Abstract : Normal aging is accompanied by several metabolic and structural changes in the brain and a heightened risk of cognitive decline. These brain changes may increase the chances of later developing Alzheimer’s disease. The first major objective of the present work was to quantify, through positron emission tomography (PET) and volumetric magnetic resonance (MR) imaging techniques, the effects of normal aging on brain metabolism and structure. Our results indicate that brain glucose hypometabolism can be present in older individuals who remain cognitively normal. Cognitive status was assessed using age-normalised neuropsychological tests. Brain glucose hypometabolism was quite specific and affected primarily the prefrontal cortex and the caudate nucleus. Due to the high variation in plasma ketones, brain ketone hypometabolism per se was not present in older persons (≥65 years old). However, a lower rate constant for brain ketone uptake was fairly widespread in our healthy older group. Lower regional brain volume during normal aging was widespread throughout the cortex and was more apparent than cortical thickness loss. The second major objective was to characterize brain ketone and glucose metabolism in the context of mild Alzheimer’s disease. Glucose hypometabolism in Alzheimer’s disease was present in the temporoparietal cortex when compared with cognitively normal older adults. However, no significant differences in brain ketone metabolism or rate constant were found between the two groups. Alternative energy sources to glucose may therefore be beneficial to the Alzheimer’s disease brain, at least early in the disease process, in order to maintain neuronal capacity and limit synaptic loss and decline in memory and cognition. // Résumé : Au cours du vieillissement normal, le cerveau va subir plusieurs changements métaboliques et structuraux qui vont accroitre le risque de déclin cognitif et du fait même augmenter le risque de développer la maladie d’Alzheimer. Les objectifs du présent travail étaient de : 1) quantifier l’effet du vieillissement normal sur la structure et le métabolisme du cerveau, grâce aux techniquesd’imagerie tomographie par émission de positons et l’imagerie par résonance magnétique ; 2) caractériser le métabolisme cérébral des deux substrats énergétiques du cerveau, le glucose et les cétones, dans un contexte de la maladie d’Alzheimer. Nos résultats indiquent qu’un hypométabolisme du glucose est présent chez des personnes âgées (65 ans et plus) qui démontrent pourtant une cognition normale. Cette diminution du métabolisme cérébral du glucose est observée spécifiquement au niveau des régions du cortex préfrontal et du noyau caudé. Du fait d’une grande variabilité au niveau des concentrations plasmatiques en cétones, aucune diminution du métabolisme des cétones n’a été constatée chez les personnes âgées. En revanche, la constante de transfert des cétones au cerveau était globalement diminuée. En ce qui concerne l’atrophie cérébrale au cours du vieillissement normal, nous avons observé qu’elle était globale, qu’elle concerne l’ensemble du cerveau et qu’elle était plus marquée que la diminution de l’épaisseur corticale. En comparant des personnes âgées en bonne santé à des personnes ayant la maladie d’Alzheimer, nous avons également confirmé que chez ces dernières, le métabolisme du glucose est diminué spécifiquement au niveau du cortex temporopariétal. Cependant, aucune différence entre les deux groupes de personnes n’a été observée en ce qui concerne le métabolisme cérébral des cétones. Ainsi en fournissant des substrats énergétiques autres que le glucose, il serait donc possible de maintenir les capacités neuronales, limiter la perte synaptique et ralentir le déclin cognitif. Ceci pourrait constituer une stratégie prometteuse dans la prévention et le traitement complémentaire au début de la maladie d’Alzheimer.

