Les microglies sont les principales cellules neuro-immunitaires du cerveau, jouant un rôle important à la fois dans l'homéostasie cérébrale et les états pathologiques. Outre la sécrétion de molécules pro-inflammatoires et anti-inflammatoires, elles participent également au remodelage des circuits neuronaux par des mécanismes qui incluent l'élagage (« pruning ») synaptique, l'effeuillage (« stripping ») synaptique et la maturation synaptique. Ainsi, la microglie est connue pour ses divers rôles dans différentes conditions physiologiques et pathologiques, selon le microenvironnement dans lequel elle se trouve et du contexte qui module ses activités. La grande diversité des fonctions microgliales résulterait de la nature hétérogène de la population microgliale, ce qui signifie que toutes les cellules microgliales ne sont pas identiques et peuvent présenter des différences dans leurs modes d'action. Cette hétérogénéité microgliale a fait l'objet de quelques études dans différentes conditions physiologiques et pathologiques. En 2016, j'ai observé et publié des travaux décrivant la présence d'un nouveau phénotype microglial dans le cerveau, les microglies « sombres », lors de l'étude des interactions entre les microglies et les synapses en contextes de stress chronique, vieillissement et maladie. En microscopie électronique à transmission, nous avons décrit la présence de cellules semblables aux microglies, mais possédant un cytoplasme et un nucléoplasme denses, une perte du motif d'hétérochromatine nucléaire, ainsi que des marqueurs de stress oxydatif. Nous avons décrit la prévalence accrue de ce type de cellules dans des modèles murins de stress chronique, de la pathologie de la maladie d'Alzheimer, de vieillissement et d'altération de la communication neurone-microglie. En utilisant la microscopie électronique avec immunomarquage pour étudier la colocalisation de la microglie sombre avec différents marqueurs cellulaires, nous avons également démontré l'origine microgliale de la microglie sombre et identifié grâce aux données d'ultrastructure un rôle potentiel dans le remodelage synaptique. Nous avons également caractérisé la présence des microglies sombres pendant les stades postnatal du neurodéveloppement normal et proposé un rôle potentiel dans le remodelage synaptique au cours de mécanismes développementaux, en particulier l'affinement et la maturation des circuits neuronaux. Ma thèse décrit donc la microglie sombre comme un nouveau phénotype de la microglie présentement observé en utilisant des outils de microscopie électronique. Selon les évidences ultrastructurelles que nous avons obtenues, les microglies sombres pourraient être un sous type de microglies principalement impliqué dans le remodelage synaptique, en vue d'adapter le cerveau en condition pathologique ou en réponse à des changements de l'environnement externe. Elles pourraient également être un type cellulaire important, impliqué avec les microglies normales dans la sculpture et l'affinement des circuits neuronaux au cours du développement cérébral postnatal, par l'élimination des contacts synaptiques superflus. Nous soulignons donc l'importance d'étudier la microglie sombre la nécessité d'identifier des marqueurs spécifiques à la microglie sombre pour faciliter l'isolement et la caractérisation moléculaire de ces cellules afin de concevoir éventuellement des traitements utilisant l'activité de ces cellules pour traiter divers troubles neurologiques. / Microglia are the principle neuroimmune cells of the brain, having important roles both in brain homeostasis as well as pathological states. Apart from the secretion of pro-inflammatory or anti-inflammatory molecules, they also participate directly at the synaptic level in the remodeling of neuronal circuitries by remodeling mechanisms that include synaptic pruning, synaptic stripping, and synaptic maturation. Thus microglia are known to display diverse roles in different physiological and pathological conditions, largely depending upon the microenvironment they are present in and the context that triggers their activities. One reason for microglia displaying such diverse roles was hypothesized to be the heterogeneous nature of the microglial population, meaning