Les maladies à prions et d’Alzheimer appartiennent à un groupe de maladies neurodégénératives caractérisées par l’accumulation dans le système nerveux central (SNC) de protéines amyloïdes, respectivement la PrPSc et les peptides Aβ. Même si ces maladies ont des étiologies et des manifestations physiopathologiques distinctes, il est suspecté que des mécanismes communs de neurodégénérescence puissent être mobilisés dans ces différentes affections du SNC. Les maladies à prions s’imposent comme un paradigme qui permet l’étude des maladies neurodégénératives amyloïdes. Disposer d’un agent infectieux, la protéine prion scrapie, PrPSc, présente l’avantage de pouvoir initier un processus neurodégénératif et de cerner la nature et la séquence des événements menant à la perte d’homéostasie neuronale. Les mécanismes mis en évidence grâce à l’infection à prions peuvent être objectivés dans d’autres maladies neurodégénératives. Dans les maladies à prions, il est clairement établi que la PrPSc exerce sa toxicité dans les neurones en déviant la/les fonction(s) de la forme non pathologique des prions, la protéine prion cellulaire, PrPC. Les travaux du laboratoire ont permis d’assigner une fonction de signalisation à la PrPC et d’identifier plusieurs intermédiaires de signalisation contrôlés par la PrPC, ce qui a conduit à proposer plusieurs rôles pour la PrPC dans les neurones : régulation de l’équilibre d’oxydoréduction, adhérence, neuritogenèse, survie, contrôle des fonctions associées au neuromédiateur. Une partie de mes travaux de thèse a permis d’illustrer une nouvelle facette de la PrPC dans le contrôle des fonctions neuronales. Au travers d’un couplage à la kinase Lyn et d’une interaction avec la protéine LRP1 et le cuivre, la PrPC du corps cellulaire gouverne l’état d’activation de la kinase GSK3β, qui à son tour, contrôle le trafic et l’activité d’un autorécepteur sérotoninergique, le récepteur 5HT1B. En modulant l’activité de ce récepteur, la PrPC favorise la neurotransmission. A partir de l’infection à prions, mes travaux dévoilent des mécanismes de neurodégénérescence communs aux maladies à prions et à la maladie d’Alzheimer (AD). Dans les neurones infectés par les prions, comme les neurones dérivés de souris modèles pour AD, la suractivation de la kinase PDK1 provoque la phosphorylation et l’internalisation de l’αsécrétase TACE, ce qui annule l’activité neuroprotectrice de TACE à la membrane plasmique. TACE internalisée est découplée de trois de ses substrats, (i) la PrPC, ce qui favorise sa conversion en PrPSc, (ii) la protéine précurseur des peptides amyloïdes APP, ce qui augmente la production des peptides neurotoxiques Aβ et (iii) les récepteurs au TNFα, ce qui rend les neurones malades vulnérables au stress inflammatoire. In vitro comme in vivo, l’inhibition de PDK1 permet de rétablir l’activité neuroprotectrice de TACE et de contrecarrer les effets neurotoxiques de la PrPSc ou de Aβ. Mes travaux établissent également que les Rho kinases (ROCK) sont des régulateurs positifs de l’activité de PDK1. Dans un contexte physiologique, les ROCK interagissent avec PDK1 et phosphorylent PDK1, contribuant à son activité basale. Dans un contexte infectieux, le gain d’activité des ROCK augmente le « pool » de molécules de PDK1 qui interagissent avec et sont phosphorylées par les ROCK, à l’origine de la suractivation de PDK1. Inhiber les ROCK exerce un double effet protecteur dans les neurones infectés par les prions en abaissant le niveau de PrPSc via le module de signalisation PDK1TACE et en préservant la polarité et la connectivité des neurones par action sur le cytosquelette d’actine. Le module ROCKPDK1 émerge comme une cible thérapeutique potentielle pour les maladies à prions et autres maladies neurodégénératives amyloïdes. / Pas de résumé en anglais

Etat des lieux : Les souris Tg2576, modèles de la maladie d'Alzheimer (MA), développent avec l'âge des troubles mnésiques, qui peuvent être réduits par l'exposition précoce à des conditions de vie cognitivement stimulantes, dite enrichissement environnemental. Hypothèse : L'effet pro-mnésique de l'enrichissement environnemental précoce provient-il d'une réduction de l'hypersynchronie neuronale, cause potentielle des troubles mnésiques chez les souris modèles de la MA ? Méthodes : Nous avons mis en évidence une hypersynchronie neuronale puis étudié l'effet de l'enrichissement environnemental sur ce phénotype chez les souris Tg2576, en utilisant des méthodes pharmacologiques, électro-encéphalographiques et immunohistochimiques. Résultats - conclusion : L'hypersynchronie neuronale apparait avant les premiers troubles mnésiques chez les souris Tg2576 mais n'est pas influencée par l'enrichissement environnemental. / Alzheimer's disease (AD) is characterized by an accumulation of amyloid