Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / La barrière hématoencéphalique (BHE) est une barrière biologique qui protège le cerveau de molécules potentiellement toxiques pour le SNC. Plusieurs études laissent penser que des modifications de la BHE ont lieu au cours de la maladie d’Alzheimer (MA). Ainsi, la BHE demeure un grand défi dans le développement de médicaments pour les maladies cérébrales. Cependant, des systèmes de transport biologique au niveau de la BHE pourraient être ciblés par des anticorps afin d’améliorer la disponibilité cérébrale de différents médicaments. Notre objectif était d’évaluer la BHE dans la MA et de quantifier l’accumulation cérébrale d’un anticorps monoclonal ciblant le récepteur de la transferrine (RTf). Dans la première partie du projet, nous avons évalué la BHE chez deux modèles de souris de la MA, des souris doubles (APP/PS1) et triples (3xTg-AD) transgéniques. Une diminution du volume vasculaire a été observée dans l’hippocampe des souris 3xTg-AD âgées de 6 à 18 mois par rapport aux souris témoins. Ces souris ont démontré une diminution du transport cérébral du glucose et de l'expression de GLUT1 à l’âge de 18 mois. En revanche, aucune différence n’a été observée chez les souris APP/PS1. Dans la deuxième partie du projet, nous avons étudié l’effet de l’allèle ε4 de l’apolipoprotéine E, un facteur de risque génétique majeur de la MA, sur la BHE. Les souris APOE4 ont démontré une réduction de la vascularisation cérébrale et du transport cérébral du glucose de manière dépendante de l’âge. De plus, une réduction de l’épaisseur de la lame basale, une augmentation de l’expression de RAGE et une diminution du passage cérébral du DHA ont été observées chez les souris APOE4 par rapport aux souris APOE2 et APOE3. Finalement, nous avons développé la technique de la perfusion cérébrale in situ pour quantifier l’accumulation cérébrale d’un anticorps fluorescent (Ri7) ciblant le RTf. Ainsi, nous avons confirmé l’accumulation cérébrale de Ri7 au niveau des cellules endothéliales en utilisant un mécanisme saturable et sans affecter l’intégrité physique de la BHE. Cet anticorps pourrait donc être utilisé pour modifier l’expression capillaire de différents récepteurs/transporteurs, ce qui pourrait être efficace dans le traitement de la MA. / The blood-brain barrier (BBB) is a biological barrier which protects the brain from potential toxic molecules. Several studies suggest that changes in the BBB occur in Alzheimer's disease (AD). On the other hand, the BBB is a major challenge in the development of drugs for cerebral diseases. However, biological transport systems at the BBB, such as the transferrin receptor (TfR), could be targeted with monoclonal antibodies to develop the technology of Trojan horse and improve the brain availability of different drugs. The aim of my PhD project was to assess the BBB in AD and quantify the brain uptake of a monoclonal antibody targeting the TfR. In the first part of the project, we evaluated the BBB in two mouse models of AD, doubles (APP / PS1) and triple (3xTg-AD) transgenic mice. A reduction of the vascular volume was observed in the hippocampus of 3xTg-AD mice aged 6-18 months compared to control mice. These mice showed a decrease in glucose cerebral transport and expression of GLUT1 at the age of 18 months. However, no difference was observed in APP/PS1 mice. In the second part of the project, we studied the effect of the ε4 allele of apolipoprotein E, a major genetic risk factor of AD, on the BBB. The APOE4 mice showed a reduction of the cerebral vascularization and glucose cerebral transport in age dependent manner. Moreover, a reduction in the thickness of the basement membrane, an increase in the expression of RAGE and a decrease in cerebral passage of DHA were observed in APOE4 mice compared to APOE2 and APOE3 mice. Finally, we developed the in situ brain perfusion technique to quantify the brain uptake of a fluorescent antibody (RI7) targeting the TfR. In this section, we confirmed the cerebral accumulation of RI7 in the endothelial cells. This accumulation was made without affecting the physical integrity of the BBB and using a saturable mechanism. Hence, this antibody could be used to modify the expression of various receptors/transporters in the cerebral capillary, which may be effective in the treatment of neurodegenerative diseases such as AD.

