La douleur chronique (DC) est un trouble sensoriel complexe caractérisé par des changements structurels, c'est-à-dire par des réarrangements anatomiques sévères du cortex somatosensoriel et des changements fonctionnels, à savoir des anomalies dans la connectivité fonctionnelle du réseau et la transmission de l'information au niveau du circuit thalamo-cortical. Structurellement, dans chaque module cortical, une unité morpho-fonctionnelle peut être reconnue, appelée unité neuro-gliale-vasculaire, où les cellules gliales représentent les structures de pontage permettant le transfert de métabolites et d'oxygène aux neurones. La dépendance fonctionnelle entre les éléments neuronaux et vasculaires, explorée en grande partie par microscopies confocale 3D et biphotonique a élargi le concept de l'espace synaptique en une forme plus complexe, appelé «synapse tripartite», où malgré la présence de neurones pré et post-synaptiques, un composant glial est ajouté face au contexte microvasculaire. Il semble donc correct d'analyser les effets microscopiques corticaux de l'image macroscopique. Des études récentes de notre groupe ont traité de l'origine et l'évolution de la DC dans des modèles expérimentaux de rat DC (Seltzer) grâce à des analyses microstructurales et fonctionnelles axées sur le substrat neuronal corticale et les propriétés micromorphologiques et vasculodynamiques du sang. La microarchitecture du réseau vasculaire cortical a été révélée via la microtomographie par rayonnement X synchrotron aux lignes ID17 et ID16A (ESRF, Grenoble) ainsi qu’à la ligne TOMCAT (SLS, Villigen). S’en est suivi une analyse morphométrique du réseau vasculaire 3D par squelettisation et transformation du graphe spatial. Ensuite, une étude comparative "Neuropathique vs Contrôle", basée sur les propriétés du réseau vasculaire (nombre de vaisseaux, points de branche, segments de squelette et diamètre du vaisseau) a montré des changements évidents dans les compartiments microvasculaires corticaux: une augmentation généralisée des micro-vaisseaux et des capillaires sanguins dans les régions étudiées (cortex somatosensoriel SS1) caractérisent tous les rats DC. Parallèlement, une réduction du diamètre moyen des vaisseaux des rats DC prouve que les capillaires et les microvaisseaux ont une affinité prédominante pour ces événements angiogénétiques. L'évolution de la néogénèse est très présente dès la première étape de la neuropathie (2 semaines), puis diminue mais persiste durant la dernière étape considérée (6 mois). En outre, un flux sanguin maximal accru a été trouvé dans l'état de DC, indiquant que les réseaux vasculaires DC sont compatibles avec un flux enrichi soutenu par l'angiogenèse. Ces résultats provenant de la micro et nanotomographie ont été confirmés via microscopie en immunofluorescence: les échantillons DC ont montré la positivité à trois marqueurs de néogénèse vasculaire (VEGFR1, VEGFR2 et VWF). En parallèle, pour analyser fonctionnellement la genèse et l'évolution des circuits thalamo-corticaux dans les conditions de DC, l'activité neurale a été enregistrée par une matrice de 32 microélectrodes implantée dans le cerveau, recevant simultanément des signaux du noyau thalamique VPL et du cortex SS1. Tous les rats DC montrent des troubles de connectivité révélés aussi par l'évolution de la topologie du réseau de «Modules et Hubs» à une organisation «aléatoire» où les connexions fonctionnelles intra et intercommunautaires diminuent. Ces résultats confirment comment la dynamique neuronale est liée à l'activité vasculaire: les événements néo-génétiques des microvaisseaux corticaux dans la DC sont fortement corrélés aux anomalies fonctionnelles de la dynamique des réseaux neuronaux. L'implication microvasculaire dans la DC ouvre une nouvelle façon de l’interpréter, non seulement reconnue comme pathologie sensorielle, mais aussi comme une maladie neurologique où les réseaux de connectivité neuronale et vasculaire sont largement impliqués dans le système. / Chronic pain (CP) is a complex sensory disorder characterized by structural changes, i.e. severe anatomical rearrangements of somatosensory cortex, and functional changes, i.e. anomalies in network functional connectivity and in information transmission at the level of thalamo-cortical circuit. From the structural point of view, within each cortical module, a morpho-functional unit can be recognized, also called neuro-glial-vascular unit, where the glial cells represent the bridging structures allowing for the transfer of metabolites and oxygen to neurons. Namely, the functional dependency between neuronal and vascular elements, largely explored by 3D confocal microscopy and two photon microscopy, has expanded the concept of synaptic space to a more complex form, indicated as “tripartite synapse”, where besides the presence of the pre- and post- synaptic neurons, a glial component is added facing on the microvascular context. Due to this dependency it appears, thus, correct to analyse