that all microglial cells are not alike and may display differences in their modes of action. For a long time researchers have thus focused on studying this microglial heterogeneity in a number of physiological and pathological states. In 2016, I reported the presence of a novel microglial phenotype in the brain, named the "dark" microglia, while studying microglia-synapse interactions in the contexts of chronic stress, aging, and disease. Using transmission electron microscopy, we described the presence of a microglia-look alike cell, but with a dense cytoplasm and nucleoplasm, as well as loss of nuclear heterochromatin pattern and signs of oxidative stress. We described the increased prevalence of this cell type in mouse models of chronic stress, Alzheimer's disease pathology, aging, and neuron-microglia communication alteration. Using immunoelectron microscopy to study the colocalization of dark microglia with different cell type markers, we further demonstrated the microglial origin of the dark microglia, as well as proposed putative synaptic remodeling roles based on our observations of extensive dark microglia-synapse interactions captured at the ultrastructural level. We have also characterized the presence of dark microglia in postnatal stages of early brain development. Our findings suggested synaptic remodeling roles during normal development, especially in the refinement and maturation of the neuronal circuitry, as well as phagocytosis of apoptotic cells. My thesis thus describes dark microglia as a new microglial phenotype currently seen using electron microscopy (EM) tools. Based on the ultrastructural evidence we have, the dark microglia could represent an important microglial subtype that is primarily involved in synaptic remodeling in an attempt to bring about adaptation of the brain in response to disease or changes in external environment. They could also be an important cell type along with typical microglia that mediates the sculpting and refinement of the neuronal circuitry during early postnatal brain development, when there is an excess of synaptic contacts being formed that need to be pruned out. We therefore highlight the importance of studying the dark microglia, and the need of identifying dark microglia-specific markers to aid with the isolation and further molecular characterization of these cells, to eventually develop therapeutics that utilize the activity of these cells to treat various neurological disorders.

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La formation de plaques amyloïdes par l'accumulation des protéines Aβ issues du clivage amyloïdogénique de la protéine précurseur d'amyloïde (APP) et les enchevêtrements neurofibrillaires issus de l'accumulation de la protéine Tau hyperphosphorylée sont les caractéristiques neuropathologiques majeures de la maladie d'Alzheimer (MA) qui est la principale cause de démence chez les personnes âgées. La régulation d'APP et Tau dans les cellules est assurée par plusieurs modifications post-traductionnelles, dont la phosphorylation. Des observations montrent que la phosphorylation anormale d'APP et Tau amène à la MA. Différentes études ont montré que la kinase polo-like 2 (PLK2), une kinase à Sérine/Thréonine, est surexprimée dans le cerveau de patients atteints de la MA et qu'elle interagit directement avec l'APP. La dérégulation de l'activité kinase de la PLK2 pourrait augmenter la phosphorylation d'APP et Tau et aggraverait l'accumulation de l'Aβ et de Tau hyperphosphorylée, contribuant ainsi au développement de la pathologie. Dans un premier temps, nous avons étudié l'effet de la surexpression de la PLK2 et l'inhibition de son activité kinase sur APP et Tau co-exprimées dans des cellules HEK-293T. Parmi toutes les PLKs, la PLK2 est celle qui réduit d'avantage les niveaux d'expression protéique d'APP et Tau, et son inhibition pharmacologique les restaurent partiellement. Puis nous avons cherché à comprendre par quelles voies de clivage et/ou de dégradation l'APP s'engageait lorsqu'elle était co-exprimée avec la PLK2 dans ces mêmes cellules. Ni la voie de clivage amyloïdogénique, ni les voies de dégradation ne participent à la diminution des niveaux d'expression protéique de l'APP