La maladie d'Alzheimer (MA) est la forme de démence la plus commune. Cette maladie neurodegenerative reliée à l'âge est caractérisée par des pertes de mémoire ainsi qu'une diminution des facultés de planification et de pensée. À ce jour, aucun traitement efficace n'est disponible pour ralentir ou arrêter l'évolution de la maladie. Selon la théorie de la cascade amyloïde, cette maladie, d'apparition héréditaire ou spontanée, serait causée par une accumulation de protéines bêta-amyloïde (Aβ) dans le cerveau des patients. La présence d'oligomères Aβ solubles serait hautement associée à l'accumulation d'enchevêtrements neurofîbrillaires ainsi qu'à une réaction inflammatoire importante. Les microglies sont reconnues comme les cellules immunitaires du cerveau. Pendant la MA, ces cellules sont reconnues pour produire des cytokines pro-inflammatoires et des molécules nocives pour les neurones. Ces cellules seraient cependant très importantes pour l'élimination de l'Aβ par phagocytose et pourrait alors être bénéfiques en empêchant l'évolution de la MA. Une meilleure compréhension des molécules impliquées dans l'activation des cellules microgliales contre les protéines Ap pourrait permettre le développement de nouveaux traitements contre la MA. Nous avons donc démontré que les cellules microgliales exprimaient le Toll-like receptor 2 (TLR2) en réponse à l'Aβ. De plus, plusieurs évidences démontrent aussi que ces récepteurs seraient très importants pour l'élimination de l'Aβ. Nous avons ici utilisé un modèle murin de MA pour démontrer l'importance du récepteur TLR2 ainsi que de la voie de signalisation intracellulaire dépendante de la protéine adaptatrice MyD88 dans l'évolution de la MA. L'importance de l'expression de ces protéines dans les cellules microgliales infiltrant le cerveau chez l'adulte a aussi été démontrée par la production de souris chimériques et par les techniques de thérapie génique, c'est-à-dire par la transduction de cellules de la moelle osseuse par un vecteur lentiviral. Ces résultats ont été obtenus dans le but de connaître davantage l'activation microgliale et l'élimination de l'Aβ du cerveau. Dans un avenir rapproché, ces connaissances nous permettront de moduler le système immunitaire des patients atteints de cette maladie dans le but d'arrêter ou du moins de ralentir sa progression.

Les interactions réciproques entre les systèmes immunitaires innés central et périphérique s’avèrent essentielles au maintien de l’homéostasie du CNS en conditions basales. En contexte neuropathologique, les actions concertées de ces deux systèmes connexes sont déterminantes pour instaurer les changements adaptatifs nécessaires au maintien de l’activité neuronale et un retour éventuel à l’équilibre homéostatique. Au cours de la dernière décennie, il fut établi que des anomalies dans les fonctions des cellules myéloïdes sont inhérentes à l’apparition et à la progression de pathologies neurodégénératives et psychiatriques. Plusieurs allèles de susceptibilité associées aux monocytes furent identifiées comme importants facteurs de risques, mais les fonctions exactes exercées par ces cellules en contextes neuropathologiques demeurent relativement obscures. Les deux études présentées dans cette thèse leur attribuent un rôle crucial dans la neuroprotection en contexte d’excitotoxicité ainsi que dans l’élimination de l’Ab cérébrovasculaire et parenchymale chez un modèle murin transgénique de la maladie d’Alzheimer. Dans un premier temps, nous rapportons chez la souris C57BL/6J que des macrophages dérivés des monocytes circulants envahissent transitoirement le parenchyme cérébral à la suite d’une insulte excitotoxique locale induite par le kaïnate. L’administration de cette excitotoxine réduit considérablement les niveaux des monocytes patrouilleurs dans le sang, et la délétion sélective de ces cellules amenuise significativement la survie neuronale. En fait, l’ampleur des lésions neuronales corrèle inversement avec l’abondance des monocytes patrouilleurs en circulation. Dans la seconde étude, nous avons observé que les monocytes patrouilleurs sont sélectivement mobilisés dans la cavité luminale des veines corticales truffées d’Ab, chez la souris APP/PS1. Ces monocytes ingèrent les dépôts vasculaires d’Ab depuis le côté luminal et rampent momentanément sur les parois avant de rejoindre la circulation sanguine avec leur cargo amyloïde. L’abrogation de ce phénomène, via la délétion spécifique des monocytes patrouilleurs, provoque une augmentation significative de la densité cérébrale des plaques amyloïdes. Par conséquent, ces études positionnent les monocytes patrouilleurs comme régulateurs clés de la survie neuronale et des niveaux d’Ab dans l’encéphale. L’élucidation de ces fonctions inédites introduit de nouvelles pistes de recherche et de thérapie pour la maladie d’Alzheimer et autres pathologies du CNS comportant des processus excitotoxiques. / The functional interplay between the central and peripheral immune systems is instrumental for preserving the CNS homeostasis. In neuropathological contexts, the reciprocal actions of peripheral and central immune cells orchestrate adaptive changes allowing the CNS to cope with the encountered stress, and eventually restore the homeostatic state. During the last decade, myeloid cells have emerged as key therapeutic targets for many autoimmune, neurodegenerative and even psychiatric diseases. Many disease susceptibility variants associated to myeloid cells were identified, but the