Leung, Yeung Yeung. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2010. / Includes bibliographical references (leaves 134-154). / Abstracts in English and Chinese. / CONTENTS --- p.i / ACKNOWLEDGEMENTS --- p.iv / ABSTRACT --- p.v / 論文摘要 --- p.viii / LIST OF FIGURES --- p.x / LIST OF TABLES --- p.xiv / LIST OF ABBREVIATIONS --- p.xv / Chapter 1. --- INTRODUCTION --- p.1 / Chapter 1.1 --- Brain iron function and diseases --- p.1 / Chapter 1.1.1 --- Function of iron in the brain --- p.1 / Chapter 1.1.2 --- Iron involved oxidative damage --- p.2 / Chapter 1.1.3 --- Role of iron in neurodegenerative diseases --- p.6 / Chapter 1.1.4 --- Role of iron in Alzheimer's disease --- p.7 / Chapter 1.1.5 --- Deleterious effects of iron in memory function --- p.9 / Chapter 1.2 --- Iron regulation in the brain --- p.10 / Chapter 1.2.1 --- Transport and storage of brain iron --- p.10 / Chapter 1.2.2 --- Iron homeostasis in the brain --- p.14 / Chapter 1.2.3 --- Transport of iron in axon and synapse --- p.17 / Chapter 1.3 --- The hippocampus --- p.19 / Chapter 1.3.1 --- Hippocampus and memory function --- p.19 / Chapter 1.3.2 --- Structure of the hippocampus --- p.20 / Chapter 1.3.3 --- Cell composition in the hippocampus --- p.26 / Chapter 1.3.4 --- Wiring in the hippocampus --- p.28 / Chapter 1.4 --- Synaptic plasticity and long term potentiation --- p.30 / Chapter 1.4.1 --- Basic theory of synaptic plasticity --- p.30 / Chapter 1.4.2 --- Types of synaptic plasticity --- p.30 / Chapter 1.4.3 --- The discovery of long term potentiation --- p.31 / Chapter 1.4.4 --- Long term potentiation --- p.32 / Chapter 1.4.5 --- Cellular mechanism of long term potentiation --- p.33 / Chapter 1.4.6 --- Role of reactive oxygen species in long term potentiation --- p.36 / Chapter 1.5 --- Aim of the study --- p.38 / Chapter 2. --- MATERIALS AND METHODS --- p.39 / Chapter 2.1 --- Rat model of iron overload --- p.39 / Chapter 2.2 --- Multi-electrode field potential measurement --- p.40 / Chapter 2.2.1 --- Acute preparation of hippocampal slices --- p.40 / Chapter 2.2.2 --- Multi-electrode array recording system --- p.41 / Chapter 2.2.3 --- Recording of field excitatory postsynaptic potentials --- p.42 / Chapter 2.2.4 --- Induction of LTP --- p.47 / Chapter 2.2.5 --- Recording of paired-pulse ratio --- p.48 / Chapter 2.3 --- Whole cell patch-clamp recordings --- p.50 / Chapter 2.4 --- Biochemical assays --- p.57 / Chapter 2.4.1 --- Preparation of brain homogenate --- p.57 / Chapter 2.4.2 --- Total iron measurement --- p.57 / Chapter 2.4.3 --- Protein carbonyl measurement --- p.58 / Chapter 2.4.4 --- Determination of reactive oxygen species --- p.60 / Chapter 2.5 --- Drugs and data analysis --- p.61 / Chapter 3. --- RESULTS --- p.62 / Chapter 3.1 --- The acute effects of extracellular iron on synaptic transmission and long-term synaptic plasticity in the hippocampus in vitro --- p.63 / Chapter 3.1.1 --- Effects of ferric ion on basal synaptic transmission --- p.63 / Chapter 3.1.1.1 --- Effect of FAC on basal fEPSPs --- p.63 / Chapter 3.1.1.2 --- Comparison with the effect of AC on basal fEPSPs --- p.69 / Chapter 3.1.2 --- Effects of ferric ion on long-term synaptic plasticity --- p.72 / Chapter 3.1.2.1 --- Effect of acute FAC treatment on LTP --- p.72 / Chapter 3.1.2.2 --- Comparison with the effect of AC on LTP --- p.75 / Chapter 3.1.3 --- Effects of ferric chloride --- p.78 / Chapter 3.1.4 --- Effects of ascorbic acid on the action of FAC --- p.81 / Chapter 3.2 --- "The acute, in vitro effect of extracellular iron on the membrane properties and excitability of hippocampal CA1 neurons" --- p.86 / Chapter 3.2.1 --- Membrane input resistance --- p.86 / Chapter 3.2.2 --- Voltage-Current relationship --- p.88 / Chapter 3.2.3 --- Membrane excitability --- p.90 / Chapter 3.2.3.1 --- Threshold current --- p.90 / Chapter 3.2.3.2 --- Action potential firing frequency --- p.92 / Chapter 3.2.4 --- Action potential characteristics --- p.95 / Chapter 3.2.4.1 --- "Action potential amplitude, area and width" --- p.95 / Chapter 3.2.4.2 --- Rise and decay kinetics of action potential --- p.98 / Chapter 3.3 --- The chronic effects of iron-loading in the brain on hippocampal long-term synaptic plasticity --- p.100 / Chapter 3.3.1 --- Validation of the iron-overload model --- p.100 / Chapter 3.3.1.1 --- Short-term (1 week) treatment --- p.100 / Chapter 3.3.1.2 --- Long-term (4 weeks) treatment --- p.103 / Chapter 3.3.2 --- Effects of chornic iron-overloading on LTP --- p.105 / Chapter 3.3.2.1 --- Short term iron treatment --- p.105 / Chapter 3.3.2.2 --- Long term iron treatment --- p.108 / Chapter 3.3.3 --- Oxidative stress measurement --- p.111 / Chapter 3.3.3.1 --- Protein oxidation --- p.111 / Chapter 3.3.3.2 --- Reactive oxidative species level --- p.116 / Chapter 4. --- DISCUSSION --- p.120 / Chapter 4.1 --- "Acute, in vitro effects" --- p.121 / Chapter 4.2 --- "Chronic, in vivo effects" --- p.125 / Chapter 5. --- REFERENCES --- p.134

L’imagerie fonctionnelle cérébrale détecte les changements hémodynamiques induits par un stimulus pour déterminer les zones d’activation neuronale. Plus particulièrement, l’imagerie BOLD en IRMf détecte les changements d’oxygénation du sang grâce aux propriétés paramagnétiques de la déoxyhémoglobine. L’oxygène n’est donc pas uniquement un substrat énergétique pour le tissu neuronal, il joue également un rôle majeur dans l’imagerie noninvasive du cerveau humain. Au cours de ma thèse, j’ai tout d’abord participé à la mise au point d’une nouvelle technique non-invasive d’imagerie de l’oxygène dans le cerveau d’animaux anesthésiés. Couplant un nouveau senseur phosphorescent de l’oxygène (Finikova et al., 2008) et la microscopie biphotonique, cette approche permet à la fois de cartographier l’oxygène en 3D avec une résolution spatiale et temporelle jusqu’alors inégalée, mais aussi de suivre simultanément l’oxygène et le flux sanguin dans les capillaires cérébraux au repos ou lors d’une activation neuronale (Lecoq et al., 2011). Tirant profit des nouvelles possibilités de cette technique, nous avons alors démontré: • la présence d’un shunt artério-veineux uniquement basé sur la diffusion de l’oxygène. Ce résultat, obtenu chez le rat dans la couche la plus superficielle du bulbe olfactif: la couche du nerf (ONL), confirme que l’oxygène ne diffuse pas uniquement à partir des capillaires et démontre que les artérioles contribuent significativement à l’oxygénation du tissu cérébral. Il démontre également qu’il n’est pas possible de déterminer ni la Po2 capillaire ni la Po2 tissulaire à partir de la Po2 veineuse. • l’existence de transitoires de Po2 associés à chaque globule rouge dans le compartiment capillaire, appelés EATs (erythrocyte-associated transients) (Hellums, 1977; Cabrales and Intaglietta, 2007). En bref, de part leur diamètre supérieur à celui de la lumière d’un capillaire, les globules rouges passent un à un dans la lumière des capillaires, laissant entre eux un espace de plasma. Cependant, la faible solubilité de l’oxygène dans le plasma crée une barrière à la diffusion, ce qui se traduit par une inhomogénéité de la Po2 capillaire: celle-ci est élevée au bord du globule rouge et décroit avec la distance pour atteindre un minimum à mi-distance entre deux globule rouges. Poursuivant l’étude des EATs (Parpaleix et al., 2013), nous avons observé les points suivants: • La Po2 tissulaire dans l’environnement immédiat d’un capillaire peut être déterminée à partir de la Po2 vasculaire à mi-distance entre deux érythrocytes. Ce résultat est intéressant en ce qu’il permettra d’effectuer des mesures non invasives de Po2 tissulaire, utile notamment chez l’animal éveillé. • L’amplitude des EATs est si large (35 mmHg en moyenne) que la Po2 capillaire moyenne ne reflète en rien la saturation en oxygène de l’hémoglobine. • Une empreinte filtrée des EATs vasculaires est détectable dans le tissu (_5 mmHg d’amplitude). • Au cours d’une stimulation neuronale, une diminution de la Po2 capillaire moyenne peut être détectée avant l’hyperémie fonctionnelle, un résultat jusqu’à présent controversé dans le domaine de l’imagerie BOLD en IRMf, mais important en ce que ce dip pourrait être un rapporteur très résolutif