During development, axons respond to a variety of guidance cues in the environment to navigate to the proper targets. Sonic hedgehog (Shh), a classical morphogen, has been shown to function as a guidance factor that directly acts on the growth cones of various types of axons. We previously found that Shh affects retinal ganglion cell (RGC) axonal growth and navigation in a concentration-dependent manner. However, the signaling pathways that mediate such events are still unclear. In this thesis, we show that high concentrations of Shh induce growth cone collapse and repulsive turning of the chick RGC through rapid increase of Ca2+ in the growth cone, and specific activation of PKCα and Rho signaling pathways. We further found that integrin linked kinase (ILK) acts as an immediate downstream effector of PKCα. PKCα directly phosphorylates ILK in vitro at two previously unidentified sites threonine-173 and -181. Inhibition of PKCα, Rho, and ILK by pharmacological inhibitors and/or dominant-negative approaches abolished the negative effects of high-concentration of Shh. We provide evidence that Rho likely functions downstream of PKC and suggest that PKC, Rho and ILK may cooperatively mediate the negative effects of high concentrations of Shh. Furthermore, retroviral expression of dominant-negative constructs of PKCα (DN-PKCα) and ILK-double mutants (ILK-DM) resulted in misguidance of RGC axons at the optic chiasm in vivo. These results demonstrate that new signaling pathways composed of PKCα, Rho, and ILK play an important role in Shh-induced axonal chemorepulsion. In contrast, we show that attractive axonal turning in response to low concentrations of Shh is independent of PKCα, but requires the activity of cyclic nucleotides cAMP. Taken together, our results suggest that the opposing effects of Shh on axon guidance are mediated by different signaling pathways.

Le glaucome, comme beaucoup d’autres maladies neurodégénératives, entraîne la mort des neurones et reste à ce jour incurable, représentant de ce fait un véritable fardeau pour la société. Il y a donc un réel besoin de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques afin de ralentir la progression, voire de guérir les maladies neurologiques. Depuis des décennies, les chercheurs qui étudient les blessures ainsi que les maladies qui affectent le système nerveux central (SNC) ont focalisé leur attention sur la compréhension des mécanismes impliqués dans la dégénérescence axonale afin d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques pour la protection et la régénération des axones. Mais des données récentes indiquent que des déficits dendritiques constituent une caractéristique précoce de la neurodégénérescence, un phénomène maintenant appelé la pathologie dendritique et qui jouerait un rôle prépondérant dans la pathogénèse des maladies neurodégénératives comme le glaucome. Parce que les dendrites représentent des structures essentielles pour la communication et la fonction neuronale, il est donc crucial de protéger et de restaurer non seulement les axones mais aussi les dendrites des neurones encore vivants afin d’améliorer la condition des patients. Malgré cela, la capacité des neurones à régénérer leurs arbres dendritiques reste encore largement inconnue. L’hypothèse centrale de cette thèse propose que : 1) les neurones du SNC peuvent faire repousser leurs dendrites après une blessure axonale, et 2) l’identification des voies de signalisation impliquées pourrait offrir de nouvelles possibilités thérapeutiques permettant de ralentir, voire de prévenir la dégénérescence des neurones rétiniens lors de pathologies oculaires telles que le glaucome. Dans la première partie de cette thèse, nous avons démontré que les neurones des mammifères sont pourvus d’une capacité à restaurer leur arbre dendritique et leurs connectivités synaptiques. Grâce à l’utilisation de souris transgénique soumis à une transsection du nerf optique (axotomie), nous avons montrés que les cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) subissent rapidement un rétrécissement dendritique, bien avant que les dommages axonaux ou la perte des soma ne soient visibles. Nous avons également démontré que l’administration quotidienne d’insuline, par voie topique (gouttes oculaires) ou systémique (injection intrapéritonéale) après la rétraction des dendrites mais avant la mort neuronale induit une régénération robuste des dendrites ainsi qu’une restauration des connections avec les cibles présynaptiques. De plus, cette régénération des