the cortical microscopical effects of the macroscopical picture. Novel studies by our group have recently investigated CP origin and evolution in experimental CP rat models (Seltzer) through microstructural and functional analyses focused both on the cortical neuronal substrate and the blood micromorphological and vasculodynamic properties. The 3D microarchitecture of cortical vascular network has been revealed by means of synchrotron X-ray micro Computed Tomography (CT) at the ID17 and ID16A beamlines (ESRF, Grenoble) and the TOMCAT beamline (SLS, Villigen). A subsequent morphometric analysis of the 3D vascular network has been implemented by means of skeletonization and spatial graph transformation. Then, a comparative study “Neuropathic vs Control”, based on the estimated vascular network properties (number of vessels, branch points, skeleton segments and vessel diameter), showed evident changes in cortical microvascular compartments: a widespread increase of blood microvessels and capillaries in the investigated regions (the somatosensory [SSI] cortical area) has been found in all CP rats. In parallel, a reduced mean value of vessel diameter in all CP rats prove that capillaries and small microvessels are predominantly interested by these angiogenetic events. By investigating the time evolution of the neogenesis, it appears strongly present since the first stage of the neuropathy (2 weeks), fading away, but still present, during the last time stage considered (6 months). In addition, an increased maximum blood flow, sustained by the vascular network, has been found in CP condition, indicating that CP vascular networks are compatible with an enriched blood flow sustained by the promoted novel angiogenesis. These results from micro- and nano-tomography have been further confirmed also by immunofluorescence microscopy analysis: CP samples have shown the positivity to three markers of vascular neo-genesis (VEGFR1, VEGFR2 and VWF). In parallel, to functionally analyse the genesis and the evolution of the thalamo-cortical circuits in CP conditions, the neural activity has been recorded by means of 32-microelectrode matrices implanted in the brain, simultaneously receiving signals from the VPL thalamic nucleus and the SS1 cortex. All the CP groups show connectivity disorders exhibited also by the evolution of the network topology from “Modules and Hubs” to a “random” network organisation where the intra-community and inter-community functional connections decrease. These results clearly confirm how the neuronal dynamics is strictly linked to the vascular activity: the cortical microvessel neo-genetic events in CP are strongly correlated to the functional anomalies in neuronal network dynamic. The microvascular involvement in CP opens a new way of interpretation of CP disease, not only recognized as sensory pathology, but also as a neurological disease where neuronal and vascular connectivity networks are extensively involved in the whole system.

Grundlage der vorgelegten Arbeit sind die bei der Alzheimerschen Erkrankung beobachtbaren pathologischen Merkmale, wie die progressive Akkumulation von β-Amyloid-Plaques, cholinerger Dysfunktion und zerebrovaskuläre Abnormalitäten. Die in englischer Sprache verfasste Dissertation ist eine tierexperimentelle Studie, die versucht, den Zusammenhang von β-Amyloid, cholinerger Neurotransmission und zerebralem Gefäßsystem bei der Alzheimerschen Erkrankung näher zu charakterisieren. An Hirnmaterial aus der transgenen Maus Tg2576, die die schwedische Mutation des humanen Amyloidpräkursorproteins als Transgen trägt und ab dem 10. Lebensmonat durch humane β-Amyloid-Plaqueablagerungen in der Hirnrinde imponiert, wurden im Altersverlauf (4 bis 18 Monate) immunhistochemische Untersuchungen zur morphologischen Integrität der zerebralen Mikrogefäße, der kortikalen cholinergen Nervterminalen und der intrazerebralen cholinergen neurovaskulären Innervation durchgeführt. Am somatosensorischen Kortex werden beispielhaft die Expression des Glukosetransporters 1 oder Solanum tuberosum Lektin als Kapillarmarker und des vesikulären Acetylcholintransporters als Marker für cholinerge Fasern mittels Immunfluoreszenz und Laser-Scanning Mikroskopie erfasst, einer semiquantitativen Computer-gestützten Bildanalytischen Auswertung unterzogen und mit dem Ausmaß der kortikalen Plaquebeladung korreliert. So konnte gezeigt werden, dass die Dichte der Blutgefäße und cholinergen Fasern im somatosensorischen Kortex von transgenen Tieren mit dem Alter im Vergleich zu nichttransgenen Kontrolltieren abnimmt, was mit einer Reduktion der perivaskulären cholinergen Innervation einhergeht. Die erhobenen Befunde stützen die von J.C. de la Torre und T. Mussivand schon im Jahre 1993 formulierte „vaskuläre Hypothese“, wonach bei der sporadischen Form der Alzheimerschen Erkrankung alters- und Lebensstil-bedingte Schädigungen des zerebralen Gefäßsystems eine zentrale Rolle bei der Manifestierung der Erkrankung spielen.

