L'agrégation des canaux sodium (Nav) aux nœuds de Ranvier est une étape importante pour la propagation électrique saltatoire rapide le long des axones myélinisés. L'assemblage des nœuds dépend d'interactions neurones-cellules gliales myélinisantes, les oligodendrocytes dans le système nerveux central (SNC) et les cellules de Schwann dans le système nerveux périphérique (SNP). Bien décrits dans le SNP, les mécanismes cellulaires et moléculaires restent à caractériser dans le SNC. Lors de ma thèse, je me suis focalisé sur les étapes précoces d'assemblage des nœuds dans le SNC. Ce travail montre que des agrégats de protéines nodales (ou pré-nœuds) sont formés le long des axones de neurones GABAergiques avant la myélinisation dans des cultures neurones-glies d'hippocampe et également au cours du développement chez les rongeurs. La formation de pré-nœuds dépend de protéines sécrétées par les oligodendrocytes et de la protéine axonale d'échafaudage, ankyrineG. En outre, la transition des isoformes de Nav le long des axones est régulée par la présence des cellules gliales. Enfin, les pré-nœuds permettent d'accélérer la vitesse de conduction de l'influx nerveux par un facteur 1,5, indépendamment de la myélinisation et du calibre axonal. Globalement, ces résultats renforcent notre connaissance des mécanismes d'assemblage des nœuds de Ranvier dans le SNC et suggèrent une fonction développementale de l'agrégation nodale avant le début de la myélinisation. Si la vitesse de conduction a été décrite comme liée aux propriétés isolantes de la gaine de myéline, les résultats de cette thèse apportent un concept novateur de régulation de la conduction axonale en l'absence de myéline. / The clustering of sodium channels (Nav) at the nodes of Ranvier is an important step in permitting rapid saltatory conduction along myelinated axons. Nodal assembly is neuron-glia dependent, mediated by myelinating oligodendrocytes of the central nervous system (CNS) and Schwann cells in the peripheral nervous system (PNS). While the mechanisms of nodal assembly are currently best characterized in the PNS, cellular and molecular mechanisms underlying their assembly in the CNS are only partially understood. In the core of my PhD dissertation, I focused on the early developmental steps of nodal protein clustering in the CNS and show that clusters of nodal proteins, called prenodes, are detected before myelination along GABAergic axons in hippocampal neuron-glia cultures and also in the developing rodent hippocampus. Prenodal clustering requires extrinsic oligodendroglial secreted proteinaceous factors, and also the intrinsic axonal cytoskeletal scaffolding protein ankyrinG. Furthermore, the transition of sodium channels isoforms is tightly regulated along GABAergic axons during development, but this transition is lost in the absence of the physical presence of glial cells. Lastly, prenodes increase axonal conduction by a factor of 1.5x, independently of myelination and axonal caliber. Taken together, these results further our understanding of CNS nodes of Ranvier assembly mechanisms and the developmental function of nodal clustering prior to myelin ensheathment. While conduction velocity along axons has long been thought to mostly rely on the insulating properties of myelin, these results may shed light on a new concept of axonal conduction in the absence of myelination.