co-exprimée avec la PLK2. Enfin, nous voulions déterminer l'impact de l'inhibiteur de la PLK2 dans le modèle murin transgénique 3xTg-AD. Le traitement a un impact sexe-dépendant et qui diffère selon la caractéristique neuropathologique observée. En conclusion, notre étude a permis d'approfondir les connaissances actuelles tout en apportant de nouvelles pistes de recherche. / The formation of amyloid plaques by the accumulation of Aβ proteins from amyloidogenic cleavage of amyloid precursor protein (APP) and neurofibrillary tangles from the accumulation of hyperphosphorylated Tau protein are the major neuropathological hallmarks of Alzheimer's disease (AD), which is the leading cause of dementia in the elderly. APP and Tau are regulated in cells by several post-translational modifications, including phosphorylation. There is evidence that abnormal phosphorylation of APP and Tau leads to AD. Various studies have shown that polo-like kinase 2 (PLK2), a serine/threonine kinase, is over expressed in the brains of AD patients and interacts directly with APP. Dysregulation of PLK2 kinase activity could increase the phosphorylation of APP and Tau and aggravate the accumulation of Aβ and hyperphosphorylated Tau, thus contributing to the development of the pathology. First, we studied the effect of over expression of PLK2 and inhibition of its kinase activity on APP and Tau co-expressed in HEK-293T cells. Among all the PLKs, PLK2 is the one that most reduces the protein expression levels of APP and Tau, and its pharmacological inhibition partially restores them. We then sought to understand which cleavage and/or degradation pathways APP engaged in when co-expressed with PLK2 in these same cells. Neither the amyloidogenic cleavage pathway nor the degradation pathways are involved in decreasing the protein expression levels of APP co-expressed with PLK2. Finally, we wanted to determine the impact of the PLK2 inhibitor in the 3xTg-AD transgenic mouse model. The impact of the treatment is sex-dependent and differs according to the neuropathological hallmark observed. In conclusion, our study has allowed us to deepen the current knowledge while providing new avenues for research.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les maladies neurodégénératives se caractérisent par des accumulations anormales de protéines spécifiques dans le cerveau qui sont associées à la perte de fonctions cognitives comme la mémoire. Au cours des dernières décennies, des chercheurs ont remarqué des anomalies vasculaires et métaboliques chez une forte proportion de patients atteints de démence. L'une des caractéristiques de la maladie d'Alzheimer (MA) en lien avec le déficit cognitif est que les patients présentent une diminution de la captation cérébrale du glucose, source d'énergie essentielle pour le cerveau. De plus, des études récentes suggèrent que le cerveau Alzheimer répond moins bien à l'insuline, une hormone essentielle à la vie impliquée non seulement dans le métabolisme mais aussi dans les processus d'apprentissage et de mémoire. Ainsi, cette forme de résistance cérébrale à l'insuline (RCI) observée dans la MA a motivé l'élaboration d'essais cliniques portant sur l'effet de l'insuline sur la MA. Néanmoins, nous ignorons toujours quels types de cellules et quels mécanismes sont impliqués dans l'action - et la perte d'action - de l'insuline au niveau du système nerveux central (SNC). La grande majorité de l'insuline est produite par le pancréas et sécrétée dans la circulation sanguine. Par conséquent, pour affecter le cerveau, l'insuline circulante doit d'abord interagir avec la barrière hémato-encéphalique (BHE) et ses cellules endothéliales, au niveau des capillaires cérébraux (CECCs), qui la captent grâce aux récepteurs de l'insuline (INSR), des protéines spécifiques à la surface de ces cellules. L'objectif général de cette thèse était de révéler comment la BHE s'intègre dans des processus pathologiques menant au développement des déficits métaboliques centraux observés dans la MA. Plus spécifiquement, il s'agissait de déterminer quelles dysfonctions au niveau cérébrovasculaire pouvaient mener au développement d'une insulinorésistance cérébrale et à un déficit énergétique au cerveau. Nous