Grundlage der vorgelegten Arbeit sind die bei der Alzheimerschen Erkrankung beobachtbaren pathologischen Merkmale, wie die progressive Akkumulation von β-Amyloid-Plaques, cholinerger Dysfunktion und zerebrovaskuläre Abnormalitäten. Die in englischer Sprache verfasste Dissertation ist eine tierexperimentelle Studie, die versucht, den Zusammenhang von β-Amyloid, cholinerger Neurotransmission und zerebralem Gefäßsystem bei der Alzheimerschen Erkrankung näher zu charakterisieren. An Hirnmaterial aus der transgenen Maus Tg2576, die die schwedische Mutation des humanen Amyloidpräkursorproteins als Transgen trägt und ab dem 10. Lebensmonat durch humane β-Amyloid-Plaqueablagerungen in der Hirnrinde imponiert, wurden im Altersverlauf (4 bis 18 Monate) immunhistochemische Untersuchungen zur morphologischen Integrität der zerebralen Mikrogefäße, der kortikalen cholinergen Nervterminalen und der intrazerebralen cholinergen neurovaskulären Innervation durchgeführt. Am somatosensorischen Kortex werden beispielhaft die Expression des Glukosetransporters 1 oder Solanum tuberosum Lektin als Kapillarmarker und des vesikulären Acetylcholintransporters als Marker für cholinerge Fasern mittels Immunfluoreszenz und Laser-Scanning Mikroskopie erfasst, einer semiquantitativen Computer-gestützten Bildanalytischen Auswertung unterzogen und mit dem Ausmaß der kortikalen Plaquebeladung korreliert. So konnte gezeigt werden, dass die Dichte der Blutgefäße und cholinergen Fasern im somatosensorischen Kortex von transgenen Tieren mit dem Alter im Vergleich zu nichttransgenen Kontrolltieren abnimmt, was mit einer Reduktion der perivaskulären cholinergen Innervation einhergeht. Die erhobenen Befunde stützen die von J.C. de la Torre und T. Mussivand schon im Jahre 1993 formulierte „vaskuläre Hypothese“, wonach bei der sporadischen Form der Alzheimerschen Erkrankung alters- und Lebensstil-bedingte Schädigungen des zerebralen Gefäßsystems eine zentrale Rolle bei der Manifestierung der Erkrankung spielen.:CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 Alzheimer’s disease 1 1.2 APP processing and β-amyloid production 2 1.3 Cholinergic dysfunction in Alzheimer’s disease 5 1.4 Cerebrovascular abnormalities in Alzheimer’s disease 8 1.5 Cholinergic innervation of intracortical cerebral microvessels 9 1.6 Transgenic Tg2576 mouse model of Alzheimer’s disease 11 1.7 Aim of study 14 CHAPTER 2: MATERIALS AND METHODS 2.1 Materials 15 2.1.1 Chemical reagents used 15 2.1.2 Biological reagents used 15 2.1.3 Preparation of solutions and buffers 15 2.1.4 Antibodies and reagents used for immunohistochemistry 17 2.1.5 Transgenic animals 19 2.2 Methods 20 2.2.1 Tissue preparation and sampling of sections 20 2.2.2 Immunohistochemistry 20 2.2.2.1 Protocol of immunofluorescent labeling 20 2.2.2.2 Protocol of immunoperoxidase labeling (ABC technique) 21 2.2.2.3 Combination of primary and secondary antibodies 22 2.2.2.4 Protocol of β–amyloid immunolabeling (Formic acid epitope retrieval method) 23 2.2.3 Histochemistry 23 2.2.3.1 Thioflavin S staining 23 2.2.3.2 Nissl staining 23 2.2.3.3 Solanum Tuberosum Lectin (STL) staining 24 2.2.4 Double