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L’ischémie cérébrale est caractérisée par une interruption totale ou partielle de l’apport sanguine au cerveau, conduisant à une privation d’oxygène et de glucose pour les cellules du cerveau. La série de processus cellulaires qui sont déclenchées par une ischémie cérébrale sont nombreux et complexes. La réduction sévère d’oxygène et de glucose la diminution de la production d’ATP et un changement drastique de la concentration de K+, du pH intracellulaire et extracellulaire et de la production de lactate. La perturbation du métabolisme énergétique au sein des tissus ischémiés conduit rapidement à la dépolarisation membranaire et au relarguage de neurotransmetteurs dans le milieu extracellulaire. Dans le cervelet, l’impact d’un stress ischémique à largement été étudié sur les cellules de Purkinje, seule voie de sortie neuronale du cortex cérébelleux. Il a été montré que le glutamate, relargué par une surexcitation des fibres glutamatergique et par l’inversion des transporteurs du glutamate, est la cause principale de la dépolarisation anoxique des cellules de Purkinje. Cependant, la compréhension de la réponse astrocytaire et l’influence des astrocytes vis-à-vis de l’ischémie ne sont pas encore connu.La cellule de Bergmann est un astrocyte radiaire qui compose un réseau couplé électriquement, formant des interactions anatomiques et fonctionnelles complexes avec les neurones du cortex cérébelleux. En utilisant un modèle in vitro d’ischémie cérébrale, la privation d’oxygène et de glucose (OGD), plusieurs caractéristiques de base de la réaction astrocytaire à l'ischémie sont analysés. Des expériences en patch clamp et d’imagerie calcique sont réalisées sur tranche de cervelet adulte révélant la réponse de la glie de Bergmann à l’OGD par une dépolarisation progressive de la membrane, avec en parallèle une augmentation de calcium cytosolique soutenue. L’enregistrement apparié entre cellule de Purkinje et cellule de Bergmann révèle des différences importantes de réponse à l’OGD entre ces deux types cellulaires. De plus, nous avons mesuré les changements de la concentration de K+ extracellulaire durant l’OGD en utilisant des microélectrodes sensibles aux ions. Nos résultats montrent une corrélation importante entre la dynamique du K+ extracellulaire et la dépolarisation membranaire de la cellule de Bergmann au cours de l’OGD. / Cerebral ischemia is characterized by partial or total interruption of the blood supply to the brain resulting in glucose and oxygen deprivation to brain cells. The series of cellular processes that are unleashed by cerebral ischemia are complex. The severe reduction in oxygen and glucose induces decreases in ATP production and dramatic changes in extracellular K concentration, pH of intracellular and extracellular space and lactate production. The disruption of energy metabolism in the ischemic tissue rapidly lead to membrane depolarisation and neurotransmitters are released into the extracellular space. In the cerebellum, the impact of an ischemic stress has been extensively studied in Purkinje cells, the only neuronal output of the cerebellar cortex. It has been shown that glutamate released from overexcited fibers and from reversal of glutamate transporters, is the principal cause of the dramatic, anoxic depolarization in Purkinje cells. However a detailed understanding of the astrocytic response to cerebellar ischemia and the potential influence of astrocyte to ischemia outcome is still lacking.Bergmann glia (BG) are radial gial cells that form networks of electrically coupled cells underling complex anatomical and functional interactions with the neurons of the cerebellar cortex. Using an in vitro model of cerebral ischemia, the oxygen and glucose deprivation (OGD), several basic features of astrocytic reaction to ischemia are analyzed. Patch clamp and calcium imaging experiments performed in cerebellar slices from adult mice revealed that BG respond to OGD with a progressive membrane depolarisation that is paralleled with a sustained cytosolic calcium increase. Double patch-clamp recordings between Purkinje neurons and BG reveal different responses to OGD in these cell types. Furthermore, we measured extracellular potassium concentration changes during OGD by using ion-sensitive microelectrodes. Our results indicate an important correlation between the BG membrane depolarisation and the extracellular K dynamics during OGD.

The topic of the thesis is the mechanisms of cellular volume regulation in the rat retina. Müller cells as main macroglial cells of the retina are supposed to play important roles in the regulation of the retinal ion- and osmohomeostasis and, thus, in the regulation of the extracellular space volume. In the first part of the thesis, signaling pathways were determined which are involved in the regulation of the volume of Müller glial cells and bipolar cells, the main second-order cells of the retina, in the healthy rat retina. The topic of the second part of the thesis is the evaluation of gliotic alterations of Müller cells in a transgenic rat model of retinal degeneration (CMV-PKD21/703 HA rats), in order to obtain indications for a pathogenic role of reactive glial cells in the development of retinal degeneration and edema. Various methods were used including immunohistochemical stainings, real-time RT-PCR, patch-clamp recordings, and cell swelling experiments. The data suggest that both neurons and reactive Müller cells may contribute to formation of retinal edema. In contrast to Müller cells, bipolar cells are apparently not capable to regulate the extracellular space volume in the healthy retina. However, reactive Müller cells are impaired in their capability to regulate retinal water and ion homeostasis. Impaired regulation of the extracellular space volume may result in neuronal hyperexcitation and degeneration.

