Activity of the NMDA receptor is crucial for CA1 plasticity. Functional modification of the receptor is one way to modulate synaptic plasticity and affect hippocampus dependent behaviours. Two GPCRs, the dopamine receptor D1 and the PACAP38 receptor PAC1, have been shown to enhance NMDA activity via Gq and Gs signaling pathways respectively. Enhancement of NMDAR activity by the D1/Gs pathway depends on phosphorylation of the NR2B subunit by Fyn kinase. Conversely, enhancement by the PAC1/Gq pathway depends on phosphorylation of the NR2A subunit by Src kinase. SKF81297, a D1 agonist, was shown to enhance LTD whereas PACAP38, through the PAC1 pathway, was shown to lower the threshold for LTP. Both effects were blocked by specific antagonists and shown to be dependent on NR2 subunit phosphorylation. Ultimately, physiological metaplasticity at the CA1 synapse may be mediated by the relative activation of many GPCR signaling pathways via modification of the NR2 subunit.

Recent studies have demonstrated that an acute, low dose of ketamine, a non-competitive NMDA receptor antagonist, provides rapid and sustained antidepressant effects in patients with major depressive disorder. Studies in rodents have shown that the antidepressant properties of ketamine are due to an increase in dendritic spine density in the cortex. Our goal was to determine whether these effects are specific to ketamine and whether they are dependent on dose, drug regimen and brain region. We observed that the effects of ketamine on spine density were dependent on dose and drug regimen and were also brain region specific. In addition, MK-801, another NMDA receptor antagonist, did not demonstrate the same effects on spine density as ketamine. Furthermore, genetic NMDA receptor hypofunction significantly reduced spine density. Our studies demonstrate that while acute ketamine treatment leads to an increase in cortical spine density, chronic administration has opposite and potentially detrimental effects.

Activity of the NMDA receptor is crucial for CA1 plasticity. Functional modification of the receptor is one way to modulate synaptic plasticity and affect hippocampus dependent behaviours. Two GPCRs, the dopamine receptor D1 and the PACAP38 receptor PAC1, have been shown to enhance NMDA activity via Gq and Gs signaling pathways respectively. Enhancement of NMDAR activity by the D1/Gs pathway depends on phosphorylation of the NR2B subunit by Fyn kinase. Conversely, enhancement by the PAC1/Gq pathway depends on phosphorylation of the NR2A subunit by Src kinase. SKF81297, a D1 agonist, was shown to enhance LTD whereas PACAP38, through the PAC1 pathway, was shown to lower the threshold for LTP. Both effects were blocked by specific antagonists and shown to be dependent on NR2 subunit phosphorylation. Ultimately, physiological metaplasticity at the CA1 synapse may be mediated by the relative activation of many GPCR signaling pathways via modification of the NR2 subunit.

Recent studies have demonstrated that an acute, low dose of ketamine, a non-competitive NMDA receptor antagonist, provides rapid and sustained antidepressant effects in patients with major depressive disorder. Studies in rodents have shown that the antidepressant properties of ketamine are due to an increase in dendritic spine density in the cortex. Our goal was to determine whether these effects are specific to ketamine and whether they are dependent on dose, drug regimen and brain region. We observed that the effects of ketamine on spine density were dependent on dose and drug regimen and were also brain region specific. In addition, MK-801, another NMDA receptor antagonist, did not demonstrate the same effects on spine density as ketamine. Furthermore, genetic NMDA receptor hypofunction significantly reduced spine density. Our studies demonstrate that while acute ketamine treatment leads to an increase in cortical spine density, chronic administration has opposite and potentially detrimental effects.

