Adult neural precursor cells (NPCs) are a heterogeneous population of mitotically active, self-renewing multipotent cells of both adult and developing CNS. They can be expanded in vitro in the presence of mitogens. The B05 transgenic SCA1 mice, expressing human ataxin-1 with an expanded polyglutamine tract in cerebellar Purkinje cells (PCs), recapitulate many pathological and behavioral characteristics of the neurodegenerative disease spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1), including progressive ataxia and PC loss. We transplanted neural precursor cells (NPCs) derived from the subventricular zone of GFP-expressing adult mice into the cerebellar white matter of SCA1 mice when they showed absent (5 weeks), initial (13 weeks) and significant PC loss (24 weeks). A stereological count demonstrates that mice with significant cell loss exhibit highest survival of grafted NPCs and migration to the vicinity of PCs as compared to wt and younger grafted animals. These animals showed improved motor skills as compared to sham animals. Confocal analysis and profiling shows that many of implanted cells present in the cerebellar cortex have formed gap junctions with host PCs and express connexin43. Grafted cells did not adopt characteristics of PCs, but stereological and morphometric analysis of the cerebellar cortex revealed that grafted animals had more surviving PCs and a better preserved morphology of these cells than the control groups. Perforated patch clamp recordings revealed a normalization of the PC basal membrane potential, which was abnormally depolarized in sham-treated animals. No significant increase in levels of several neurotrophic factors was observed, suggesting, along with morphological observation, that the neuroprotective effect of grafted NPCs was mediated by direct contact with the host PCs. In this study, evidence for a neuroprotective effect came, in addition to motor behavior improvement, from stereological and electrophysiological analyses and suggest that timing of stem cell delivery is important to determine its therapeutic effect.<p>In a brain stem cell niche, NSCs reside in a complex cellular and extracellular microenvironment comprising their own progeny, ependymal cells, numerous blood vessels and various extracellular matrix molecules. Recently, it was reported that blood vessel ECs-NSCs crosstalk plays an important role in tissue homeostasis. Bloodstream offers a natural delivery vehicle especially in case of diffuse neurodegenerative diseases which require widespread distribution of exogenous cells. As NSCs are confronted with blood-brain barrier endothelial cells (BBB-ECs) before they can enter into brain parenchyma, we investigated their interaction using primary cultures in an in vitro BBB model. We isolated human fetal neural precursor cells (hfNPCs) from aborted fetal brain tissues and expanded in vitro. We showed that in an in vitro model, human BBB endothelium induces the rapid differentiation of hfNPCs and allows them to cross the endothelial monolayer, with the differentiated progeny remaining in close contact with endothelial cells. These results are not reproduced when using a non-BBB endothelium and are partly dependent on the cytokine MCP1. Our data suggest that, in the presence of attractive signals released by a damaged brain, intravascularly administered NPCs can move across an intact BBB endothelium and differentiate in its vicinity. Overall, our findings have implications for the development of cellular therapies for cerebellar degenerative diseases and understanding of the brain stem cell niche. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors are a subclass of glutamate receptors that play an essential role in mediating excitatory neurotransmission and synaptic plasticity in the mammalian central nervous system (CNS). The activation of NMDA receptors plays a key role in brain development and memory formation. Abnormal regulation of NMDA receptors plays a critical role in the etiology of many neuropsychiatric disorders. NMDA receptors form a heterotetrameric complex composed of GluN1, GluN2(A-D) and GluN3(A, B) subunits. The NMDA receptors surface expression is regulated at multiple levels including early processing (synthesis, subunit assembly, endoplasmic reticulum (ER) processing, intracellular trafficking to the cell surface), internalization, recycling and degradation. NMDA receptors are regulated by the availability of GluN subunits within the ER, the presence of ER retention and export signals, and posttranslational modifications including phosphorylation and palmitoylation. However, the role of N-glycosylation in regulating of NMDA receptor processing has not been studied in detail. The aim of this study was to clarify the mechanisms of regulation of surface expression and functional properties of NMDA receptors. We used a combination of molecular biology, microscopy, biochemistry and...