precise functions assumed by monocytes have remained mostly elusive. The two studies described herein report on the pivotal role of patrolling monocytes in supporting neuronal surival during excitotoxicity, as well as eliminating Ab peptides from the CNS in a transgenic murine model of Alzheimer’s disease. In the first study, we show in mice that monocytes temporarily engraft the brain following a local excitotoxic insult induced by the glutamate analog kainate. Circulating levels of patrolling monocytes are also profoundly altered following the administration of the excitotoxin, and the targeted deletion of patrolling monocytes significantly compromised neuronal survival. Moreover, the extent of neuronal death negatively correlated with levels of patrolling monocytes in the blood. In the second study, we demonstrate that patrolling monocytes are selectively attracted to Ab-laden veins in the cerebral cortex of adult APP/PS1 mice. These monocytes do not crawl on the luminal side of Ab-positive arteries or Ab-free blood vessels. Interestingly, patrolling monocytes carry intracellular loads of Ab in veins, and eventually circulate back to the bloodstream. The selective removal of patrolling monocytes significantly increased Ab load in the brain. Therefore, our results indicate that patrolling monocytes are strategically positionned to promote neuronal survival following kainate administration and abate cerebral levels of Ab in APP/PS1 mice. These findings open new research and therapeutic avenues for Alzheimer’s disease as well as neuropathological disorders implicating excitotoxicity.

Le vieillissement est un facteur clé dans la pathogenèse de la maladie d'Alzheimer (MA), forme la plus courante de démence chez la personne âgée. L'incidence de la MA est faible avant 65 ans ; celle-ci double ensuite tous les 5 à 6 ans pour dépasser 8 cas pour 100 années-personnes après 85 ans. Au cours des dernières décennies, plusieurs modèles transgéniques de la MA ont été conçus et caractérisés. Il a été observé que chez les souris qui surexprimaient les formes mutées de la protéine précurseur amyloïde-β (Aβ) humaine (hAPP) développaient des dépôts du peptide Aβ dans leur cerveau et des déficits de mémoire. Néanmoins, puisque le diagnostic de la MA repose sur la visualisation histologique de plaques Aβ et d’enchevêtrements neurofibrillaires de la protéine tau, le groupe du Dr LaFerla (Université de Californie, Irvine, É-U) a développé un modèle triple transgénique (3xTg-AD) exprimant trois transgènes : la protéine précurseur Aβ (APPSwe), préséniline-1 (PS1M146V) et tau (MAPTP301L). Cette lignée développe progressivement les pathologies Aβ et tau dans les régions cérébrales impliquées dans la MA, ainsi que des déficits de plasticité synaptique et de cognition. Toutefois, la souris 3xTg-AD ne développe pas de perte neuronale comme chez l’humain. Il est possible que les facteurs de vieillissement associés à la MA ne puissent pas s’exprimer pleinement en raison de leur courte espérance de vie. L’objectif de l’étude était de croiser la souris 3xTg-AD avec un modèle de sénescence accélérée, la souris SAMP8 (senescence-accelerated prone 8), afin de créer un modèle plus représentatif de la maladie humaine. Nos résultats montrent que les facteurs de sénescence liés au modèle SAMP8 ont accentué les déficits de mémoire et certains marqueurs neuropathologiques – en particulier la pathologie amyloïde – chez les souris 3xTg-AD femelles. Les données présentées mettent en évidence des interactions complexes entre les facteurs liés au génotype, au vieillissement et au sexe chez ce modèle. / Aging is central to the pathogenesis of Alzheimer’s disease, the most common form of dementia during the elderly. The incidence of sporadic AD is low before 65 years old; it then doubles every 5 to 6 years to surpass 8 cases per 100 personyears after 85. To model AD, numerous transgenic mice have been produced and characterized in the last decades. It was found that mice overexpressing mutated forms of the human amyloid-β (Aβ) precursor protein (hAPP) develop Aβ deposits in their brain, along with quantifiable memory deficits. Since the diagnosis of AD is dependent upon the histological visualization of both Aβ plaques and tau-laden neurofibrillary tangles, Dr LaFerla’s group (University of California, Irvine, USA) has developed the triple-transgenic model (3xTg-AD) expressing three mutant transgenes: Aβ precursor protein (APPSwe), presenilin-1 (PS1M146V), and tauP301L. This mouse line progressively develops both Aβ and tau pathologies in AD-relevant brain regions as well as deficits in synaptic plasticity and cognitive performance. However, the 3xTg-AD mouse does not develop frank neuronal loss as found in AD brain. A likely simple explanation is that, within the lifespan of a mouse, AD-relevant aging factors do not have the time to be fully expressed. To that aim, we crossed senescence-accelerated prone 8 mice (SAMP8) with 3xTgAD mice to produce senescence-accelerated 3xTg-AD mice with the hope to generate a model closer to the human disease. Our results indicate that senescence acceleration amplifies memory deficits and several AD-related neuropathological features -particularly the amyloid pathology- in female 3xTg-AD mice. Overall, the present data suggest that the SAMP8/3xTg-AD mouse is a valuable model combining aging factors and AD neuropathology, but also evidence complex interactions between genetic backgrounds, aging- and sex-related factors.