and triple-coloured immuno-/ histochemical staining of brain sections 24 2.2.5 Microscopy and digital image processing 25 2.2.6 Morphological and morphometric analyses 25 2.2.6.1 Cortical microvessels 25 2.2.6.2 Cortical cholinergic innervation 27 2.2.6.2.1 Total density of VAChT-immunoreactivity 27 2.2.6.2.2 Estimation of the density of varicosities on cholinergic fibres 29 2.2.6.3 Estimation of cholinergic perivascular innervation of cortical microvessels 29 2.2.6.4 Three-dimensional-imaging of vessels innervation 30 2.2.7 Statistical analysis 30 CHAPTER 3: RESULTS 3.1 Developmental and amyloid plaque-related changes in cerebral cortical capillaries in transgenic Tg2576 Alzheimer mice 31 3.1.1 Morphological distribution of brain vessels in the cerebral cortex of wild type mice 31 3.1.2 Microvessel density under plaque burden 33 3.2 Developmental and amyloid plaque-related changes in cholinergic neurotransmission in cholinoceptive target regions of transgenic Tg2576 mice 39 3.2.1 Visualisation of cholinergic nerve terminals in mouse brain 39 3.2.2 VAChT-Expression in wild type and transgenic Tg2576 mice 40 3.3 Role of cholinergic system in β-amyloid-related changes in the cerebrovascular system of transgenic Tg2576 mice 46 3.3.1 Solanum tuberosum lectin (STL) histochemistry in visualisation of brain vessels, β-amyloid, and microglia 46 3.3.1.1 Solanum tuberosum lectin and brain vessels 46 3.3.1.2 Solanum tuberosum lectin and β-amyloid plaques 47 3.3.1.3 Solanum tuberosum lectin staining to visualize glial cells 48 3.3.2 Cholinergic perivascular innervation of cerebral cortical microvessels in transgenic Tg2576 and wild type mice 50 CHAPTER 4: DISCUSSION 4.1 β-Amyloid and brain vascular system: the vascular hypothesis of Alzheimer’s disease 55 4.1.1 Evidences of a role of vascular mechanisms in Alzheimer’s disease 55 4.1.2 Effect of β-amyloid on brain vascular system 57 4.1.3 Effect of ischemia and hypoperfusion on APP processing 59 4.1.4 Effect of β-amyloid on cholinergic function in brain vascular system 59 4.2 Aim of study and main results obtained 61 4.3 Age-related changes in cerebral cortical microvessels in the presence and absence of β-amyloid plaque load 62 4.4 Age-related changes of cholinergic terminals in cholinoceptive target regions in the presence and absence of β-amyloid plaque load 64 4.4.1 VAChT – a reliable marker for detection of cholinergic terminals in cerebral cortex 64 4.4.2 The barrel field of the somatosensory cortex 1 (S1BF) as a model region to reveal age-related changes in cholinergic innervation 65 4.4.3 VAChT expression: morphological and morphometric studies 66 4.5 Age-related changes in cholinergic innervation of cerebral cortical microvessels in the presence and absence of β-amyloid plaque load 69 4.5.1 STL – a mono-marker for detection of cortical vessels, senile amyloid plaques and activated microglia in cerebral cortex 69 4.5.2 Cholinergic perivascular innervation of cerebral cortical microvessels in transgenic Tg2576 mice 70 4.5.3 Quantitation of cholinergic input on cerebral microvessels of mouse brain 71 4.6 Summary and conclusions 75 REFERENCES 77