Το γλουταμινικό οξύ αποτελεί τον κύριο διεγερτικό νευροδιαβιβαστή στο Κεντρικό Νευρικό Σύστημα των θηλαστικών, παίζοντας σημαντικό ρόλο σε διαδικασίες μάθησης και μνήμης, αλλά και σε διεργασίες διεγερσιμοτοξικότητας. Το γλουταμινικό οξύ ασκεί τις δράσεις του μέσω δύο ομάδων υποδοχέων, των ιοντοτρόπων και των μεταβοτροπικών υποδοχέων. Οι ιοντοτρόποι υποδοχείς είναι δίαυλοι ιόντων, των οποίων η ενεργοποίηση προκαλεί ταχεία διεγερτική νευροδιαβίβαση και διακρίνονται σε δύο μεγάλες υποομάδες ,τους NMDA και τους μη- NMDA υποδοχείς. Οι μεταβοτροπικοί υποδοχείς, συνδέονται με G-πρωτεΐνες και προκαλούν αργή συναπτική νευροδιαβίβαση μέσω ενεργοποίησης δεύτερων αγγελιοφόρων. Διακρίνονται σε τρεις μεγάλες ομάδες: το Group I που περιλαμβάνει τους mGluR1 και mGluR5, οι οποίοι ενεργοποιούν την Φωσφολιπάση C (PLC), το Group II που περιλαμβάνει τους mGluR 2 και 3 και το Group III που περιλαμβάνει τους mGluRs 4, 6, 7και 8, οι οποίοι ρυθμίζουν αρνητικά την αδενυλική κυκλάση. Οι μεταβοτροπικοί υποδοχείς διαδραματίζουν σημαντικό νευροτροποποιητικό ρόλο σε ολόκληρο τον εγκέφαλο και αποτελούν στόχο για θεραπευτική αγωγή διαφόρων ψυχιατρικών και νευρολογικών διαταραχών όπως το άγχος, η κατάθλιψη, το σύνδρομο του εύθραυστου Χ και η σχιζοφρένεια. Στον ιππόκαμπο, μια δομή όπου διενεργούνται διεργασίες μάθησης και μνήμης, οι mGluR5 υποδοχείς είναι οι πλέον άφθονοι από την οικογένεια των Group I Μεταβοτροπικών υποδοχέων και παίζουν ρόλο στη ρύθμιση της συναπτικής πλαστικότητας και χωρικής μάθησης. Όπως έχει δειχθεί από ηλεκτροφυσιολογικές μελέτες, μια από τις πιο αξιοσημείωτες επιδράσεις των mGluR5 υποδοχέων είναι η ενίσχυση των NMDA-εξαρτώμενων ρευμάτων. Η δράση τους αυτή φαίνεται να παίζει ρόλο στη δημιουργία του LTP ( μακροχρόνια συναπτική ενίσχυση), καθώς η χορήγηση του ειδικού ανταγωνιστή των mGluR5 υποδοχέων (ΜΡΕΡ) σε ιππόκαμπειους νευρώνες επίμυος, αναστέλλει την επαγωγή του LTP. Στο ραβδωτό σώμα, οι mGluR5 υποδοχείς βρίσκονται υπό τον έλεγχο των Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης, με τους οποίους σχηματίζουν ετεροδιμερή συμπλέγματα Α2Α-mGluR5 υποδοχέων. Στον ιππόκαμπο, οι Α2Α υποδοχείς αδενοσίνης εκφράζονται σε πολύ χαμηλά επίπεδα, ενώ είναι ελάχιστα τα βιβλιογραφικά δεδομένα για την πιθανή αλληλεπίδρασή τους με τους mGluR5 υποδοχείς. Προκειμένου να διερευνήσουμε το μοριακό μηχανισμό μέσω του οποίου οι mGluR5 υποδοχείς του γλουταμινικού οξέος ενισχύουν τα ρεύματα των NMDA υποδοχέων στον ιππόκαμπο επίμυος, εξετάσαμε την in vitro επίδραση της ενεργοποίησης των mGluR5, στο επίπεδο φωσφορυλίωσης της NR2B υπομονάδας του NMDA υποδοχέα, στα κατάλοιπα τυροσίνη-1472 και σερίνη-1303. Εν συνεχεία, διερευνήσαμε in vitro, την ενδεχόμενη αλληλεπίδραση των mGluR5 και Α2Α υποδοχέων στον ιππόκαμπο, μελετώντας την επίδραση της διέγερσης ή της αναστολής τους στην mGluR5-επαγόμενη φωσφορυλίωση των NMDA υποδοχέων. Τέλος, προκειμένου να ανιχνεύσουμε το ενδοκυττάριο μονοπάτι μεταγωγής σήματος των mGluR5 υποδοχέων στον ιππόκαμπο, εξετάσαμε την επίδραση της ενεργοποίησης των mGluR5 υποδοχέων στο επίπεδο φωσφορυλίωσης της ERK ½ κινάσης καθώς και την επίδραση της διέγερσης των Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης στην ενεργοποίηση αυτή. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η διέγερση των mGluR5 υποδοχέων του γλουταμινικού οξέος με τον ειδικό αγωνιστή τους, CHPG, επάγει μια ισχυρή φωσφορυλίωση του καταλοίπου τυροσίνη- 1472 της NR2B υπομονάδας, η οποία είναι εξειδικευμένη στη θέση αυτή δεδομένου ότι δεν εμφανίζονται στο κατάλοιπο σερίνη-1303. Σύμφωνα με τα υπάρχοντα βιβλιογραφικά δεδομένα, η φωσφορυλίωση του καταλοίπου τυροσίνη -1472 της NR2B υπομονάδας, παίζει ρόλο στη μετακίνηση του υποδοχέα στη μεμβράνη και στην ορθή τοποθέτηση του στη σύναψη (trafficking). Συγκεκριμένα, η φωσφορυλίωση στη θέση αυτή καταστέλλει την κλαθρίνη-εξαρτώμενη ενδοκυττάρωση των NMDA υποδοχέων, με αποτέλεσμα τη συσσώρευσή τους στη συναπτική μεμβράνη. Η συσσώρευση των NR2B-NMDA υποδοχέων και η σωστή τοποθέτηση τους στη συναπτική μεμβράνη προάγει τις NMDA εξαρτώμενες αποκρίσεις. Το γεγονός αυτό, συμφωνεί με τα ηλεκτροφυσιολογικά δεδομένα που δείχνουν ότι η διέγερση των mGluR5, ενισχύει τα ρεύματα των NMDA υποδοχέων και προάγει την επαγωγή του LTP στον ιππόκαμπο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματά μας, θεωρούμε ότι η φωσφορυλίωση στη τυροσίνη-1472, αποτελεί το μοριακό μηχανισμό ( ή μέρος αυτού), μέσω του οποίου η ενεργοποίηση των mGluR5 υποδοχέων προάγει τα ρεύματα των NMDA διαύλων. Είναι ενδιαφέρον ότι, οι mGluR5 υποδοχείς του γλουταμινικού οξέος φαίνεται να βρίσκονται υπό τον έλεγχο των Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης και στον ιππόκαμπο, όπως και στο ραβδωτό σώμα, καθώς τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι φαρμακευτική αναστολή των Α2Α υποδοχέων εξασθενεί σημαντικά την 10 ικανότητα των ιπποκάμπειων mGluR5 να ελέγχουν τις NMDA-επαγόμενες απαντήσεις. Άρα στον ιππόκαμπο φαίνεται ότι οι Α2Α υποδοχείς δρουν αδειοδοτικά για τη λειτουργία των mGluR5 υποδοχέων ως προς τη ρύθμιση των NMDA-επαγόμενων απαντήσεων. Τέλος, τα αποτελέσματά μας καταδεικνύουν ότι η ενεργοποίηση των mGluR5 υποδοχέων, με το ειδικό αγωνιστή τους CHPG, στον ιππόκαμπο, επάγει τη φωσφορυλίωση της ERK 1/2 κινάσης με τρόπο δοσοεξαρτώμενο. Η επαγωγή αυτή δεν υπόκειται στον έλεγχο των Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης, καθώς η φαρμακευτική αναστολή τους δεν είχε επίδραση στα επίπεδα φωσφορυλίωσης της ERK 1/2 κινάσης. Η λειτουργική σημασία της ενεργοποίησης αυτής δεν είναι ακόμα γνωστή και αποτελεί στόχο μελλοντικών πειραμάτων μας. / --