arbres dendritiques suite au traitement d’insuline permet d’étendre la survie neuronale et de restaurer la réponse rétinienne à la lumière. Des expériences de perte de fonction ciblée via l’utilisation de petits ARN interférents ont révélé que la régénération induite par l’insuline requiert l’activité des deux complexes de la voie mTOR, mTORC1 et mTORC2. Ces derniers agissent de manière synergique, mTORC1 régulant l’apparition de nouvelles branches dendritiques pour restaurer la complexité des arbres alors que mTORC2 stimule l’élongation des dendrites. Dans la deuxième étude présentée dans cette thèse, nous avons montré pour la première fois que morgana, une protéine chaperonne en aval de mTORC2, est exprimée par les CGRs et que son expression est sévèrement inhibée rapidement après une blessure axonale. Nous avons également démontré que morgana est nécessaire au succès de la régénération ainsi que de la neuroprotection induite par le traitement d’insuline. De plus, nous avons montré que le rétablissement de l’expression de morgana spécifiquement dans les CGRs via l’utilisation d’un vecteur viral (AAV) mène à une régénération robuste non seulement de leurs dendrites mais aussi de leurs synapses. Ainsi, nous avons identifié un nouveau rôle pour la protéine morgana dans la régulation de la morphologie des arbres dendritiques des neurones adultes chez les mammifères. En conclusions, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes pathologiques impliqués dans la pathologie dendritique des CGRs et identifient des cibles prometteuses pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques dans le cadre des maladies neurodégénératives telles que le glaucome. / Glaucoma, just as many other neurodegenerative diseases, triggers neuronal death and remained incurable, hence representing a heavy burden for the society. Therefore, there is a critical need for developing new therapeutic strategies to delay the progression of and, ultimately, cure neurological conditions. For decades, neuroscientists studying injuries and diseases of the CNS have largely focused on understanding the mechanisms of axon degeneration to identify new targets for axonal protection and regeneration. But recent data indicates that dendritic deficits represent an early feature of neurodegeneration, a phenomenon now called dendritic pathology and playing a key role in the pathogenesis of neurodegenerative diseases including glaucoma. Because dendrites are essential structures for neuronal communication and function, it is therefore crucial to protect or restore connectivity as well as axons of surviving neurons to improve patients’ condition. In spite of this, the ability of injured neurons to regenerate dendrites remains largely ignored. The central hypothesis of the thesis is that: i) adult CNS neurons can regrow their dendrites after axonal injury, and ii) the identification of underlying signalling pathways would offer new therapeutic avenues to slow or prevent retinal ganglion cell death during ocular neuropathies such as glaucoma. In the first part of my thesis, I demonstrated that mammalian neurons are endowed with the ability to restore their dendritic arbor and synaptic connectivity. Using adult transgenic mice subjected to optic nerve axotomy, we have shown that retinal ganglion cells (RGCs) rapidly undergo dendritic shrinkage before cell death or axonal damage become visible. We also demonstrated that daily insulin, administered topically (eye drops) or systemically (intraperitoneal) after dendritic arbour shrinkage and prior to neuronal loss results in a robust regeneration of dendrites and successful reconnection with presynaptic targets. Moreover, insulin-mediated restoration of dendritic arbors extended neuronal survival and rescued lighttriggered retinal responses. Targeted loss-of-function experiments using siRNAs revealed that insulin-dependent regeneration requires both the activity of both mTOR complexes, mTORC1 and mTORC2 which act synergistically, mTORC1 promoting new dendritic branching to restore arbor complexity, while mTORC2 drives dendritic process elongation. In the second study presented in my thesis, we showed for the first time that morgana, a chaperone protein downstream of mTORC2, is expressed by RGCs and severely downregulated soon after axonal injury. We also demonstrate that morgana is required for successful insulinmediated regeneration of RGC dendrites and neuroprotection. Morgana specific knockdown using siRNA designed against morgana resulted in substantial alterations of dendrite elongation, without changes in arbor complexity. Further, we showed that AAV-mediated rescue of morgana expression selectively in RGCs promoted striking regeneration of dendrites and synapses. Hence, our findings identified a new role for morgana in the regulation of dendritic arbor morphology in adult mammalian neurons Collectively, the findings presented in this thesis contribute to a better understanding of the pathological mechanisms underlying RGC dendritic pathology and identified promising targets for the development of novel neuroprotective treatments for neurodegenerative diseases such as glaucoma.