avons ainsi étudié les interactions avec leurs récepteurs respectifs de l'insuline, du glucose, et d'autres composés importants pour l'énergie et le métabolisme cérébrale comme les corps cétoniques et de l'hormone FGF21 afin de découvrir le rôle de chacun dans la MA ainsi que leur potentiel thérapeutique. Malgré l'absence de preuves in vivo, l'effet de l'insuline sur le cerveau est souvent attribué à une action directe sur les neurones. Cependant, nos travaux montrent dans un premier temps que l'insuline circulante interagit avec l'INSR situé préférentiellement sur les microvaisseaux cérébraux. Nous avons utilisé des protocoles complémentaires: la mesure postmortem des récepteurs cérébraux chez l'humain à partir d'échantillons de cerveaux provenant d'une étude longitudinale bien caractérisée, la Religious Order Study (ROS), ainsi que des expériences chez la souris, comme la perfusion cérébrale in situ (PCIS) dans un modèle de la neuropathologie Alzheimer, la 3xTg-AD. Une hypothèse traditionnellement répandue était que l'INSR médie le passage de l'insuline du sang à travers la BHE jusqu'au cerveau, mais nos travaux montrent que ce transport est non seulement très faible mais aussi indépendant de l'INSR. Nous démontrons également que la réponse de l'INSR à l'insuline se situe sur la BHE, et non dans le parenchyme, et que cette réponse est altérée dans la MA. La BHE est donc le site clé impliqué dans la RCI dans la MA. Nous avons également identifié l'INSRα-B comme l'isoforme principalement impliquée dans cette dysfonction. Enfin, nous proposons un mécanisme moléculaire impliquant la β-sécrétase (BACE1) dans le clivage anormal de l'INSR. Dans un second temps, nous avons étudié chez l'humain les niveaux cérébrovasculaires des protéines impliquées dans le transport vers le cerveau du glucose et des corps cétoniques, à savoir le transporteur du glucose 1 (GLUT1) le transporteur de monocarboxylates 1 (MCT1), respectivement. Nos données confirment tout d'abord que ces deux transporteurs sont enrichis dans les microvaisseaux de la BHE comparativement aux cellules du parenchyme cérébral. De plus, les niveaux vasculaires de GLUT1 sont réduits chez les individus atteints de la MA et sont fortement liés au déclin cognitif et au score cognitif global. Au contraire, les niveaux cérébrovasculaires de MCT1 ne sont pas modifiés chez les sujets atteints de la MA et ne sont pas liés à la performance cognitive, faisant des corps cétoniques une alternative énergétique attrayante pour le cerveau des personnes âgées. En troisième temps, nous avons caractérisé le transport du FGF21 impliqué dans la régulation du métabolisme énergétique au niveau du SNC dans plusieurs modèles de souris non-transgéniques. Nos résultats montrent que cette hormone hépatique est capable d'atteindre les CECCs, d'interagir avec elles et d'être transportée au niveau de la BHE grâce à un mécanisme saturable et indépendant de la phosphorylation de son récepteur FGFR1. Des mécanismes d'efflux régissent également le transport du FGF21 du cerveau vers le sang. Le transport cérébral du FGF21 demeure constant, que ce soit chez la souris 3xTg-AD âgée reproduisant les pathologies amyloïde et tau, ou à la suite d'une consommation de diète enrichie en gras pour induire des déficits métaboliques. En somme, ces résultats montrent que la BHE est impliquée dans plusieurs processus physiologiques de transport et de métabolisme cérébral, mais peut également participer à des processus pathologiques comme la RCI. Nos résultats supportent le ciblage de la BHE dans la recherche et le développement de thérapeutiques visant à maintenir un apport énergétique suffisant pour maintenir les fonctions cognitives dans la MA. / Neurodegenerative diseases are characterized by abnormal accumulations of specific proteins in the brain that are associated with the loss of cognitive functions such as memory. In recent decades, researchers have noted vascular and metabolic abnormalities in a high proportion of patients with dementia. One of the hallmarks of Alzheimer's disease (AD) in relation to cognitive impairment is that patients have decreased brain uptake of glucose, an essential energy source for the brain. In addition, recent studies suggest that