de l’activation neuronale. Parmi les questions restant en suspens et pouvant être étudiées finement avec notre approche, j’en citerai une principale: quel est le poids des différents facteurs (métaboliques, présynaptiques ou post-synaptiques) et du flux sanguin dans l’établissement de la Po2 cérébrale au repos? / In humans, functional mapping of brain activity mainly relies on the increase of cerebral blood flow (CBF) triggered by neuronal activation. This neurovascular coupling provides energy substrates such as oxygen and glucose to the activated area. The steady state concentration of oxygen, as well as its dynamics upon neuronal activation, have been investigated with numerous methods, however, none of them provided highly resolute measurements in depth. During my PhD, we combined a phosphorescence quenching approach with two-photon microscopy to detect, in depth and with a micrometer spatial resolution scale, the emission of phosphorescence by PtP-C343, a new oxygen nano-sensor designed for two-photon excitation. We first characterized the technique and then reported two biological results, using the olfactory bulb (OB) glomerulus as a model to study oxygen concentration, at rest and upon odor stimulation. We found an arterio-venous shunt, purely based on diffusion, in the superficial nerve layer of the OB, confirming the role of arterioles in brain oxygenation. Simultaneous measurements of Po2 and blood flow allowed us to reveal the presence of erythrocyte-associated transients (EATs), i.e. Po2 fluctuations that are associated with individual erythrocytes. Pursuing the investigation of EAT characteristics, we found that in capillaries, Po2 at mid-distance between two erythrocytes is at equilibrium with, and thus reports Po2 in the nearby neuropil. Finally, we could observe that even in capillaries, a small oxygen initial dip can be detected prior to functional hyperemia, upon odor activation.

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Résumé : Les personnes atteintes de la maladie d’Alzheimer présentent une diminution de la capture cérébrale du glucose, qui semble être impliquée dans le développement des problèmes cognitifs associés à la maladie. Toutefois, il n’y a encore aucun consensus quant à savoir si la capture cérébrale du glucose est diminuée chez les personnes âgées cognitivement saines. En condition de déficit de glucose, les cétones sont le substrat énergétique alternatif pour le cerveau. La diète cétogène, induisant une cétose légère, améliore les fonctions cognitives chez les modèles animaux et chez l’homme. Notre premier objectif était d’évaluer l’effet du vieillissement sain et de la diète cétogène sur la capture cérébrale du glucose et des cétones chez le rat. Pour cela, la capture cérébrale de radiotraceurs analogues au glucose et aux cétones a été mesurée par tomographie par émission de positons. Nos résultats montrent que la capture des deux principaux substrats énergétiques du cerveau est globalement similaire chez des rats sains jeunes et âgés, mais est plus élevée suite à la diète cétogène. L’induction d’une cétose légère pourrait corriger la diminution de capture cérébrale du glucose subvenant au cours de la maladie d’Alzheimer. Le second objectif était de déterminer l’effet d’une diète cétogène sur le métabolisme cérébral du glucose et des cétones chez le rat. Pour cela, les différents intermédiaires des voies métaboliques du glucose et des cétones ont été mesurés par spectroscopie par résonance magnétique nucléaire. Les résultats démontrent que le métabolisme du glucose et des cétones dans les cellules du cerveau est plus élevé suite à la diète cétogène. Le contenu en acide [gamma]-aminobutyrique, le principal neurotransmetteur inhibiteur, est aussi plus élevé suite à la diète cétogène, ce qui pourrait contribuer à l’effet antiépileptique de la diète cétogène. Le troisième objectif était d’évaluer l’impact d’une restriction calorique à long terme, pouvant induire une cétose légère, sur le métabolisme cérébral chez des rats âgés sains. Nos résultats montrent que, couplée à une diète à haute teneur en sucrose et faible en acides gras oméga-3, la restriction calorique à long terme chez les rats âgés ne modifie pas le profil des métabolites et des acides gras du cerveau. La déficience en acides gras oméga-3 et la surcharge de sucrose pourraient empêcher une grande partie des effets bénéfiques de la restriction calorique au cerveau.