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Yes / Despite intense attention from biomedical and chemical researchers, there are few approved treatments for amyotrophic lateral sclerosis (ALS), with only riluzole (Rilutek) and edaravone (Radicava) currently available to patients. Moreover, the mechanistic basis of the activity of these drugs is currently not well-defined, limiting the ability to design new medicines for ALS. This Letter describes the synthesis of triazole-containing riluzole analogues, and their testing in a novel neuroprotective assay. Seven compounds were identified as having neuroprotective activity, with two compounds having similar activity to riluzole.

Les champs électromagnétiques sont couramment utilisés pour stimuler de manière non-invasive le cerveau humain soit à des fins thérapeutiques ou dans un contexte de recherche. Les effets de la stimulation magnétique varient en fonction de la fréquence et de l'intensité du champ magnétique. Les mécanismes mis en jeu restent inconnus, d'autant plus lors de stimulations à faible intensité. Dans cette thèse, nous avons évalué les effets de stimulations magnétiques répétées à différentes fréquences appliqués à faible intensité (10-13 mT ; Low Intensity Repetitive Magnetic Stimulation : LI-rMS) in vitro, sur des cultures corticales primaires et sur des modèles de réparation neuronale. De plus, nous décrivons une méthodologie pour la construction d'un dispositif instrumental fait sur mesure pour stimuler des cultures cellulaires.Les résultats montrent des effets dépendant de la fréquence sur la libération du calcium des stocks intracellulaires, sur la mort cellulaire, sur la croissance des neurites, sur la réparation neuronale, sur l'activation des neurones et sur l'expression de gènes impliqués. En conclusion, nous avons montré pour la première fois un nouveau mécanisme d'activation cellulaire par les champs magnétiques à faible intensité. Cette activation se fait en l'absence d'induction de potentiels d'action. Les résultats soulignent l'importance biologique de la LI-rMS par elle-même mais aussi en association avec les effets de la rTMS à haute intensité. Une meilleure compréhension des effets fondamentaux de la LI-rMS sur les tissus biologiques est nécessaire afin de mettre au point des applications thérapeutiques efficaces pour le traitement des conditions neurologiques. / Electromagnetic fields are widely used to non-invasively stimulate the human brain in clinical treatment and research. This thesis investigates the effects of different low intensity (mT) repetitive magnetic stimulation (LI-rMS) parameters on single neurons and neural networks and describes key aspects of custom tailored LI-rMS delivery in vitro. Our results show stimulation specific effects of LI-rMS on cell survival, neuronal morphology, neural circuit repair and gene expression. We show novel mechanisms underlying cellular responses to stimulation below neuronal firing threshold, extending our understanding of the fundamental effects of LI-rMS on biological tissue which is essential to better tailor therapeutic applications.

Le TIMP-1, inhibiteur naturel des métalloprotéinases matricielles, exerce des effets pléïotropes indépendants de l'inhibition des MMPs et participe au développement de certains cancers et maladies neurodégénératives. Ces effets cytokiniques du TIMP-1 impliquent sa liaison à des récepteurs membranaires dont certains sont caractérisés, la glycoprotéine CD63/intégrine beta 1 et le complexe pro MMP-9/CD44. Cependant les acides aminés ou les domaines du TIMP-1 se liant à ces récepteurs ne sont pas identifiés. Les travaux réalisés au cours de cette thèse mettent en évidence un nouveau récepteur du TIMP-1, la protéine LRP-1. Dans les neurones corticaux murins, le TIMP-1 se fixe aux domaines DII et DIV de LRP-1, est endocyté et induit une réduction de la taille des neurites ainsi qu'une augmentation du volume des cônes de croissance. Afin de caractériser cette interaction, nous avons utilisé une approche originale de modélisation moléculaire associant les analyses de modes normaux et la dynamique moléculaire. Ces analyses in silico ont permis d'identifier un mouvement de pince entre les domaines N et C-terminaux du TIMP-1. Nous avons muté trois résidus (F12, K47 et W105) localisés dans une région essentielle d'un point vue énergétique à l'exécution de ce mouvement. Ces trois mutants n'ont pas d'effet sur la longueur du réseau neuritique et ne sont pas endocytés par LRP-1. En revanche, ils interagissent avec