NMDARs are ligand-gated cation channels which are activated by the neurotransmitter glutamate. NMDARs are essential in coupling electrical activity to biochemical signalling as a consequence of their high Ca2+ permeability. This Ca2+ influx acts as a secondary messenger to mediate neurodevelopment, synaptic plasticity, neuroprotection and neurodegeneration. The biological outcome of NMDAR activation is determined by a complicated interrelationship between the concentration of Ca2+ influx, NMDAR location (synaptic vs. extrasynaptic) as well as the subtype of the GluN2 subunit. Despite the recognition that NMDAR mediated physiology is multifaceted, tools used to study subunit and location dependent signalling are poorly characterized and in other cases, non-existent. Therefore, the aim of this thesis is to address this issue. Firstly, I assessed the current pharmacological approach used to selectively activate extrasynaptic NMDARs. Here, synaptic NMDARs are first blocked with MK-801 during phasic activation and then extrasynaptic NMDARs are tonically activated. This approach relies on the continual irreversible blockade of synaptic NMDARs by MK-801 yet contrary to the current dogma, I demonstrate this blockade is unstable during tonic agonist exposure and even more so when physiologically relevant concentrations of Mg2+ are present. This confines a temporal limit in which selective activation of extrasynaptic NMDARs can occur with significant consequences for studying synaptic vs. extrasynaptic NMDAR signalling. Dissecting subunit-dependent signalling mediated by the two major GluN2 subunits in the forebrain, GluN2A and GluN2B, has been advanced significantly by selective GluN2B antagonism yet a reciprocal GluN2A selective antagonist has been lacking. Utilizing novel GluN2A-specific antagonists, I demonstrate a developmental upregulation of GluN2A-mediated NMDA currents which concurrently dilutes the contribution of GluN2B-mediated currents. Moreover, I tested the hypothesis that the Cterminus of GluN2A and GluN2B are essential in controlling the developmental switch of GluN2 subunits utilizing knock-in mice whereby the C-terminus of GluN2A is replaced with that of GluN2B. Surprisingly, the exchange of the C-terminus does not impede the developmental switch in subunits nor the proportion of NMDARs at synaptic vs extrasynaptic sites. However, replacing the C-terminus of GluN2A with that of GluN2B induces a greater neuronal vulnerability to NMDA-dependent excitotoxicity. Collectively, this work enhances our understanding of the complex physiology mediated by the NMDAR by determining how pharmacological tools are best utilized to study the roles of NMDAR location and subunit composition in addition to revealing the importance of the GluN2 C-terminus in development and excitotoxicity.