the Alzheimer brain responds less well to insulin, an essential life-sustaining hormone involved not only in metabolism but also in learning and memory processes. Thus, brain insulin resistance (BIR) observed in AD has motivated the development of clinical trials investigating the effect of insulin on AD. However, we still do not know what cell types and mechanisms are involved in the action - and loss of action - of insulin in the central nervous system (CNS). The vast majority of insulin is produced by the pancreas and secreted into the bloodstream. Therefore, to affect the brain, circulating insulin must first interact with the blood-brain barrier (BBB) and its endothelial cells, in the brain capillaries (BCECs), which capture it through insulin receptors (INSR), specific proteins on the surface of these cells. The overall objective of this thesis was to reveal how the BBB is integrated into pathological processes leading to the development of central metabolic deficits observed in AD. More specifically, we wanted to determine which dysfunctions at the cerebrovascular level could lead to the development of the central resistance and energy deficit in the brain. We studied the interactions with their respective receptors for insulin, glucose, ketone bodies and the hormone FGF21 to discover the role of each in AD and their therapeutic potential. Despite the lack of in vivo evidence, the effect of insulin on the brain is often attributed to a direct action on neurons. However, our work shows that circulating insulin interacts with INSR located preferentially on cerebral microvessels. We used complementary protocols: postmortem measurement of brain receptors in humans from brain samples from a well-characterized longitudinal study, the Religious Order Study (ROS), as well as experiments in mice, such as in situ brain perfusion in a model of Alzheimer's neuropathology, the 3xTg-AD. A traditional assumption was that INSR mediates the passage of insulin from the blood across the BBB to the brain, but our work shows that this insulin transport is not only very weak but also independent of INSR. We also show that the INSR response to insulin is located at the BBB, not in the parenchyma, and that this response is impaired in AD. The BBB is therefore the key site involved in BIR in AD. We also identified INSRα-B as the isoform primarily involved in this dysfunction. Finally, we propose a molecular mechanism involving the β-secretase BACE1 in the abnormal cleavage of INSR. In a second step, we studied in humans the cerebrovascular levels of proteins involved in the transport to the brain of glucose and ketone bodies, namely GLUT1 and MCT1, respectively. Our data first confirm that these two transporters are enriched in BBB microvessels compared with brain parenchyma cells. Furthermore, vascular levels of GLUT1 are reduced in individuals with AD and are strongly related to cognitive decline and global cognitive score. In contrast, cerebrovascular levels of MCT1 are not altered in AD subjects and are not related to cognitive performance, making ketone bodies an attractive energy alternative for the elderly brain. Thirdly, we characterized in mice the transport of FGF21 involved in the regulation of energy metabolism in the CNS. Our results show that this hepatic hormone can reach the BCECs, interact with them and be transported to the BBB through a saturable mechanism independent of the phosphorylation of its receptor FGFR1. Efflux mechanisms also govern the transport of FGF21 from the brain to the blood. Brain FGF21 transport remains constant, both in aged 3xTg-AD mice mimicking amyloid and tau pathologies, and following consumption of a fat-enriched diet. In sum, these results show that the BBB is involved in several physiological processes of brain transport and metabolism but may also participate in pathological processes such as BIR. Our results support the targeting of the BBB in the research and development of therapeutics aimed at maintaining sufficient energy intake to sustain cognitive function in AD.

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.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2020-2021

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.