Les principales caractéristiques de la maladie d'Alzheimer (MA) sont le dépôt de plaques amyloïdes (Aβ) extracellulaires et les enchevêtrements neurofibrillaires intracellulaires composés de protéines tau. À mesure que la maladie progresse, la mort neuronale et une diminution de la densité synaptique sont observées, parallèlement à une augmentation de la neuroinflammation et du dysfonctionnement immunitaire. Le processus de neuroinflammation est étroitement lié à la présence de plaques Aβ et peut affecter les interactions microgliales avec les structures neuronales tout au long de la progression de la maladie. L'activation substantielle et chronique des microglies déclenchée par la présence d'Aβ est supposée affecter l'homéostasie cérébrale en raison d'une altération des actions physiologiques microgliales, notamment au niveau des synapses. Ici, nous visons à générer de nouvelles connaissances sur l'implication microgliale dans la physiopathologie de la MA en combinant la microscopie optique et électronique pour étudier l'ultrastructure microgliale et les interactions neuronales / synaptiques en relation avec le dépôt de plaques Aβ. Des souris APP-PS1 âgées de 14 mois ont été étudiées en même temps que des témoins appariés selon l'âge. En outre, des sections de la MA humaine post-mortem ont également été examinées dans notre étude. Dans nos expériences, les plaques Aβ ont été visualisées en utilisant du méthoxy-XO4 qui se lie sélectivement et irréversiblement aux feuilles d'Aβ et permet leur détection en microscopie optique. De plus, l'immunocoloration post-mortem de la microglie avec le marqueur de la molécule adaptatrice de fixation du calcium ionisée (IBA1) et un traitement supplémentaire pour la microscopie électronique à transmission ont permis d'étudier la microglie à différentes proximités des plaques. Nos analyses ultrastructurelles ont révélé des différences significatives dans les activités phagocytaires et les caractéristiques morphologiques. Les corps cellulaires microgliaux de l'APP-PS1 avaient une surface et un périmètre significativement supérieurs à ceux des témoins de type sauvage et présentaient des signes de stress et une activité phagocytaire diminuée. Ces signes de stress et de phagocytose altérée ont également été observés dans les prolongements microgliaux des échantillons APP-PS1. De plus, les microglies présentaient divers phénotypes morphologiques et réactions cellulaires physiologiques selon leur proximité des plaques. Les corps des cellules microgliales proches des plaques étaient plus larges en surface et en périmètre que les témoins de type sauvage et les autres régions APPPS1 situées plus loin des plaques. Les microglies proches des plaques étaient plus susceptibles de contenir des dépôts Aβ et moins susceptibles de contenir ou d’encercler des éléments neuronaux. En outre, elles présentaient des signes de stress caractérisés par des corps cellulaires assombris et un réticulum endoplasmique dilaté. Tous ces résultats définissent les changements radicaux qui se produisent au niveau ultrastructural dans le cerveau en réponse à la déposition Aβ / The main hallmarks of Alzheimer’s disease (AD) are the deposition of extracellular amyloid (A)β plaques and intracellular neurofibrillary tangles composed of tau protein. As the disease progresses, neuronal death and decreased synaptic density is observed, concurrent with an increase of neuroinflammation and immune dysfunction. The process of neuroinflammation is tightly linked to the presence of Aβ plaques and may affect microglial interactions with neuronal structures throughout disease progression. Substantial and chronic microglial activation triggered by the presence of Aβ is suspected to affect brain homeostasis due to an alteration of microglial physiological actions, notably at synapses. Here we aim to generate new insights regarding microglial implication in AD pathophysiology by combining light and electron microscopy to study microglial ultrastructure and neuronal/synaptic interactions with relation to Aβ plaque deposition. 14 months old APP-PS1 mice were studied alongside age-matched controls. Also, postmortem human AD sections were examined in our study. In our experiments, Aβ plaques were visualized using Methoxy-XO4 which binds selectively and irreversibly to Aβ sheets and allows their detection under light microscopy. Furthermore, post-mortem immunostaining of microglia with the ionized calcium-binding adapter molecule 1 (IBA1) marker and additional processing for transmission electron microscopy allowed the study of microglia at different proximities to the plaques. Our ultrastructural analyses revealed significant differences in phagocytic activities and morphological features. Microglial cell bodies in APP-PS1 were significantly larger in area and perimeter compared to wild-type controls and displayed signs of stress and decreased phagocytic activity. These signs of stress and impaired phagocytosis were also found in microglial processes in the APP-PS1 samples. Additionally, microglia showed diverse morphological phenotypes and physiological cell reactions dependent on their proximity to plaques. Microglial cell bodies near plaques were larger in area and perimeter compared to wild-type controls and other APP-PS1 regions located farther from plaques. Microglia near plaques were more were more likely to contain Aβ and less likely to contain or encircle neuronal elements. Also, they presented signs of stress characterized by darkened cell bodies and dilated endoplasmic reticulum. All these findings define the drastic changes that are taking place at ultrastructural level in the brain in response to Aβ deposition.