The sigma-1 receptor (σ-1R) is an endoplasmic reticulum (ER) protein that modulates a number of ion channels. It is hypothesized that σ-1Rs activated with agonist translocate to the plasma membrane. The σ-1R potentiates N-methyl-D-aspartate Receptors (NMDARs), important constituents of synaptic plasticity. NMDARs are anchored in the plasma membrane by Postsynaptic Density Protein-95 (PSD-95). The mechanism behind σ-1R modulation of NMDARs is not known. The results of my investigation confirm that σ-1Rs localize extrasomatically. Following σ-1R activation, σ-1R localization to dendrites and postsynaptic densities (PSDs) is upregulated. Unpublished work from our lab has shown that σ-1Rs associate with PSD-95 and NMDARs. Furthermore, immunocytochemistry (ICC) showed σ-1R colocalization with PSD-95 and NMDAR subunits. After σ-1R activation there was significantly increased colocalization between σ-1R, PSD-95, and GluN2B. Overall, this study may have provided insight into the molecular mechanism behind σ-1R modulation of NMDARs, which could have implications in the understanding of synaptic plasticity.

The amyloid beta peptide (Aβ) plays an important role in Alzheimer’s disease (AD). Increasing evidence suggest that overactivation of extrasynaptic N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) mediate Aβ-induced excitotoxicity. In serine racemase knockout (SRKO) mice with significantly depleted D-serine levels, Aβ-induced excitotoxicity is attenuated. Using SRKO mice, this thesis attempts to determine the effects of Aβ on synaptic and extrasynaptic NMDAR function, and how D-serine can alter these Aβ- mediated effects. In CA1 pyramidal neurons, Aβ significantly depresses evoked synaptic NMDAR excitatory postsynaptic currents (EPSCs), and this effect is even greater in SRKO mice. The same effect was also observed on isolated evoked extrasynaptic NMDAR currents. During synaptic NMDAR current recordings, Aβ potentiated the holding current in wild type (WT) mice, but not SRKO mice, suggesting an increase in extrasynaptic NMDAR activation in WT, but not in SRKO mice. SRKO mice attenuated Aβ-induced holding current shift and had reduced basal tonic NMDAR activation. These data, along with evidence from previous studies in the literature, suggest that low levels of D-serine can alter NMDAR function in the presence of Aβ. These findings provide insight for future experiments in exploring the importance of D-serine in AD.