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La démyélinisation et la mort oligodendrocytaire sont bien connues dans la sclérose en plaques (SEP). Au cours de ces dernières années, plusieurs études ont également décrit ce type de lésion après un traumatisme crânien (TC), participant à l’aggravation des lésions de la substance blanche, responsables des dysfonctionnements cognitifs et moteurs. Malgré de nombreux efforts, aucune thérapie efficace n’est disponible à ce jour pour traiter les lésions de la substance blanche. Dans ce contexte, une stratégie thérapeutique prometteuse serait de freiner la neuro-inflammation et la démyélinisation, en plus de promouvoir la maturation des oligodendrocytes afin de favoriser la remyélinisation des axones et de limiter ainsi leur dégénérescence. Notre choix de stratégie porte sur la stimulation des processus de réparation endogène via la protéine neuroprotectrice et neurotrophique sAPPα, forme soluble de la protéine βAPP libérée par l’action des α-sécrétases (ADAM10). Dans ce contexte, l’objectif de mes travaux de thèse était d’étudier l’intérêt thérapeutique de l’étazolate, un activateur desα-sécrétases, sur les conséquences biochimiques, histologiques et fonctionnelles, dans différents modèles de TC et de SEP in vivo chez la souris, et ex vivo sur des tranches organotypiques de cervelet. Les résultats obtenus sur le modèle de TC par percussion mécanique chez la souris ont montré pour la première fois le potentiel anti-inflammatoire de l’étazolate, associé à la restauration du taux de la sAPPα. De plus, l’étazolate s’est également opposé aux troubles fonctionnels post-TC tels que l’hyperactivité locomotrice et le déficit cognitif à court et à long terme. Par la suite, j’ai développé un nouveau modèle ex vivo de TC par percussion mécanique sur des tranches organotypiques de cervelet. Nous avons montré pour la première fois que l’étazolate était neuroprotecteur dans le tissu cérébelleux, et qu’il s’opposait à la démyélinisation post-traumatique. Par ailleurs, les effets bénéfiques de l’étazolate sur les gaines de myéline ont été reproduits dans un modèle ex vivo de démyélinisation induite par la lysolécithine, modèle ex vivo de SEP. De façon intéressante nous avons montré que l’étazolate exerçait un effet remyélinisant en stimulant la différenciation des oligodendrocytes. Cet effet a été reproduit in vitro dans des cultures primaires mixtes de cellules gliales issues de souris PLP-eGFP, où la maturation morphologique des oligodendrocytes a été favorisée en présence d’étazolate. L’ensemble des effets bénéfiques exercés par l’étazolate a été inhibé en présence d’un inhibiteur pharmacologique spécifique d’ADAM10, le GI254023X, suggérant que l’effet remyélinisant de l’étazolate dépend, au moins en partie, d’ADAM10. Par la suite, l’effet remyélinisant de l’étazolate a été étudié dans un modèle in vivo de démyélinisation chronique induite par la cuprizone. Dans ce modèle, l’étazolate a été capable de promouvoir la remyélinisation en stimulant la différenciation des oligodendrocytes, confirmant nos résultats in vitro et ex vivo. L’ensemble de mon travail permet de considérer le potentiel thérapeutique de l’étazolate, en visant l’ADAM10 comme nouvelle cible thérapeutique neuroprotectrice et remyélinisante. Cela aura pour intérêt de limiter la neuro-inflammation, la démyélinisation, ainsi que de promouvoir la différenciation des oligodendrocytes et la remyélinisation, afin de favoriser la récupération fonctionnelle suite aux lésions de la substance blanche survenant après un TC ou la SEP chez l’homme. / Demyelination and oligodendrocyte cell death are well established in multiple sclerosis (MS) and are increasingly described after traumatic brain injury (TBI), participating in the aggravation of white matter injury responsible of motor and cognitive deficits. Despite many efforts in clinical research, no efficient therapy against white matter injury progression is available nowadays. Thus, promoting remyelination and counteracting neuroinflammation and demyelination are major therapeutic strategies in order to restore white matter integrity. Here, we studied the stimulation of endogenous repair mechanisms through the neuroprotective and neurotrophic protein sAPPα, the soluble form of βAPP protein released by the α-secretases (ADAM10). In this context, the aim of this work was to evaluate the therapeutic potential of etazolate, an α-secretase activator on short- and long-term biochemical, histological and functional outcome in different mouse models of TBI and MS in vivo, and ex vivo on organotypic cerebellar slices. The results obtained from the TBI mouse model by mechanical percussion showed for the first time the anti-inflammatory effect of etazolate associated to a restoration of sAPPα levels. The same treatment was able to attenuate functional deficits (hyperactivity, cognitive deficit). We also developed a new ex vivo model of TBI by mechanical percussion on organotypic cerebellar slices. We confirmed the neuroprotective effect of etazolate on cerebellar tissue reducing the lesion size. Interestingly, etazolate treatment attenuated post-traumatic ex vivo demyelination. Moreover, the beneficial effect of etazolate on myelin sheaths have been well reproduced after lysolecithin-induced demyelination, an ex vivo model of MS. Interestingly, etazolate was able to enhance remyelination promoting oligodendrocyte differentiation. This effect has been reproduced in the primary mixed glial culture from PLP-eGFP mice, enhancing oligodendrocyte morphological maturation. However, etazolate failed to promote its beneficial effects in the presence of GI254023X, a specific ADAM10 (α-secretase) inhibitor, suggesting that the mechanism of action of etazolate is partly through the activation of ADAM10. Furthermore, etazolate reproduced in vivo the oligodendrocyte differentiation, accompanied by an increase of the myelinated axons, observed by electron microscopy in a mouse model of cuprizone-induced chronic demyelination. Taken together, the findings of this work provide a first evidence for the therapeutic potential of etazolate, with ADAM10 as new therapeutic target in white matter repair. The interest of this approach is to attenuate neuroinflammation and demyelination and to enhance oligodendrocyte differentiation and thus remyelination, in order to promote functional recovery following white matter lesions arising after TBI or MS.