peptides and by a progressive memory loss. These AD features can be modeled in transgenic mouse lines that overexpress mutant forms of the amyloid precursor protein. Environmental cognitive stimulations can delay memory decline in AD patients. Our team showed that an early environmental enrichment (EE) durably improves memory performances in Tg2576 mice, a progressive model of AD. Nevertheless, the neurobiological processes underlying the maintenance of memory performances in these mice remain unknown. EE might prevent some pathological events that contribute to memory deficits in Tg2576 mice. Among them, we focused on neuronal hypersynchrony. Indeed, AD patients and related mouse models exhibit seizures and some antiepileptic treatments can improve their memory performances. In this context, the two principal aims of this work were: 1) to evidence neuronal hypersynchrony in Tg2576 mice and precise its onset relative to the onset of memory deficits in this mouse line, 2) to determine if an environmental enrichment protocol that durably improves memory performances in these mice is able to reduce neuronal hypersynchrony. To this purpose, we assessed neuronal hypersynchrony at different ages in Tg2576 males as well as in Tg2576 females housed in enriched or standard conditions. To this end, we measured seizure susceptibility to a proconvulsant agent and the frequency of spontaneous interictal spikes on electroencephalographic recordings (EEG). We also looked for a marker of chronic seizures: the expression of neuropeptide Y in mossy fibers. In this thesis, we evidenced that neuronal hypersynchrony appears as soon as 1.5 months of age in Tg2576 mice, before their first memory deficits but that environmental enrichment does not influence it. We also observed that interictal spikes preferentially occur during sleep, their rate rising to its maximum during paradoxical sleep. Finally, Tg2576 mice present an overall increase in the power of EEG oscillations between 5 and 100 Hz, which is not affected by environmental enrichment. In conclusion, my thesis work showed that neuronal hypersynchrony precedes memory decline in Tg2576 mice and that environmental enrichment would rather promote the establishment of alternative cognitive strategies than preventing some alterations of brain neuronal activity such as neuronal hypersynchrony.

Desert ants of the genus Cataglyphis (Formicinae) are widely distributed in arid areas of the palearctic ecozone. Their habitats range from relatively cluttered environments in the Mediterranean area to almost landmark free deserts. Due to their sophisticated navigational toolkit, mainly based on the sky-compass, they were studied extensively for the last 4 decades and are an exceptional model organism for navigation. Cataglyphis ants exhibit a temporal polyethism: interior workers stay inside the dark nest and serve as repletes for the first ∼2 weeks of their adult life (interior I). They then switch to nursing and nest maintenance (interior II) until they transition to become day-active outdoor foragers after ∼4 weeks. The latter switch in tasks involves a transition phase of ∼2-3 days during which the ants perform learning and orientation walks. Only after this last phase do the ants start to scavenge for food as foragers. In this present thesis I address two main questions using Cataglyphis desert ants as a model organism: 1. What are the underlying mechanisms of temporal polyethism? 2. What is the neuronal basis of sky-compass based navigation in Cataglyphis ants? Neuropeptides are important regulators of insect physiology and behavior and as such are promising candidates regarding the regulation of temporal polyethism in Cataglyphis ants. Neuropeptides are processed from large precursor proteins and undergo substantial post-translational modifications. Therefore, it is crucial to biochemically identify annotated peptides. As hardly any peptide data are available for ants and no relevant genomic data has been recorded for Cataglyphis, I started out to identify the neuropeptidome of adult Camponotus floridanus (Formicinae) workers (manuscript 1). This resulted in the first neuropeptidome described in an ant species – 39 neuropeptides out of 18 peptide families. Employing a targeted approach, I identified allatostatin A (AstA), allatotropin (AT), short neuropeptide F (sNPF) and tachykinin (TK) using mass spectrometry and immunohistology to investigate the distribution of AstA, AT and TK in the brain (manuscript 2). All three peptides are localized in the central complex, a brain center for sensory integration and high-order control of locomotion behavior. In addition, AstA and TK were also found in visual and olfactory input regions and in the mushroom bodies, the centers for learning and memory formation. Comparing