les 2 autres récepteurs (CD63 et proMMP-9) et reproduisent les effets du TIMP-1 sauvage. De plus, nous avons identifié une séquence de 6 acides aminés localisée dans le domaine extracellulaire I de CD63 et essentielle à la liaison avec le TIMP-1. L'ensemble de ces travaux a permis l'identification de régions impliquées dans l'interaction du TIMP-1 avec ses différents récepteurs et pourrait permettre le développement de nouveaux outils pharmacologiques ciblant les activités cytokiniques du TIMP-1. / TIMP-1, a natural inhibitor of matrix metalloproteinases, exerts pleiotropic effects independent of MMP inhibition and thus participates to the development of some cancers and neurodegenerative disorders. These cytokine-like activities require TIMP-1 binding to membrane receptors. Up to date two receptors, CD63/integrin beta 1 and proMMP-9/CD44, have been characterized. Nevertheless, TIMP-1 residues or regions binding these receptors remain unknown. In this work, we have identified the protein LRP-1 as a new receptor for TIMP 1. In mouse cortical neurons, TIMP-1 preferentially binds DII and DIV domains of LRP-1, is internalized via a LRP-1-dependent endocytosis, reduces neurite length and increases growth cone volume. To go deeper into TIMP-1/LRP-1 interaction, we used an original molecular modeling approach which combined normal mode analysis and molecular dynamic. These in silico studies allow us to point out a clamp movement between the N- and C-terminal domains of TIMP-1. Three residues localized in a region that seems essential for the movement have been mutated (F12, K47 and W105) and single mutants have been produced. These mutants do not reduce neurite outgrowth and are not internalized by LRP-1. In contrast, they interact with the two others receptors proMMP-9 and CD63 and induce associated biological effects. Furthermore, we have identified a sequence of six residues localized in the CD63 extracellular domain I and essential for TIMP 1 binding. The set of our data highlighted new regions of TIMP-1 interacting with its receptors and could lead to design novel therapeutic agents targeting the TIMP-1 cytokine like activities.

For almost a century, the electrical properties of the brain and the nervous system have been investigated to gain a better understanding of their mechanisms and to find cures for pathological conditions. Despite the fact that today's advancements in surgical techniques, research, and medical imaging have improved our ability to treat brain disorders, our knowledge of the brain and its functions is still limited. Culturing dissociated cortical neurons on Micro-Electrode Array dishes is a powerful experimental tool for investigating functional and structural characteristics of in-vitro neuronal networks, such as the cellular basis of brain learning, memory and synaptic developmental plasticity. This dissertation focuses on combining MEAs with novel electrophysiology experimental paradigms and statistical data analysis to investigate the mechanisms that regulate brain development at the level of synaptic formation and growth cones. The goal is to use a mathematical approach and specifically designed experiments to investigate whether dissociated neuronal networks can dependably display long and short-term plasticity, which are thought to be the building blocks of memory formation in the brain. Quantifying the functional evolution of dissociated neuronal networks during in- vitro development, using a statistical analysis tool was the first aim of this work. The results of the False Discovery Rate analysis show an evolution in network activity with changes in both the number of statistically significant stimulus/recording pairs as well as the average length of connections and the number of connections per active node. It is therefore proposed that the FDR analysis combined with two metrics, the average connection length and the number of highly connected "supernodes" is a valuable technique for describing neuronal connectivity in MEA dishes. Furthermore, the statistical analysis indicates that cultures dissociated from the same brain tissue display trends in their temporal evolution that are more similar than those obtained with respect to different batches. The second aim of this dissertation was to investigate long and short-term plasticity responsible for memory formation in dissociated neuronal networks. In order to address this issue, a set of experiments was designed and implemented in which the MEA electrode grid was divided into four quadrants, two