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015 / La maladie d’Alzheimer (MA) est la plus fréquente cause de démence mondialement et son incidence augmente en parallèle au vieillissement de la population. La pathogenèse de cette maladie neurodégénérative, actuellement sans traitement curatif, est associée à l’accumulation de bêta-amyloïde (Aβ) dans le parenchyme et la vasculature du cerveau en réponse à l’élimination déficiente de ce peptide neurotoxique. Des évidences épidémiologiques et expérimentales soulignent le rôle crucial du système immunitaire inné dans la MA. Plus précisément, plusieurs études suggèrent que les phagocytes mononucléaires (microglies, monocytes et macrophages cérébraux) constituent des cellules pivots pour combattre l’accumulation d’Aβ. Les études incluses dans cette thèse de doctorat avaient comme objectif d’accroitre les connaissances concernant le rôle des phagocytes mononucléaires dans la pathologie du modèle murin APP/PS1 de la MA. Un nombre croissant d’études indique que les Toll-like receptors (TLRs) seraient critiques pour la clairance d’Aβ par les phagocytes mononucléaires. Nous avons donc étudié le rôle de la protéine adaptatrice myeloid differentiation factor 88 (MyD88), qui permet la transduction du signal intracellulaire de la plupart des TLRs. Nous avons observé une augmentation des niveaux d’Aβ solubles et une aggravation des déficits cognitifs dans les souris APP/PS1 avec une signalisation MyD88 défectueuse, vraisemblablement suite à une réduction de la phagocytose des phagocytes mononucléaires et une coordination défaillante de la réponse immunitaire innée. La stimulation des TLRs pourrait ainsi avoir un grand potentiel thérapeutique pour la MA. Nous avons démontré que des injections systémiques répétées du ligand TLR4 monophosphoryl lipid A (MPL) dans les souris APP/PS1 ont mené à une réduction significative des niveaux d’Aβ et une amélioration des fonctions cognitives. Le MPL induit une forte réponse phagocytique des phagocytes mononucléaires tout en générant une réaction inflammatoire modérée. Finalement, en utilisant la microscopie intravitale biphotonique, nous avons dévoilé que les monocytes patrouilleurs en état basal sont attirés et rampent sur la face luminale de veines contenant de l’Aβ, capturent l’Aβ et ont la capacité de regagner à nouveau la circulation sanguine. L’ablation sélective des monocytes patrouilleurs dans les souris APP/PS1 a induit une augmentation significative des niveaux d’Aβ dans le cortex et l’hippocampe. Ensemble, ces données démontrent que les phagocytes mononucléaires sains et fonctionnels peuvent promouvoir l’élimination d’Aβ et constituent une cible thérapeutique prometteuse pour la MA. / Alzheimer’s disease (AD) is the most common cause of dementia worldwide and its incidence is rising in parallel with the aging population. The pathogenesis of this neurodegenerative disease, currently without curative treatment, is associated with the accumulation of amyloid-β (Aβ) in the brain parenchyma and cerebral vasculature in response to the impaired clearance of this neurotoxic peptide. Epidemiological and experimental evidence underline the crucial role of the innate immune system in AD. More precisely, several studies suggest that mononuclear phagocytes (microglia, monocytes and cerebral macrophages) constitute pivotal cells to fight the accumulation of Aβ. The studies enclosed in this doctoral thesis intended to better understand the role of mononuclear phagocytes on the pathology of the APP/PS1 mouse model of AD. Accumulating evidence indicates a critical role of Toll-like receptors (TLRs) in the clearance of Aβ by mononuclear phagocytes. We thus investigated the role of the myeloid differentiation factor 88 (MyD88), which is the adaptor protein for most of these innate immune receptors, transducing the intracellular signal from TLRs to the nucleus. We observed increased soluble levels of A oligomers and enhanced cognitive deficits in APP/PS1 mice with impaired MyD88 signalling, likely through reduced phagocytosis of mononuclear phagocytes and an impaired coordination of the innate immune response. Compounds that stimulate TLRs to clear Aβ may therefore have great therapeutic potential in AD patients. We demonstrated that repeated systemic injections of the TLR4 ligand monophosphoryl lipid A (MPL) in APP/PS1 mice led to a significant reduction in Aβ load and improved cognitive function. MPL induced a potent phagocytic response by mononuclear phagocytes while triggering a moderate inflammatory reaction. Finally, using live intravital two-photon microscopy, we discovered that patrolling monocytes in steady state are attracted and crawl onto the luminal walls of Aβ-positive veins, uptake Aβ and are able to circulate back into the bloodstream. Selective removal of patrolling monocytes in APP/PS1 mice induced a significant increase of Aβ load in the cortex and hippocampus. Overall, these studies demonstrate that healthy and functional mononuclear phagocytes can promote the elimination of Aβ and constitute a promising therapeutic target for AD.