Polydendrocytes, or NG2 glia, are fourth type of glial cells in mammal central nervous system. In the adult brain, NG2 glia represent important cell type with respect to their role in gliogenesis and nervous tissue regeneration following injury. Ligands from the Wingless/Int (Wnt) family play key role in proliferation and differentiation of NG2 glia and they can also influence regeneration of nervous tissue after ischemia. The aim of this thesis was to elucidate the role of NG2 glia in neurogenesis and gliogenesis following ischemic brain injury and investigate the impact of Wnt signalling on the reaction of NG2 glia to this type of injury. To fulfil these aims, transgenic mouse strains with tamoxifen-inducible recombination, that enabled simultaneous expression of red fluorescent dye and either activation or inhibition of the Wnt signalling pathway in NG2 glia, were employed. To induce ischemic injury, middle cerebral artery occlusion model was used. Changes in differentiation and electrophysiological properties of NG2 glia were analysed using patch-clamp technique. Activation of the Wnt signalling pathway under physiological conditions and 7 days after ischemic injury led to increased differentiation of NG2 glia toward astrocytes, while 3 days after ischemic injury activation of this signalling...

Bibliographische Beschreibung Fabian Pelkner Titel der Dissertationsschrift: Die Expression der Chemokinrezeptoren CXCR7 und CXCR4 in Astrozyten während der Entwicklung und unter pathologischen Bedingungen Universität Leipzig, Publikationspromotion 53 Seiten, 94 Literaturangaben, 1 Publikation Referat Das Chemokin SDF-1/CXCL12 und seine Rezeptoren CXCR4 und CXCR7 sind entscheidend an der normalen Hirnentwicklung, der Aufrechterhaltung der Hirnhomoöstase und an diversen Pathologien des zentralen Nervensystems (ZNS) beteiligt. In dieser Arbeit sollte das Expressionsmuster der beiden Chemokinrezeptoren CXCR4 und CXCR7 in Astrozyten während der Hirnentwicklung und in unterschiedlichen ZNS Erkrankungen analysiert und verglichen werden. Des Weiteren sollte untersucht werden, welche unter pathologischen Bedingungen freigesetzten Mediatoren bzw. assoziierten Prozesse an der Regulation der Rezeptorexpression beteiligt sind. Die Rezeptorexpression wurde mittels Immunhistochemie charakterisiert und verglichen. Astrozyten wurden durch Detektion des sauren Gliafaserproteins (GFAP) identifiziert. Die Analyse erfolgte an ZNS-Gewebeschnitten von Sprague-Dawley-Ratten unterschiedlicher Entwicklungsstadien, sowie von Tieren mit induziertem Hirninfarkt, induzierter Rückenmarksquetschung und experimenteller Autoimmun-Encephalomyelitis. Als humane Pathologien standen ZNS-Gewebeproben von Verstorbenen mit Morbus Alzheimer und ischämischem Hirninfarkt zu Verfügung. Der Einfluss pathologieassoziierter Faktoren auf die Regulation des astrozytären Rezeptorstatus wurde an kultivierten primären Astrozyten mittels Western Blot Analyse untersucht. Am Embryonaltag 18 (E18) zeigten sich CXCR7+/GFAP+-Zellen in der ventrikulären/subventrikulären Zone, während CXCR4 in GFAP+-Zellen nicht nachweisbar war. Im frühen postnatalen (P2) und im adulten Gehirn waren sowohl CXCR7+- als auch CXCR4+-Astrozyten vor allem auf die Membrana glialis limitans superficialis beschränkt. Alle untersuchten Hirnpathologien waren durch eine deutliche Zunahme der astrozytären Expression von CXCR7, nicht aber von CXCR4 charakterisiert. Als expressionsregulierende Faktoren konnten das anti inflammatorische Zytokin Interferon-β (IFN-β), das pro inflammatorische Zytokin Interferon-γ (IFN-γ) und Hypoxie identifiziert werden. Dabei nahm die Expression von CXCR7 in kultivierten Astrozyten nach Behandlung mit IFN γ sowie unter hypoxischen Bedingungen zu, nach Behandlung mit IFN-β jedoch ab. Die astrozytäre CXCR4 Expression blieb unter allen untersuchten experimentellen Bedingungen unbeeinflusst. Die erhaltenen Befunde unterstützen die zuvor aufgrund von in-vitro-Befunden formulierte Hypothese, wonach das SDF-1-Signal in Astrozyten ausschließlich über CXCR7 vermittelt wird. Weiterhin legen die Befunde die Vermutung nahe, dass die astrozytäre CXCR7 Expression eine zentrale Rolle bei der Astrogliose spielen könnte und damit auch modulierend auf den Verlauf verschiedener Hirnerkrankungen wirkt.

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