Les neurones sont des cellules excitables capables de coder et transmettre l’information sous forme d’oscillations du potentiel membranaire. Cette activité électrique est produite par une modification des flux ioniques transmembranaires. Les neurones constituent un exemple d’oscillateur cellulaire dont la dynamique non linéaire permet l’apparition d’une activité électrique complexe. Dans ce système, les ions calciques sont des messagers intracellulaires importants. Ils servent de médiateur entre un signal électrique et un signal chimique, par une modulation de l’activité enzymatique de certaines protéines. Ils interviennent dans de nombreuses fonctions neuronales, dont l’excitabilité électrique. Un des mécanismes mis en place par les neurones pour contrôler l’homéostasie du calcium intracellulaire provient de protéines cytoplasmiques capables de lier les ions calciques. Ces protéines jouent un rôle de « tampon » du calcium. Cependant, toutes leurs fonctions n’ont pas encore été mises en évidence. C’est l’objectif de notre travail. Nous avons voulu comprendre le rôle joué par une protéine « tampon » particulière, la calrétinine, sur le mode de décharge électrique d’un neurone où elle est exprimée en abondance, le grain cérébelleux. Pour cela, nous avons utilisé une approche théorique et expérimentale. <p>Au niveau théorique, nous avons élaboré un modèle mathématique de l’activité électrique du grain cérébelleux, prenant en compte la chélation du calcium intracellulaire. Il permet de clarifier le rôle de la chélation du calcium intracellulaire sur les oscillations du potentiel membranaire. La modélisation de l’activité électrique du grain cérébelleux repose sur le formalisme développé par Hodgkin et Huxley pour l’axone géant de calmar. Dans ce contexte, l’application de la conservation de la charge au circuit équivalent de la membrane cellulaire fournit un système d’équations différentielles ordinaires, non linéaires. Dès lors, notre modèle nous a permis d’étudier l’impact des variations de la concentration de chélateur calcique sur les oscillations du potentiel membranaire. Nous avons ainsi pu constater qu’une diminution de la concentration en chélateur calcique induisait une augmentation de l’excitabilité électrique du grain cérébelleux, sans altérer le régime d’oscillations. Par contre, en augmentant fortement la concentration en chélateur calcique, nous avons montré que le grain cérébelleux changeait de dynamique oscillatoire, montrant des transitions d’un mode de décharge périodique régulier vers des oscillations en salve du potentiel membranaire.<p>Au niveau expérimental, nous avons vérifié les résultats prévus par le modèle théorique. Nous avons ainsi montré que des grains de souris transgéniques déficientes en calrétinine présentaient une excitabilité électrique accrue par rapport aux grains contrôles.<p>Puis, en restaurant un niveau de chélation calcique normal dans ces grains, par perfusion intracellulaire de chélateur calcique, nous montrons qu’ils retrouvent un niveau d’excitabilité normal. Ensuite, nous avons introduit dans des grains cérébelleux de souris sauvages, une forte concentration en chélateur calcique exogène. Conformément aux résultats théoriques, nous avons pu observer des transitions vers des oscillations en salve du potentiel membranaire. Enfin, nous avons montré que l’absence de calrétinine affecte les paramètres morphologiques du grain cérébelleux des souris transgéniques déficientes en calrétinine.<p>En conclusion, ces résultats suggèrent que le mode de décharge des cellules excitables peut être modulé d’une façon importante par les protéines liant le calcium. De ce fait, des changements dans le niveau d’expression et/ou dans la localisation subcellulaire des protéines liant le calcium pourraient aussi jouer un rôle critique dans la régulation de processus physiologiques contrôlés par l’excitabilité membranaire. De plus, les mécanismes que nous avons mis en évidence pourraient être à l’origine d’un nouveau principe de régulation de la signalisation dans les circuits neuronaux et pourraient jouer un rôle fonctionnel dans le contrôle du codage de l’information et de son stockage dans le système nerveux central. / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le cervelet permet l’apprentissage moteur et la coordination des mouvements fins. Pour ce faire, il intègre les informations sensorielles provenant de l’ensemble du corps ainsi que les commandes motrices émises par d’autres structures du système nerveux central. Les