//Abstract : Alzheimer’s disease is associated with a reduction of brain glucose uptake, which may be involved in the development of the cognitive problems associated with the disease. It is however unclear whether brain glucose uptake is decreased in the cognitively healthy elderly. Under conditions of glucose deficit, ketones are the alternative brain energy substrate. A mild ketosis, induced by the ketogenic diet, improves cognitive functions in animal models and humans. Our first objective was to evaluate the effect of healthy aging and of a ketogenic diet on brain glucose and ketone uptake in the rat. Brain uptake of radiotracers analogous to glucose and ketones was measured by positron emission tomography. Our results show that the uptake of the brains two main energy substrates is generally similar in healthy young and aged rats, but is higher under the ketogenic diet. The induction of a mild ketosis may compensate the reduction of brain glucose uptake occurring in Alzheimer’s disease. The second objective was to assess the effect of a ketogenic diet on brain glucose and ketone metabolism in the rat. Metabolic pathway intermediates of glucose and ketones were measured by nuclear magnetic resonance spectroscopy. Results show that glucose and ketone metabolism in brain cells is higher under the ketogenic diet. Content of [gamma]-aminobutyric acid, the main inhibitory neurotransmitter, is also higher under the ketogenic diet, which could contribute to the antiepileptic effect of the ketogenic diet. The third objective was to evaluate the effect of a long-term calorie restriction, which may induce a mild ketosis, on brain metabolism in healthy aged rats. Our results show that, in conjunction with a diet enriched in sucrose and low in omega-3 fatty acids, long-term calorie restriction in aged rats does not change brain metabolite and fatty acid profiles. Omega-3 fatty acid deficiency and an overload of sucrose may prevent the beneficial effects associated with calorie restriction in the brain.

Modulation of the endocannabinoid system (ECS) is of great interest for its therapeutic relevance in several pathophysiological processes. The CB2 subtype is largely localized to immune effectors, including microglia within the central nervous system, where it promotes anti-inflammation. Recently, a rational drug design toward precise modulation of the CB2 active site revealed the novelty of Pyrrolo[2,1-c][1,4]benzodiazepines tricyclic chemotype with a high conformational similarity in comparison to the existing leads. These compounds are structurally unique, confirming their chemotype novelty. In our continuing search for new chemotypes as selective CB2 regulatory molecules, following SAR approaches, a total of 17 selected (S,E)-11-[2-(arylmethylene)hydrazono]-PBD analogs were synthesized and tested for their ability to bind to the CB1 and CB2 receptor orthosteric sites. A competitive [H]CP-55,940 binding screen revealed five compounds that exhibited >60% displacement at 10 μM concentration. Further concentration-response analysis revealed two compounds, and , as potent and selective CB2 ligands with sub-micromolar activities ( = 146 nM and 137 nM, respectively). In order to support the potential efficacy and safety of the analogs, the oral and intravenous pharmacokinetic properties of compound were sought. Compound was orally bioavailable, reaching maximum brain concentrations of 602 ± 162 ng/g (p.o.) with an elimination half-life of 22.9 ± 3.73 h. Whether administered via the oral or intravenous route, the elimination half-lives ranged between 9.3 and 16.7 h in the liver and kidneys. These compounds represent novel chemotypes, which can be further optimized for improved affinity and selectivity toward the CB2 receptor.