the TK immunostaining in the brain of 1, 7 and 14 days old dark kept animals revealed that the distribution in the central complex changes, most prominently in the 14 day old group. In the Drosophila central complex TK modulates locomotor activity levels. I therefore hypothesize that TK is involved in the internal regulation of the interior I–interior II transition which occurs after ∼2 weeks of age. I designed a behavioral setup to test the effect of neuropeptides on the two traits: ’locomotor activity level’ and ’phototaxis’ (manuscript 3). The test showed that interior I ants are less active than interior II ants, which again are less active than foragers. Furthermore, interior ants are negatively phototactic compared to a higher frequency of positive phototaxis in foragers. Testing the influence of AstA and AT on the ants’ behavior revealed a stage-specific effect: while interior I behavior is not obviously influenced, foragers become positively phototactic and more active after AT injection and less active after AstA injection. I further tested the effect of light exposure on the two behavioral traits of interior workers and show that it rises locomotor activity and results in decreased negative phototaxis in interior ants. However, both interior stages are still more negatively phototactic than foragers and only the activity level of interior II ants is raised to the forager level. These results support the hypothesis that neuropeptides and light influence behavior in a stage-specific manner. The second objective of this thesis was to investigate the neuronal basis of skycompass navigation in Cataglyphis (manuscript 4). Anatomical localization of the sky-compass pathway revealed that its general organization is highly similar to other insect species. I further focused on giant synapses in the lateral complex, the last relay station before sky-compass information enters the central complex. A comparison of their numbers between newly eclosed ants and foragers discloses a rise in synapse numbers from indoor worker to forager, suggesting task-related synaptic plasticity in the sky-compass pathway. Subsequently I compared synapse numbers in light preexposed ants and in dark-kept, aged ants. This experiment showed that light as opposed to age is necessary and sufficient to trigger this rise in synapse number. The number of newly formed synapses further depends on the spectral properties of the light to which the ants were exposed to. Taken together, I described neuropeptides in C. floridanus and C. fortis, and provided first evidence that they influence temporal polyethism in Cataglyphis ants. I further showed that the extent to which neuropeptides and light can influence behavior depends on the animals’ state, suggesting that the system is only responsive under certain circumstances. These results provided first insight into the neuronal regulation of temporal polyethism in Cataglyphis. Furthermore, I characterized the neuronal substrate for sky-compass navigation for the first time in Cataglyphis. The high level of structural synaptic plasticity in this pathway linked to the interior–forager transition might be particularly relevant for the initial calibration of the ants’ compass system. / Wüstenameisen der Gattung Cataglyphis sind weit verbreitet in ariden Gebieten der paläarktischen Ökozone. Die von ihnen bewohnten Habitate reichen von landmarkenreichen Arealen im Mittelmeerraum, zu beinahe landmarkenfreien Wüstengebieten. Aufgrund ihres hochentwickelten Navigationssystems, welches größtenteils auf dem Himmelskompass basiert, wurden sie in den letzten 4 Jahrzehnten extensiv studiert und sind ein einzigartiges Modellsystem für Navigation. Cataglyphis weisen einen alterskorrelierten Polyethismus auf: Innendienstler dienen als Speichertiere für die ersten ∼2 Wochen ihres adulten Lebens (Interior I). Sie gehen daraufhin zu Brutpflege und Nestbau (Interior II) über bis sie nach ∼4 Wochen zu tagaktiver Furagiertätitkeit außerhalb ihres Nestes wechseln. Dieser letzte Übergang dauert ∼2-3 Tage und wird von den Ameisen genutzt, um Lernund Orientierungsläufe durchzuführen. In der vorliegenden Arbeit befasse ich mich vor allem mit zwei Fragen, die ich mit Hilfe von Cataglyphis als Modellorganismus beantworten möchte: 1. Welches sind die zugrunde liegenden Mechanismen des Alterspolyethismus? 