of which were chronically stimulated, every two days for one hour with a stimulation paradigm that varied over time. Overall network and quadrant responses were then analyzed to quantify what level of plasticity took place in the network and how this was due to the stimulation interruption. The results demonstrate that here were no spatial differences in the stimulus-evoked activity within quadrants. Furthermore, the implemented stimulation protocol induced depression effects in the neuronal networks as demonstrated by the consistently lower network activity following stimulation sessions. Finally, the analysis demonstrated that the inhibitory effects of the stimulation decreased over time, thus suggesting a habituation phenomenon. These findings are sufficient to conclude that electrical stimulation is an important tool to interact with dissociated neuronal cultures, but localized stimuli are not enough to drive spatial synaptic potentiation or depression. On the contrary, the ability to modulate synaptic temporal plasticity was a feasible task to achieve by chronic network stimulation. / Electrical and Computer Engineering

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / This thesis provides evidence to support the hypothesis that synaptic plasticity in the primary somatosensory cortex is a cellular correlate of associative learning, that the process depends upon acetylcholine and that only certain cortical neurons display this plasticity. In a first series of experiments, single-imit recordings were carried out in the barrel cortex of awake, adult rats subjected to whisker pairing, an associative learning paradigm where deflections of the recorded neuron's principle vibrissa were repeatedly paired with those of a non-adjacent one. On average, this form of sensory preconditioning increased the responses of a recorded unit to the stimulation of the non-adjacent vibrissa. In contrast, following explicitly unpaired control experiments, neuronal responsiveness decreased. The effect of pairing was further enhanced by local, microiontophoretic delivery of NMDA and the nitric oxide synthase inhibitor L-NAME and reduced by the NMDA receptor competitive antagonist AP5. These results and the fact that the influence of the pharmacological agents on neuronal excitability were either transient (liinited to the delivery period) or simply absent indicated that the somatosensory cerebral cortex is one site where plasticity emerges following whisker pairing. In subsequent experiments, using a similar conditioning paradigm that relied on evoked potential rather than single-unit recordings, increases in the responses of cortical neurons to the non-adjacent whisker were blocked by atropine sulfate, an antagonist of muscarinic cholinoreceptors. Administration of norn-ial saline or atropine methyl nitrate, a muscarinic antagonist that did not cross the blood-brain barrier, instead of atropine sulfate, did not affect plasticity. Analysis of the behavioral state of the animal showed that the changes observed in the evoked potential could not be attributed to fluctuations m the behavioral state of the animal. By combining the results described in this thesis with data foimd in related literature, the author hypothesizes that whisker pairing induces an acetylcholine-dependent form of plasticity within the somatosensory cortex through Hebbian mechanisms.

La synaptogenèse est un processus biologique aboutissant à la mise en place d’un réseau de connexions neuronales, par la genèse de synapses. La mise en place de ce réseau de connexions est essentielle au développement du système nerveux central (SNC) et de ses fonctions. Tout comme les autres étapes du développement du SNC, la synaptogenèse est régulée par une multitude de signaux cellulaires, et le système endocannabinoïde en fait partie. Les dérivés du cannabis tel que le Δ-9-tétrahydrocannabinol (THC) et le cannabidiol (CBD) sont capables de traverser la barrière placentaire et de se retrouver dans le lait maternel. Par leur interaction avec le SNC, entre autres, ces phytocannabinoïdes sont capables d’influencer son développement. Le récepteur couplé à une protéine G 55 (GPR55) est catégorisé comme récepteur atypique du système endocannabinoïde, et il est capable d’être antagonisé par le CBD. Il a été prouvé par de précédentes études qu’il est lui aussi impliqué dans le développement du SNC, notamment dans le guidage et la croissance des axones durant les périodes fœtale et périnatale. Dans la littérature, il est souvent rapporté