La maladie d’Alzheimer est la forme de démence qui affecte le plus de gens mondialement. Les mécanismes associés à cette maladie neurodégénérative ne sont pas complètement connus et considérant le phénomène de vieillissement de la population, il devient impératif de développer de nouveaux outils de diagnostic et de nouvelles thérapies pour cette pathologie. Il y a de plus en plus de preuves qui associent les déficits cognitifs de l’Alzheimer à un dysfonctionnement de l’équilibre entre l’excitation et l’inhibition de l’hippocampe, mais aussi à un niveau soutenu de neuroinflammation par l’activation exagérée de la microglie. Malgré les nombreuses études sur l’interaction fonctionnelle entre les neurones principaux et la microglie, aucune étude ne s’est concentrée sur l’interaction de la microglie avec les interneurones GABAergiques de l’hippocampe. En utilisant l’immunofluorescence et la microscopie confocale, nous avons étudié l’interaction structurelle de la microglie avec deux sous-types d’interneurones inhibiteurs impliqués dans les processus de la mémoire : les cellules exprimant la somatostatine (SOM+) et celles exprimant la parvalbumine (PV+). Nos résultats ont montré que la quasi-totalité de ces interneurones interagissaient avec la microglie en conditions contrôles et que ce niveau d’interaction était maintenu chez des souris présentant les symptômes de la maladie d’Alzheimer (APP/PS1). Nous avons aussi montré que la microglie interagissait avec tous les domaines structurels des interneurones. Le soma des interneurones était contacté différemment chez les cellules SOM+ et celles PV+ suggérant un contrôle différent selon le type de neurones contacté. La microglie interagissait préférentiellement avec le domaine proximal des dendrites suggérant un rôle de ces contacts dans l’intégration synaptique. Nos résultats n’ont montré aucun changement structurel majeur chez les souris imitant la maladie d’Alzheimer indiquant que les dysfonctionnements observés pendant la maladie seraient causés par des modifications fonctionnelles de ces contacts ou que ces contacts ne sont pas impliqués dans la pathologie. / Alzheimer’s disease (AD) is the most common form of dementia. The mechanisms associated to this neurodegenerative disease are not completely understood and with the aging population it is now imperative to develop new diagnosis tools and therapies for this pathology. There is growing evidence associating AD cognitive deficits to a dysregulation of the excitation/inhibition balance in the hippocampus, but also to a sustained level of neuroinflammation caused by exaggerated microglia activation. While numerous studies have assessed the functional interaction between principal neurons and microglia, much less is known about the specific interaction between microglia and hippocampal GABAergic interneurons. Using immunofluorescence and confocal microscopy, we studied the structural interaction between microglia and two subtypes of inhibitory interneurons involved in memory processes: somatostatin- (SOM+) and parvalbumin-expressing interneurons (PV+). Our results showed that almost all of these interneurons were interacting with microglia in control conditions and that this high level of interaction was maintained in mice presenting AD symptoms (APP/PS1 mice). We also reported that microglia interacted with every neuronal structural domain. Interneurons somata were contacted differently in each subtype suggesting a different control depending on the type of interneuron contacted. Microglia was preferentially interacting with proximal dendrites suggesting a role of these contacts in synaptic integration. Our results showed no major structural changes in AD mice indicating that the observed functional impairments during AD may be caused by functional modifications in these contacts or that these interactions are not involved in the pathogenesis of AD.