent LTP) through a number of different induction protocols, including high-frequency stimulation (HFS) and theta-burst stimulation (TBS). This included a previously undemonstrated form of protein-synthesis dependent late-LTP (L-LTP) at CA1 synapses that is NMDA-receptor (NMDAR) independent. This form of plasticity was completely blocked by the selective CP-AMPAR inhibitor IEM-1460. Surprisingly, calcium/calmodulin-dependent kinase II (CaMKII), the key protein kinase that is indispensable for NMDAR-dependent LTP at CA1 synapses appeared to be not required for the induction of CP-AMPAR-dependent LTP due to the lack of effect of two separate pharmacological inhibitors (KN-62 and staurosporine) on this form of potentiation. Both KN-62 and staurosporine strongly inhibited NMDAR dependent LTP in control studies. In contrast, inhibitors for the extracellular signal-regulated kinase/mitogen-activated protein kinase (ERK/MAPK) cascade (PD98059 and U0126) significantly attenuated this CP-AMPAR-dependent LTP. Additional studies with knockout mice revealed that the ERK/MAPK signalling cascade is likely acting through p-21 activated kinase 1 (or PAK1, a Rho-GTPase associated kinase) dependent mechanisms. These results suggest that distinct synaptic signalling underlies GluR2-lacking CP-AMPAR-dependent LTP, and reinforces the recent notions that CP-AMPARs are important facilitators of synaptic plasticity in the brain.

Recent literature has shown that AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid) receptors lacking the GluR2 subunit (thus calcium permeable) are widely expressed in the CNS, especially in interneurons and glia, where they contribute to synaptic transmission and plasticity. Studies have also indicated that calcium permeable AMPARs (CP-AMPARs) are expressed and participate in synaptic regulation in principal neurons, including hippocampal pyramidal neurons. Furthermore, CP-AMPARs and their resultant calcium influx are implicated in various pathophysiological conditions such as ischemia and seizures. However, the synaptic events activated by calcium influx through CP-AMPARs remain unknown. I took advantage of genetically altered mice without (GluR2-/-) or with reduced GluR2 (GluR2+/-), thus allowing the expression and detailed analysis of synaptic CP-AMPARs in hippocampal pyramidal neurons. Utilizing electrophysiological techniques, I demonstrated that these receptors were capable of inducing numerous forms of long-term potentiation (referred to as CP-AMPAR-dependent LTP) through a number of different induction protocols, including high-frequency stimulation (HFS) and theta-burst stimulation (TBS). This included a previously undemonstrated form of protein-synthesis dependent late-LTP (L-LTP) at CA1 synapses that is NMDA-receptor (NMDAR) independent. This form of plasticity was completely blocked by the selective CP-AMPAR inhibitor IEM-1460. Surprisingly, calcium/calmodulin-dependent kinase II (CaMKII), the key protein kinase that is indispensable for NMDAR-dependent LTP at CA1 synapses appeared to be not required for the induction of CP-AMPAR-dependent LTP due to the lack of effect of two separate pharmacological inhibitors (KN-62 and staurosporine) on this form of potentiation. Both KN-62 and staurosporine strongly inhibited NMDAR dependent LTP in control studies. In contrast, inhibitors for the extracellular signal-regulated kinase/mitogen-activated protein kinase (ERK/MAPK) cascade (PD98059 and U0126) significantly attenuated this CP-AMPAR-dependent LTP. Additional studies with knockout mice revealed that the ERK/MAPK signalling cascade is likely acting through p-21 activated kinase 1 (or PAK1, a Rho-GTPase associated kinase) dependent mechanisms. These results suggest that distinct synaptic signalling underlies GluR2-lacking CP-AMPAR-dependent LTP, and reinforces the recent notions that CP-AMPARs are important facilitators of synaptic plasticity in the brain.