Encoding behaviorally relevant stimuli in a noisy background is critical for animals to survive in their natural environment. We identify core biophysical and synaptic mechanisms that permit the encoding of low frequency signals in pyramidal neurons of the weakly electric fish Apteronotus leptorhynchus, an animal that can accurately encode miniscule (0.1%) amplitude modulations of its self-generated electric field. We demonstrate that slow NMDA-R mediated EPSPs are able to summate over many interspike intervals of the primary electrosensory afferents (EAs), effectively eliminating the EA spike train serial correlations from the pyramidal cell input. This permits stimulus-evoked changes in EA spiking to be transmitted efficiently to downstream ELL pyramidal cells, where a dynamic balance of NMDA-R and GABA-A-R currents is critical for encoding low frequency signals. Interestingly, AMPA-R activity is depressed and plays a negligible role in the generation of action potentials; instead, cell intrinsic membrane noise implements voltage-dependent stochastic resonance to amplify weak sensory input and appears to drive a significant proportion of pyramidal cell spikes. Together, these mechanisms may be sufficient for the ELL to encode signals near the threshold of behavioral detection.

La neuroinflammation est un dénominateur commun de plusieurs troubles du système nerveux central. Les réactions inflammatoires sont souvent médiées par plusieurs voies de signalisation qui conduisent à l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique. L'activateur tissulaire du plasminogène (tPA) est une serine protéase qui induit l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique. Au cours des dernières années, il a également été montré que les récepteurs NMDA situés dans les cellules endothéliales peuvent jouer un rôle crucial dans la propagation de la réaction inflammatoire.Mon travail au cours de ma thèse a mis l'accent sur la découverte des mécanismes par lesquels le récepteur NMDA effectue une médiation de l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique induite par le TPA. Dans notre première étude, nous montrons que les récepteurs NMDA endothéliaux sont des cibles thérapeutiques potentielles pour prévenir l'infiltration et l'inflammation des cellules immunitaires médiées par l'EAE. Nous montrons que l'anticorps monoclonal du récepteur NMDA spécifique à la souris, le Glunomab, pourrait protéger la barrière de la moelle épinière de dommages inflammatoires. Nous montrons également que les récepteurs NMDA sont exprimés en étroite association avec les protéines de jonction serrées dans les cellules endothéliales cérébrales. Dans notre deuxième étude, nous montrons pour la première fois que les récepteurs NMDA neuroendothéliaux peuvent présenter une action métabotropique lors de l'inflammation. Nous soulignons également que ces récepteurs sont en effet des récepteurs NMDA non conventionnels exprimant la sous unité GluN3A. En outre, nous rapportons que le tPA accélère l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique en présence d'une agoniste rare de la glycine par un mécanisme dépendant de l'activation de RhoA. Les résultats de mon projet apportent une nouvelle vision du rôle des récepteurs NMDA métabotropiques dans les cellules endothéliales cérébrales. En outre, il fournit également des détails plus précis sur l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique via l’activateur tissulaire du plasminogène. / Neuroinflammation is a common denominator of several central nervous system disorders. Inflammatory reactions are often mediated by several signaling pathways which lead to the opening of the blood brain barrier. Tissue plasminogen activator (tPA) is a serine protease induces opening of the blood brain barrier. In recent years, it has also been shown that NMDA receptors located in endothelial cells can play a crucial role in propagation of inflammatory reaction. My doctoral study focused on the finding the underlying mechanisms of action(s) by which NMDA receptor mediates tPA induced opening of the blood brain barrier. In our first study we show that endothelial NMDA receptors are potential therapeutic targets to prevent EAE mediated immune cell infiltration and inflammation. We show that NMDA receptor specific mouse monoclonal antibody Glunomab could prevent the brain spinal cord barrier from inflammatory damage. We also show that NMDA receptors are expressed in close association of tight junction proteins in cerebral endothelial cells. In our second study, we show for the first time that, neuroendothelial NMDA receptors can exhibit metabotropic mode of action during inflammation. We also highlight that these receptors are indeed GluN3A expressing non-conventional NMDA receptors. In addition, we report that tPA accelerates the opening of blood brain barrier in presence of an uncommon agonist glycine by RhoA activation dependent mechanism.My project results provide a nouvelle insight for the role of metabotropic NMDA receptors in cerebral endothelial cells. In addition it also provides more precise details of blood brain barrier opening mediated by tissue plasminogen activator.