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 juin 2023) / L'acide γ-aminobutyrique (GABA) est le principal neurotransmetteur inhibiteur du système nerveux central. La réponse à l'activation du récepteur GABA$_{\textup{A}}$ par le GABA est régulée en partie par la concentration intracellulaire d'ions chlorures (Cl⁻). Une basse concentration de Cl⁻ va permettre une hyperpolarisation de la membrane du neurone (influx d'ions chlorures) suivant l'ouverture des récepteurs GABA$_{\textup{A}}$ qui va inhiber le déclenchement des potentiels d'action. Chez l'adulte cette concentration d'est maintenue basse principalement par le KCC2, un cotransporteur de Cl⁻. Une diminution de l'expression du KCC2 à la membrane de neurones a précédemment été démontrée dans plusieurs régions du cerveau de modèles murins de la maladie l'Alzheimer (MA) et de la sclérose latérale amyotrophique (SLA). L'objectif principal de ce projet est de déterminer s'il y une diminution de la force d'extrusion des ions chlorure par le KCC2 chez les neurones dans le contexte de la maladie d'Alzheimer et la sclérose latérale amyotrophique. La concentration de Cl⁻ intracellulaire a été monitorée en utilisant la microscopie à temps de vie de fluorescence (FLIM) combinée avec un senseur basé sur le transfert d'énergie par résonance de fluorescence (FRET), le SuperClomelon. En utilisant un choc potassique extracellulaire, qui induit une entrée soudaine de Cl⁻ dans la cellule, la force d'extrusion du KCC2 fut estimée. La vitesse de l'entrée de Cl⁻ chez les neurones des souris 5xFAD, un modèle de la MA, fut diminuée significativement dans le cortex préfrontal médian et dans l'hippocampe. Une diminution similaire a été observée dans le cortex moteur chez les souris SOD1-G93A et Prp-TDP43$^{\textup{A315T}}$, deux modèles de la SLA. Cette perte de transport de Cl⁻ a pu être retrouvée en utilisant un activateur du KCC2, le PCPZ. Ces résultats indiquent que le KCC2 joue un rôle important dans la perte d'inhibition liée à certaines maladies neurodégénératives et qu'il serait une cible thérapeutique prometteuse. / The γ-aminobutyric acid (GABA) is the major inhibitory neurotransmitter in the central nervous system. The GABA$_{\textup{A}}$ receptor response to its activation by GABA is in part regulated by the intracellular chloride concentration. A low chloride concentration will allow a hyperpolarization of the neuron membrane (chloride influx) following the opening of GABA$_{\textup{A}}$ receptors which will inhibit the triggering of action potentials. In adults, this chloride concentration is maintained low mainly by KCC2, a chloride cotransporter. A decrease in KCC2 expression at the membrane of neurons has been previously observed in several brain regions of mouse models of Alzheimer's disease (AD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). The main objective of this project is to assess if chloride extrusion through KCC2 is altered in neurons in the context of Alzheimer's disease and ALS. Intracellular chloride concentration was monitored using fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) combined with a fluorescence resonance energy transfer (FRET) based sensor, SuperClomeleon. Using an extracellular potassium shock, which is known to induce a sudden entry of chloride into the cell, the extrusion force of KCC2 was estimated. The rate of chloride entry in neurons of 5xFAD mice, a model of AD, was significantly decreased in the medial prefrontal cortex and hippocampus. A similar decrease was observed in the motor cortex of SOD1-G93A and Prp-TDP43A$^{\textup{A315T}}$ mice, both models of ALS. Interestingly, this loss of chloride transport could be recovered using an activator of KCC2, PCPZ. These results indicate that KCC2 plays an important role in the loss of inhibition associated with certain neurodegenerative diseases and that it could be a promising therapeutic target.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 février 2024) / La maladie d'Alzheimer (AD) est la forme de démence la plus commune. Au Canada, plus de 600 000 personnes souffrent actuellement de démence et 60 à 80% d'entre elles sont atteintes de l'AD. L'AD est caractérisée par une grande variété de symptômes incluant la perte progressive de la mémoire, les troubles du langage et les déficits en navigation spatiale. Les méthodes diagnostics présentement utilisées reposent sur l'identification de ces symptômes en milieu clinique, notamment par l'utilisation de tests standardisés pour évaluer les capacités cognitives des patients. Toutefois, il est maintenant évident que la neuropathogenèse de l'AD est déjà bien avancée lorsque les symptômes deviennent apparents. Le développement de traitements efficaces requiert un diagnostic plus précoce et la compréhension des mécanismes en jeu aux premiers stades de la maladie. L'un des premiers processus pathophysiologiques observé dans les études réalisées chez les humains atteints de l'AD ou les modèles animaux est l'hyperactivité neuronale dans l'hippocampe (HC). Une grande variété d'interneurones GABAergiques (INs) sont impliqués dans la coordination de l'activité neuronale dans les circuits hippocampiques. Les cellules *interneuron-specific* de type 3 (I-S3) coexpriment le peptide