by Cheng Wai Ming. / Thesis submitted in: October, 1998. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 1999. / Includes bibliographical references (leaves 54-68 (2nd gp.)). / Abstracts in English and Chinese. / ACKNOWLEDGEMENTS --- p.iv / ABSTRACT --- p.v / ABSTRACT (Chinese) --- p.vii / Chapter CHAPTER 1 --- LITERATURE REVIEW --- p.1 / Chapter 1.1 --- Ionotropic glutamate receptors --- p.1 / Chapter 1.1.1 --- AMP A receptor --- p.3 / Chapter 1.1.1.1 --- Structure of AMP A receptor --- p.3 / Chapter 1.1.1.2 --- Electrophysiological properties of AMPA receptor --- p.4 / Chapter 1.1.1.3 --- Pharmacology of AMPA receptors --- p.6 / Chapter 1.1.1.4 --- Kinetics of AMPA receptors --- p.8 / Chapter 1.1.2 --- NMDA receptor --- p.9 / Chapter 1.1.2.1 --- Structure of NMDA receptor --- p.9 / Chapter 1.1.2.2 --- Electrophysiological properties of NMDA receptor --- p.10 / Chapter 1.1.2.3 --- Pharmacology of NMDA receptor --- p.11 / Chapter 1.1.2.4 --- Kinetics of NMDA receptor --- p.12 / Chapter 1.2. --- The basal ganglia and the SNR --- p.12 / Chapter 1.3 --- Excitatory glutamatergic inputs on SNR --- p.16 / Chapter 1.4 --- Aim of study --- p.17 / Chapter CHAPTER 2 --- Electrophysiological properties of SNR neurones --- p.18 / Chapter 2.1 --- Introduction --- p.18 / Chapter 2.2 --- Methods --- p.19 / Chapter 2.2.1 --- In vitro slice preparation and maintenance --- p.19 / Chapter 2.2.2 --- Whole-cell patch-clamp recording --- p.20 / Chapter 2.2.3 --- Solutions and drugs --- p.21 / Chapter 2.2.4 --- Histological methods --- p.21 / Chapter 2.2.5 --- Data analysis --- p.22 / Chapter 2.3 --- Results --- p.22 / Chapter 2.3.1 --- Passive membrane properties of SNR neurones --- p.22 / Chapter 2.3.2 --- Firing rate and action potential characteristics --- p.23 / Chapter 2.3.3 --- Firing patterns --- p.23 / Chapter 2.3.4 --- Weak hyperpolarization activated inward rectification --- p.24 / Chapter 2.3.5 --- Slow aflerhyperpolarization --- p.25 / Chapter 2.3.6 --- Current-frequency relationship --- p.25 / Chapter 2.3.7 --- Morphology of labelled SNR neurones --- p.25 / Chapter 2.4 --- Discussion and conclusion --- p.26 / Chapter CHAPTER 3 --- AMPA and NMDA induced membrane responses --- p.30 / Chapter 3.1 --- Introduction --- p.30 / Chapter 3.2 --- Methods --- p.31 / Chapter 3.2.1 --- In vitro slice preparation and maintenance --- p.31 / Chapter 3.2.2 --- Whole-cell patch-clamp recording --- p.31 / Chapter 3.2.3 --- Solutions and drugs --- p.31 / Chapter 3.2.4 --- Drug application --- p.32 / Chapter 3.2.5 --- Immunocytochemistry --- p.32 / Chapter 3.2.6 --- Data analysis --- p.33 / Chapter 3.3 --- Results --- p.33 / Chapter 3.3.1 --- AMPA induced responses in SNR GABA neurones --- p.33 / Chapter 3.3.1.1 --- AMPA induced membrane depolarization --- p.33 / Chapter 3.3.1.2 --- AMPA induced membrane current --- p.34 / Chapter 3.3.1.3 --- Current-voltage relationship --- p.34 / Chapter 3.3.1.4 --- Effect of NBQX --- p.35 / Chapter 3.3.1.5 --- Effects of JSTX and spermine --- p.35 / Chapter 3.3.2 --- NMDA-induced response in SNR GABA neurones --- p.36 / Chapter 3.3.2.1 --- NMDA induced membrane depolarization --- p.36 / Chapter 3.3.2.2 --- NMDA induced membrane current --- p.36 / Chapter 3.3.2.3 --- APV blocked NMDA-induced current --- p.36 / Chapter 3.3.2.4 --- Effect of glycine on NMDA induced response --- p.37 / Chapter 3.3.2.5 --- Mg2+-sensitivity --- p.37 / Chapter 3.3.2.6 --- Current-voltage relationship --- p.38 / Chapter 3.3.3 --- GluR2 subunit immunostaining --- p.38 / Chapter 3.4 --- Discussion and conclusion --- p.39 / Chapter 3.4.1 --- AMPA receptors in SNR neurones --- p.39 / Chapter 3.4.2 --- NMDA receptors in SNR neurones --- p.41 / Chapter 3.4.3 --- Functional significance --- p.41 / Chapter CHAPTER 4 --- Glutamate-mediated synaptic currents in SNR --- p.43 / Chapter 4.1 --- Introduction --- p.43 / Chapter 4.2 --- Methods --- p.44 / Chapter 4.2.1 --- In vitro slice preparation and maintenance --- p.44 / Chapter 4.2.2 --- Electrophysiological recordings --- p.44 / Chapter 4.2.3 --- Electrical stimulation --- p.45 / Chapter 4.2.4 --- Solutions and drugs --- p.45 / Chapter 4.2.5 --- Data analysis --- p.46 / Chapter 4.3 --- Results --- p.46 / Chapter 4.3.1 --- Characteristics of spontaneous EPSCs --- p.46 / Chapter 4.3.1.1 --- General characteristics --- p.46 / Chapter 4.3.1.2 --- Kinetics --- p.47 / Chapter 4.3.1.3 --- Pharmacology --- p.47 / Chapter 4.3.2 --- Characteristics of evoked EPSCs --- p.48 / Chapter 4.3.2.1 --- General characteristics --- p.48 / Chapter 4.3.2.2 --- Pharmacological characterization --- p.49 / Chapter 4.3.2.3 --- Effects of bicuculline --- p.50 / Chapter 4.4 --- Discussion and conclusion --- p.50 / Chapter 4.4.1 --- Excitatory transmission onto SNR neurones --- p.50 / Chapter 4.4.2 --- Source of excitatory drive --- p.51 / Chapter 4.4.3 --- Interaction with GABA inputs --- p.52 / Chapter 4.4.4 --- Functional significance --- p.52 / REFERENCES --- p.54

Ho, Tsz Wan. / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2009. / Includes bibliographical references (leaves 125-165). / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Abstract also in Chinese.

Thesis (Ph.D. in Pharmacology) -- University of Colorado Denver, 2007. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 132-151). Free to UCD affiliates. Online version available via ProQuest Digital Dissertations;