2. Was ist die neuronale Grundlage von Navigation, die auf dem Himmelskompass basiert? Neuropeptide sind bedeutende Regulatoren der Physiologie und des Verhaltens von Insekten und als solche vielversprechende Kandidaten im Hinblick auf die Regulation des Alterspolyethismus in Cataglyphis Ameisen. Neuropeptide werden aus größeren Vorläuferproteinen herausgeschnitten und posttranslational stark modifiziert. Daher ist es wichtig, annotierte Peptide auch biochemisch zu identifizieren. Da für Ameisen kaum Peptiddaten zur Verfügung stehen und es zudem keine relevanten genomischen Daten für Cataglyphis gibt, identifizierte ich zunächst das Neuropeptidom adulter Camponotus floridanus (Formicinae) Arbeiterinnen (Manuskript 1). Daraus resultierte das erste Neuropeptidom, das für eine Ameisenart beschrieben wird—39 Neuropeptide aus 18 Peptidfamilien. In einer weiteren Studie identifizierte ich gezielt die Neuropeptidfamilien Allatostatin A (AstA), Allatotropin (AT), das kurze Neuropeptid F (sNPF) und Tachykinin (TK) mittels Massenspektroskopie und untersuchte die Verteilung von AstA, AT und TK im Gehirn mit Hilfe der Immunhistologie (Manuskript 2). Alle drei Peptide sind im Zentralkomplex lokalisiert, dem Gehirnzentrum welches sensorische Eingänge integriert und in einer übergeordneten Rolle Lokomotorverhalten steuert. AstA und TK sind zudem in den visuellen und olfaktorischen Eingangsregionen, sowie den Pilzkörpern, den Zentren für Lernen und Gedächtnisbildung, zu finden. Ein Vergleich der TK-Immunfärbung im Gehirn von 1, 7 und 14 Tage alten im Dunkeln gehaltenen Tieren zeigt, dass sich die Verteilung im Zentralkomplex verändert— dies ist besonders prominent in der 14 Tage alten Gruppe. In Drosophila moduliert TK im Zentralkomplex Lokomotoraktivität. Basierend darauf stelle ich die Hypothese auf, dass TK in der internen Regulierung des Übergangs von Interior I zu Interior II involviert ist, welchen die Tiere im Alter von ∼2 Wochen durchlaufen. Für eine dritte Studie konstruierte ich ein Verhaltenssetup um den Einfluss von Neuropeptiden und Licht auf die beiden Verhaltensmerkmale ’Lokomotoraktivität’ und ’Phototaxis’ zu testen (Manuskript 3). Der Test zeigte, dass Interior I Ameisen weniger aktiv sind als Interior II Ameisen, welche wiederum weniger aktiv sind als Furageure. Zudem sind Interior Ameisen negativ phototaktisch, verglichen mit einer häufiger zu beobachtenden positiven Phototaxis bei Furageuren. Im Test zeigte sich auch, dass der Einfluss von AstA und AT stadiumsspezifisch ist: während das Verhalten von Interior I Tieren nicht offensichtlich beeinflusst wird, werden Furageure durch die Injektion von AT positiv phototaktisch, sowie aktiver und AstA-Injektion führt zu geminderter Lokomotoraktivität. Darüber hinaus testete ich den Lichteinfluss auf beide Verhaltensmerkmale in den Innendienststadien und zeige, dass er Lokomotoraktivität steigert und in einer geminderten negativen Phototaxis resultiert. Beide Innendienststadien sind jedoch weiterhin negativer phototaktisch als Furageure und nur die Lokomotoraktivtät von Interior II Ameisen wird auf das Niveau von Furageuren angehoben. Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass Neuropeptide und Licht stadiumsspezifisch Verhalten beeinflussen. Der zweite Aspekt dieser Thesis war es, die neuronale Grundlage der Himmelskompassnavigation in Cataglyphis aufzuklären (Manuskript 4). Die neuroanatomische Lokalisation der Himmelskompasssehbahn zeigt, dass die allgemeine Organisation dieser neuronalen Bahn der bei bisher untersuchten anderen Insekten stark ähnelt. Ich habe mich daraufhin auf Riesensynapsen im lateralen Komplex konzentriert, der letzten Verschaltungsstation ehe die Himmelskompassinformation in den Zentralkomplex übertragen wird. Ein Vergleich zwischen der Synapsenzahl in frisch geschlüpfte Ameisen und erfahrenen Furageueren zeigte einen Anstieg der Synapsenzahl von Innendienst zu Furaguer, was aufgabenabhängige synaptische Plastizität in der Himmelskompasssehbahn suggeriert. In einem weiteren Versuch verglich ich die Riesensynapsenzahlen lichtexponierter Tiere und dunkel gehaltener, gealteter Tiere. Dieses Experiment zeigte, dass der Zuwachs an Riesensynapsen durch den Lichteinfluss ausgelöst wird und keinen altersabhängigen Prozess darstellt. Zudem verändert sich die Anzahl der neu gebildeten Riesensynapsen in Abhängigkeit von den spektralen Eigenschaften des Lichts, dem die Ameisen ausgesetzt sind. Zusammengefasst beschrieb ich in dieser Thesis Neuropeptide in C. floridanus und Cataglyphis und lieferte erste Evidenz, dass diese den Alterspolyethismus in Cataglyphis beeinflussen. Zudem zeigte ich, dass das Ausmaß in dem Neuropeptide und Lichtexposition Verhalten beeinflussen können, stadiumsspezifisch ist. Dies suggeriert, dass das System nur unter bestimmten Bedingungen auf externe Einflüsse reagiert. Diese Ergebnisse lieferten erste wichtige Einblicke in die neuronale Grundlage von Alterspolyethismus in Cataglyphis. Zudem charakterisierte ich erstmals das neuronale Substrat der Himmelskompassnavigation in Cataglyphis. Das hohe Maß an synaptischer Plastizität in dieser Sehbahn beim Übergang von Innenzu Außendienst, könnte besondere Relevanz für die initiale Kalibrierung des Kompasssystems haben.