vasoactif intestinal (VIP) et la calrétinine et jouent un rôle important dans la formation de la mémoire en contrôlant l'entrée des signaux nerveux dans la région CA1 de l'HC par l'entremise de la désinhibition des cellules excitatrices principales. Il n'est toujours pas connu si, durant la progression de l'AD, l'activité des cellules I-S3 est altérée et si de tels changements peuvent induire les dynamiques pathologiques de la maladie. Dans cette étude, nous adressons cette question en examinant les propriétés des cellules I-S3 et celles des INs qu'elles ciblent - INs de l'oriens/alveus - dans les jeunes souris 3xTg-AD. Le modèle 3xTg-AD est utilisé pour étudier l'AD, alors qu'aux stades avancés, ces souris développent des déficits cognitifs et des neuropathologies similaires à ceux observés chez les patients humains. L'identification de changements dans les propriétés ou l'activité des cellules I-S3 et des INs qu'elles inhibent dans ce modèle pourrait permettre de mieux comprendre les mécanismes en jeu aux stades précoces de l'AD et de guider la recherche pour des nouvelles stratégies thérapeutiques. Nos données indiquent que, malgré une préservation de leur densité et de leur morphologie, les propriétés de décharge des cellules I-S3 montrent des changements significatifs chez les souris 3xTg-AD, associés avec une diminution de l'inhibition dirigée vers les INs de l'O/A. De plus, en utilisant la technique d'imagerie calcique par photométrie à fibre sans-fil, nous observons une augmentation de l'activité des INs de l'O/A durant l'exploration d'objets chez les souris 3xTg-AD. Ces résultats indiquent que l'altération du patron de décharge des cellules I-S3 dans les jeunes souris 3xTg-AD pourrait être responsable de perturbations de l'activité des INs dans la région CA1 de l'HC spécifique à certains comportements. Ultimement, ces changements pourraient affecter les dynamiques des circuits hippocampiques et mener aux premiers symptômes mnémoniques. / Alzheimer's disease (AD) is the most common form of dementia. In Canada, more than 600,000 people currently suffer from dementia, with 60 to 80% of them having AD. AD is characterized by a wide range of symptoms, including progressive memory loss, language impairments, and deficits in spatial navigation. The diagnostic methods currently used rely on identifying these symptoms in a clinical setting, most notably through the use of standardized tests to assess the cognitive abilities of patients. However, it is now evident that the neuropathogenesis of AD is already well advanced when the symptoms begin. The development of effective treatments requires earlier diagnosis and a better understanding of the mechanisms involved during the early stages of the disease. Hippocampal hyperactivity is one of the earliest pathophysiological processes observed in both human patients of AD and animal studies. Various types of GABAergic interneurons (INs) are involved in the coordination of network activity in the hippocampus. The type 3 interneuron-specific (I-S3) cells co-express vasoactive intestinal peptide (VIP) and calretinin, and play an important role in memory formation, as by providing disinhibition to principal excitatory cells, they can gate the inputs arriving to the hippocampal CA1 region. Whether the activity of these cells is altered in AD thereby shaping the pathological network motifs, remains unknown. Here, we address this question by examining the properties of I-S3 cells and their targets - oriens/alveus INs - in young 3xTg-AD mice. The 3xTg-AD model is used to study AD, as at advanced stage, mice display cognitive deficits and neuropathological hallmarks similar to those seen in human patients. The identification of changes in the properties or activity of I-S3 cells and the INs they inhibit could provide a better understanding of the mechanisms at play in the early stages of AD and guide research toward new therapeutic strategies. Our data indicate that whereas the density and morphological characteristics of I-S3 cells in 3xTg-AD mice remain unaltered, the I-S3 firing output can show significant changes. The latter was associated with a decreased inhibitory drive to O/A INs. Furthermore, using wireless fiber photometry calcium imaging in freely behaving mice, we observed an increased CA1 O/A INs activity in 3xTg-AD mice during object exploration. Together, these data indicate that the altered I-S3 cells' firing output in young 3xTg-AD mice may be responsible for a state-dependent altered activity of hippocampal CA1 network and cause further mnemonic dysfunctions.