La maladie d’Alzheimer est la maladie neurodégénérative la plus fréquente dans le monde industrialisé. Sur le plan neuropathologique, cette maladie est caractérisée par deux types de lésions :les plaques séniles et les dégénérescences neurofibrillaires. <p>Des observations morphologiques précédentes ont permis de mettre en évidence des anomalies du transport axoplasmique dans les neurones chez les patients atteints de la maladie d’Alzheimer. Les mécanismes menant à cette perturbation du transport axoplasmique ne sont pas encore bien établis. La glycogen synthase kinase-3β (GSK-3β) et la cyclin-dependent kinase 5 (Cdk5) associée à son activateur pathologique p25, sont deux kinases clés dont la dérégulation intervient dans la pathogenèse de la maladie d’Alzheimer (MA). Nous avons émis l'hypothèse que ces kinases pourraient jouer un rôle dans la perturbation du transport axoplasmique dans cette maladie.<p><p>Dans la première partie de notre travail, nous nous sommes intéressés à l’effet de la GSK-3β et de Cdk5/p25 sur la croissance des neurites (un processus dépendant du transport axoplasmique) dans un modèle cellulaire, les PC12 différenciées prétraitées au NGF. <p>La surexpression de GSK-3β et de p25 provoque une importante réduction de la croissance neuritique dans ces cellules. Par western blot, nous avons montré que cette réduction est associée à des modifications post-traductionnelles des protéines impliquées dans la régulation du cytosquelette. Ces modifications sont la phosphorylation de la protéine tau et des neurofilaments et l’acétylation de la tubuline α.<p>Cette étude indique donc que la GSK-3β et la protéine p25 contrôlent négativement la croissance neuritique.<p><p>Dans la deuxième partie de notre travail, afin d’étudier la relation entre ces kinases et le transport axoplasmique, nous avons analysé dans des neurones en culture l’effet d’une augmentation d’activité de la GSK-3β et de Cdk5/p25 sur le transport des mitochondries.<p>Pour étudier le déplacement des mitochondries, les neurones en cultures ont été doublement transfectées avec deux plasmides :un marqueur mitochondrial combiné avec la GSK-3β ou p25. Après transfection, le mouvement des mitochondries a été enregistré grâce à la technique du time-lapse.<p>L’étude de la fréquence de trois comportements (mouvement antérograde, mouvement rétrograde et état stationnaire) nous a indiqué que les mitochondries sont normalement en position immobile pendant 70 % de leur temps. La surexpression de GSK-3β ou de p25 augmente la fréquence de cet état stationnaire et diminue de manière plus importante les mouvements antérogrades que rétrogrades sans affecter la vitesse des mitochondries. L’observation au microscope électronique a permis de démontrer la persistance du réseau de microtubules dans les cellules surexprimant GSK-3β ou p25.<p>Le transport des mitochondries est un processus actif faisant intervenir les moteurs moléculaires (kinésine et dynéine) dont le rôle est le transport d’organelles qui repose sur un réseau intact de microtubules.<p>Cette étude suggère donc que la GSK-3β et p25 contrôlent négativement le transport des mitochondries en agissant au niveau des moteurs moléculaires (kinésine et dynéine) plutôt qu’en détruisant le réseau de microtubules.<p><p>Dans la troisième partie de notre travail, nous nous sommes intéressés à l’expression et à la localisation dans le cortex frontal humain et dans le cortex cérébelleux de deux protéines appartenant aux moteurs moléculaires responsables des transports axoplasmiques antérograde et rétrograde :la chaîne légère de la kinésine (KLC1) et la chaîne intermédiaire de la dynéine (DIC). <p>Nous avons observé une diminution du niveau d’expression de la KLC1 et de la DIC dans le cortex frontal (une zone atteinte dans la MA) mais pas dans le cortex cérébelleux chez les patients atteints de la maladie d’Alzheimer par rapport à des sujets contrôles. Une diminution du niveau d’expression de la tubuline-β3 et de la synaptophysine -deux marqueurs neuronaux- a aussi été observée dans le cortex frontal mais pas dans le cortex cérébelleux. Nous avons aussi démontré une hausse de l’état de phosphorylation de la KLC1 dans un modèle cellulaire surexprimant la GSK-3β. Dans le cortex frontal dans la MA, nous avons observé une augmentation de la forme active de la GSK-3β, et une hausse de la phosphorylation de la KLC1. Cette phosphorylation accrue de la KLC1 diminue son activité de transport des organelles.<p>Ces anomalies de l’expression et de la phosphorylation des moteurs moléculaires pourraient jouer un rôle dans les perturbations des transports axoplasmiques dans la MA.