que les signaux impliqués dans le guidage axonal le sont aussi dans la synaptogenèse. C’est pourquoi le présent mémoire vise à examiner le rôle du récepteur GPR55 et l’effet de sa modulation par le CBD dans la formation de contacts synaptiques. Le modèle utilisé pour cette étude est la culture de neurones corticaux issus d’embryons de souris de génotypes gpr55+/+ et gpr55-/-. Pour comprendre le rôle physiologique de GPR55 dans la synaptogenèse nous avons étudié l’effet de la délétion du récepteur GPR55 à deux temps, Day In Vitro (DIV) 9-10 au début de la synaptogenèse, et à DIV14-15 un temps plus avancé. Ensuite pour comprendre comment le CBD est capable d’influencer la formation de contacts synaptiques de manière dépendante ou non de GPR55, les cultures de neurones corticaux de chaque génotype ont été exposées à DIV9 pour 24h à différentes concentrations du CBD (0,3uM ou 0,6uM ou 1uM). Les effets sur la formation de contacts synaptiques ont été étudiés en immunocytochimie, en immunobuvardage et en électrophysiologie de type patch clamp. Les résultats montrent que la délétion de GPR55 entraine à DIV14-15 une augmentation de la densité des contacts synaptiques, mais une réduction de leur aire et de l’expression de la synaptophysine, en affectant l’activité synaptique. L’exposition au CBD 0,6uM et 1uM entrainent de manière dépendante ou partiellement dépendante à GPR55, une augmentation de la densité des contacts synaptiques sans affecter leur aire, l’expression de protéines synaptiques ainsi que l’activité synaptique. La fréquence de décharge des neurones est diminuée de manière dépendante de GPR55 après l’exposition au CBD 1uM. Ces résultats suggèrent que GPR55 pourrait être un signal important pour l’arrêt de la formation de nouvelles synapses et un signal d’induction pour la maturation des synapses existantes. / Synaptogenesis is a biological process that leads to the establishment of a network of neuronal connections through the genesis of synapses. The formation of this network of connections is essential for the development of the central nervous system (CNS) and its functions. Like other stages of CNS development, synaptogenesis is regulated by multiple cellular signals, and the endocannabinoid system is part of it. Cannabis derivatives such as Δ-9-tetrahydrocannabinol (THC) and cannabidiol (CBD) can cross the placental barrier and be present in breast milk. Through their interaction with the endocannabinoid system, among others, these phytocannabinoids can influence CNS development. The G protein-coupled receptor 55 (GPR55) is categorized as an atypical receptor of the endocannabinoid system, and it can be antagonized by CBD. Previous studies have shown that GPR55 is also involved in CNS development, particularly in the guidance and growth of axons during fetal and perinatal periods. It is often reported in the literature that the signals involved in axonal guidance are also involved in synaptogenesis. Therefore, this study investigates the role of the GPR55 receptor and the effect of its modulation by CBD in the formation of synaptic contacts. The model used for this study consists of cortical neuron cultures from mouse embryos gpr55+/+ and gpr55-/- . To understand the physiological role of GPR55 in synaptogenesis, we studied the effect of gpr55 deletion at two-time points: Day In Vitro (DIV) 9- 10 at the beginning of synaptogenesis, and DIV14-15 at a later time point. Then, to understand how CBD can influence the formation of synaptic contacts, whether dependent or independent of GPR55, cortical neuron cultures of each genotype were exposed to different concentrations of CBD (0.3µM or 0.6µM or 1µM) at DIV9 for 24 hours. The effects on the formation of synaptic contacts were studied through immunocytochemistry, western blot, and patch clamp electrophysiology. The results show that gpr55 deletion leads to an increase in synaptic contact density at DIV14-15 but a reduction in their area and synaptophysin expression, by affecting synaptic activity. Exposure to 0.6µM and 1µM CBD results in a GPR55-dependent or partially dependent increase in synaptic contact density without affecting their area, expression of synaptic proteins, and synaptic activity. The firing frequency of neurons is decreased in a GPR55- dependent manner after exposure to 1µM CBD. These results suggest that GPR55 could be an important signal for stopping the formation of new synapses and an induction signal for the maturation of existing synapses.

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