Die Modellierung natürlicher Neuronenpopulationen stellt den Versuch dar, komplizierte Wechselwirkungen und Ereignisabhängigkeiten in biologischen Systemen quantitativ erfassen zu wollen. Widersprüchlich erscheint dabei die Tatsache, daß ein einzelnes Neuron in einer Population ohne Signifikanz ist, daß sich die gesamte Population aber aus einer Vielzahl derartiger Neuronen zusammensetzt und eine, technischen Systemen überlegene funktionelle Vielfalt besitzt /ZUR 92/, /HOL 93/. Ergo setzt sich die Gesamtleistung eines Systems nicht aus der Summe der Leistungen seiner Komponenten "summarisch" zusammen, sondern resultiert vielmehr aus deren Wechselwirkungen. Technisch interessant erscheinen an dieser Stelle mindestens zwei Fragen: * Welcher Mechanismus begründet den genannten Widerspruch in Neuronenpopulationen? * Welche technische Anleihe bietet dieser Mechanismus? Die Modellierung einer Neuronenpopulation kann auf zweierlei Art und Weise erfolgen. Entweder durch die Aufklärung der Neuronenpopulation "von innen heraus", d.h. durch Beobachtung und mathematische Formulierung physiologischer Abläufe oder durch vergleichende Betrachtungen mit "konvergenten" Modellen, d.h. durch die Schaffung von Modellen mit vergleichbaren Phänomenen. Die nachfolgenden Ausführungen favorisieren die letztgenannte Vorgehensweise. Phänomene sind die ereignisabhängigen Schwellwertentwicklungen der Neuronen in Wechselwirkung mit den umgebenden Neuronen sowie die ereignisabhängigen Entwicklungen der synaptischen Verbindungsstärken zwischen den Neuronen, bezeichnet als "Leitwertentwicklung". Technische Anwendungen dieser Simulationsergebnisse werden erörtert, zum Beispiel die Nachbildung der Durchdringung diffusionsfähiger Medien mit Schadstoffen und die Objektvereinzelung.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Médecine : Nancy 1 : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre.

Die Erregungsausbreitung in neuronalen Systemen beruht auf materieller Grundlage, Transmittermoleküle werden präsynaptisch emittiert und postsynaptisch absorbiert. Emission und Absorption sind einander sich selbst verursachende Prozesse, sie sind voneinander ereignisabhängig und damit nur schwer zu unterscheiden. Diese Schwierigkeit wird prekär, wenn es darum geht, den Prozeß der Erregungsausbreitung technisch modellieren und simulieren zu wollen. Im Verlaufe der Simulation bilden sich Abhängigkeiten heraus, deren Ursachen nicht mehr vereinzelt werden können. Demzufolge ist es schwierig, das Verhalten des Simulationsmodells zu prognostizieren. Gleichermaßen schwierig ist es aber auch, das gezeigte Verhalten zweifelsfrei interpretieren zu wollen. Aus diesem Grunde macht es sich erforderlich, das Verhalten eines neuronalen Netzes auf analytischem Wege zu beschreiben. Erschwerend wirkt hierbei der Umstand, daß es innerhalb des Netzes voneinander ereignisabhängige Prozesse gibt, die sich selbst verursachen. Zur Beschreibung dessen gibt es zwei in Raum und Zeit variable Parameter: erstens die Vorzugsorientierung bei der Erregungsausbreitung, bezeichnet als "Beweglichkeit", und zweitens die Durchlässigkeit des Netzes für den Erregungstransport, bezeichnet als "Diffusionskoeffizient". Diese beiden Parameter werden hergenommen, um eine vektoranalytische Beschreibungsgleichung abzuleiten, Unterschiede zu "klassischen" neuronalen Netzen werden herausgestellt.

Univ., Diss.--Kiel, 2007. / Internetausg.: http://eldiss.uni-kiel.de/macau/receive/dissertation_diss_00002606.

Tübingen, Univ., Diss., 2007.

Tübingen, Univ., Diss., 2006.

Pas de résumé en français / Pas de résumé en anglais