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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 (MA) est une maladie neurodégénérative insidieuse qui entraîne l’apparition de déficits cognitifs menant à un déclin graduel de l’autonomie fonctionnelle. Ce déclin fonctionnel peut affecter négativement le bien-être des patients vivant avec la MA, qui est dépendant du sentiment d’autonomie, de compétence et d’affiliation, selon la théorie d’autodétermination. Des interventions ciblant les atteintes fonctionnelles dans la MA ont donc été développées. Le type d’intervention démontrant le meilleur potentiel auprès de cette population est la réadaptation cognitive (RC). Il s’agit d’une approche individualisée selon les incapacités du fonctionnement quotidien et le profil d’atteintes cognitives. Les études existantes sur la RC ont démontré des améliorations de la performance sur les activités de la vie quotidienne qui étaient ciblées par la RC. Cela dit, ces études présentaient des limites méthodologiques, telles que des mesures subjectives de la performance et l’utilisation d’interventions non individualisées et non liées à des tâches de la vie quotidienne. Thivierge et collaborateurs (2014) ont pallié certaines de ces limites en élaborant un programme de RC qui a démontré l’amélioration objective de la performance pour une activité instrumentale de la vie quotidienne (AIVQ) altérée chez un groupe de participants vivant avec la MA en stade léger. Le programme de RC incluait les techniques cognitives de la pratique répétée avec rappel espacé et apprentissage sans erreur. Malgré les effets bénéfiques sur la performance, la RC n’avait pas amélioré la qualité de vie des participants et un effet secondaire indésirable avait été enregistré (Brunelle-Hamann, Thivierge & Simard, 2015). Avant de poursuivre la recherche sur la RC, il était donc primordial de préciser certains aspects. C’est donc dans ce cadre que s’inscrit la présente thèse. Cette thèse a trois objectifs principaux. D’abord, elle vise à justifier le développement d’interventions de RC ciblant les activités de la vie quotidienne auprès de la population MA. Une revue critique de la littérature a été effectuée afin de préciser les atteintes fonctionnelles des activités instrumentales de la vie quotidienne (AIVQ) dans les premiers stades de la MA. Dans un second temps, cette thèse vise à vérifier si un programme de RC pour réapprendre deux AIVQ est sécuritaire auprès des patients dans les stades léger et modéré. Finalement, le troisième objectif est d’évaluer l’efficacité d’un programme de RC pour améliorer la qualité de vie, l’estime de soi et la satisfaction de soi et pour améliorer la performance à deux AIVQ altérées et significatives pour les patients en stades léger et modéré de la MA. Cette thèse est novatrice, car elle est la première à évaluer objectivement à l’aide d’une mesure valide, fidèle et écologique, l’efficacité d’une RC individualisée à domicile, chez les patients MA en stade léger et modéré, pour améliorer deux AIVQ significatives et altérées. Elle est la première à évaluer l’innocuité d’un programme de RC pour deux AIVQ en contexte de MA. Elle introduit des mesures du bien-être, dont l’estime de soi et la satisfaction de soi, mesures importantes lorsque l’on considère l’implantation d’une telle intervention à plus large échelle et mesures supportées par un modèle théorique et recommandées pour les interventions dans la démence. Les résultats de la présente thèse ont démontré que les atteintes fonctionnelles sont présentes de façon précoce dans les stades léger et modéré de la MA et affectent en premier lieu les activités complexes de la vie quotidienne (AIVQ). Les interventions ciblant ces atteintes sont pertinentes afin de favoriser l’autonomie et le bien-être des patients MA. Les résultats recueillis dans le cadre de cette thèse ont permis d’établir qu’un programme de RC ciblant deux AIVQ était sécuritaire et bien toléré pour les patients MA et pour leur proche aidant. Finalement, la valeur surajoutée de la réadaptation de deux AIVQ altérées, comparativement à une seule AIVQ, a été identifiée à l’aide d’une étude randomisée contrôlée. La RC pour deux AIVQ permet d’améliorer objectivement la performance à ces activités et de prévenir le déclin fonctionnel global jusqu’à trois mois après la fin de l’intervention et entraine une amélioration de l’estime de soi. Et ce, malgré les déficits de la mémoire épisodique des participants et l’évolution du déclin cognitif.