noyaux cérébelleux profonds (DCN) constituent la sortie du cervelet et intègre les informations provenant des cellules de Purkinje (PC), des fibres moussues et des fibres grimpantes. Nous avons étudié les connexions fonctionnelles entres les PC et les DNC in vivo, grâce à une stimulation optogénétique des lobules IV/V du cortex cérébelleux et à l’enregistrement multi unitaire du noyau médian. Nous avons ainsi identifié deux groupes de cellules au sein des DCN, présentant des caractéristiques propres au niveau de leur fréquence de décharge et de la forme des potentiels d’action, en accord avec la dichotomie établie par une précédente étude in vitro permettant de séparer les neurones GABAergiques des autres neurones. Nos résultats suggèrent que les PC contrôlent la sotie du cervelet d’un point de vue temporel. De plus, la ciruiterie interne des DCN conforte ce résultat de part le fait que les cellules GABAergiques ne produisent pas d’effet temporel au travers de l’inhibition locale. / The cerebellum integrates motor commands with somatosensory, vestibular, visual and auditory information for motor learning and coordination functions. The deep cerebellar nuclei (DCN) generates the final output by processing inputs from Purkinje cells (PC), mossy and climbing fibers. We investigated the properties of PC connections to DCN cells using optogenetic stimulation in L7-ChR2 mice with in vivo multi electrode extracellular recordings in lobule IV/V of the cerebellar cortex and in the medial nuclei. DCN cells discharged phase locked to local field potentials in the beta, gamma and high frequency bands. We identified two groups of DCN cells with significant differences in action potential waveforms and firing rates, matching previously discriminated in vitro properties of GABAergic and non-GABAergic cells. PCs inhibited the two group of cells gradually (rate coding), however spike times were controlled for only non-GABAergic cells. Our results suggest that PC inputs temporally control the output of cerebellum and the internal DCN circuitry supports this phenomenon since GABAergic cells do not induce a temporal effect through local inhibition.

Cerebellar organization and function have been studied in numerous species of fish. Fish models such as goldfish and weakly electric fish have led to important findings about the cerebellar architecture, cerebellar circuit physiology and brain evolution. However, most of the studied fish models are not well suited for developmental and genetic studies of the cerebellum. The rapid transparent ex utero development in zebrafish allows direct access and precise visualization of all the major events in cerebellar development. The superficial position of the cerebellar primordium and cerebellum further facilitates in vivo imaging of cerebellar structures and developmental events at single cell resolution. Furthermore, zebrafish is amenable to high-throughput screening techniques and forward genetics because of its fecundity and easy keeping. Forward genetics screens in zebrafish have resulted in several isolated cerebellar mutants and substantially contributed to the understanding of the genetic networks involved in hindbrain development (Bae et al. 2009; Brand et al. 1996). Recent developments in genetic tools, including the use of site specific recombinases, efficient transgenesis, inducible gene expression systems, and the targeted genome lesioning technologies TALEN and Cas9/CRISPR has opened up new avenues to manipulate and edit the genome of zebrafish (Hans et al. 2009; Scott 2009; Housden et al. 2016; Li et al. 2016)}. These tools enable the use of genome-wide genetic approaches, such as enhancer/exon traps and cell specific temporal control of gene expression in zebrafish. Several seminal papers have used these technologies to successfully elucidate mechanisms involved in the morphogenesis, neurogenesis and cell migration in the cerebellum (Bae et al. 2009; Chaplin et al. ; Hans et al. 2009; Volkmann et al. ; Volkmann et al. 2008). In addition, the use of genetically encoded sensors and probes that allows detection and manipulation of neuronal activity using optical methods have open up new means to study the physiology and function of the cerebellum (Simmich et al. 2012; Matsui et al. 2014). Taken together, these features have allowed zebrafish to emerge as a complete model for studies of molecular, cellular and physiological mechanisms involved in cerebellar development and function at both cell and circuit level.