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Nerve growth factor (NGF) is a neurotrophin upregulated with injury and inflammation. Peripheral administration of NGF causes hyperalgesia and allodynia in animals. Blocking NGF signaling reverses these effects. At the cellular level, chronic exposure of sensory neurons to NGF enhances expression the neurotransmitter, calcitonin gene-related peptide (CGRP). Acute exposure to NGF increases capsaicin-evoked CGRP release from sensory neurons in culture. Thus, NGF increases peptide release from neurons by: (1) increasing expression of peptides, and/or (2) altering their sensitivity. The increase in peptide outflow by either mechanism could contribute to development of hyperalgesia and allodynia. The signaling cascades mediating the actions of NGF in sensory neurons are unclear. Therefore, experiments were designed to determine which pathways regulate changes in iCGRP content and evoked release from primary sensory neurons in culture. The Ras/MEK/ERK cascade was identified as a possible regulator of iCGRP expression in response to NGF. To test this pathway, it was manipulated in neurons by (1) expression of dominant negative or constitutively active isoforms of Ras, (2) farnesyltransferase inhibition, (3) manipulation of the RasGAP, synGAP, and (4) blocking MEK activity. When the pathway was blocked, the NGF-induced increase in iCGRP expression was attenuated. When the Ras pathway was activated, iCGRP expression increased. These data indicate that Ras, and downstream signaling kinases, MEK and ERK, regulate the NGF-induced increases in CGRP in sensory neurons. To determine which pathway(s) regulate the increase in capsaicin-evoked iCGRP release upon brief exposure to NGF, the Ras/MEK/ERK pathway was manipulated as described above, and pharmacological inhibitors of the PI3 kinase, PLC, and Src kinase pathways were used. There were no differences observed in NGF-sensitization when the Ras and PI3 kinase pathways were inhibited, suggesting these two pathways were not involved. However, when the Src kinase inhibitor PP2 was used, the NGF-induced increase in release was completely blocked. Furthermore, the PKC inhibitor, BIM, also inhibited the sensitization by NGF. This data indicate Src and PKC regulate of sensitivity of sensory neurons in response to brief exposure to NGF. Thus, there is differential regulation of iCGRP content and evoked release from sensory neurons in response to NGF.

Durchtrennte Axone adulter retinaler Ganglienzellen (RGZ) können in periphere Nerventransplantate (PNT) einwachsen, die als “bypass” des distalen Sehnervenstumpfes verwendet werden. Das Transplantationsmodell, bei dem der durchtrennte Sehnerv durch ein Ischiasnervsegment ersetzt wird, ist in der Regenerationsforschung ein seit Jahren fest etabliertes Verfahren. In dieser Arbeit soll der Frage nachgegangen werden, ob a) der Ersatz des Sehnervs durch ein peripheres Nervensegment RGZ über einen langen Zeitraum hinweg morphologisch und funktionell stabilisiert, ob b) Unterschiede der Stabilisierung in Abhängigkeit von der Hirnregion, mit der das PNT in Kontakt tritt, zu beobachten sind und c) inwieweit regenerierende RGZ dadurch selbst peripher-nervöse Eigenschaften annehmen. Der Sehnerv adulter Ratten wurde zunächst komplett intraorbital durchtrennt. Der okuläre Stumpf wurde über ein autologes Ischiasnervsegment mit verschiedenen visuellen Zentren (Kortex, Mittelhirn) oder mit Fremdzielgebieten (z. B. Muskel) verbunden. Weitere Kontrollgruppen bestanden in der Quetschung des Sehnervs, der Durchtrennung ohne Transplantation und der Transplantation mit blind endendem Transplantat. Die Netzhautintegrität wurde pupillometrisch und elektroretinographisch regelmäßig überprüft, um eine eventuelle, funktionelle Wiederherstellung der visuellen Bahn zu erfassen. Nach einem, sechs und neun Monaten wurden die regenerierenden bzw. axotomierten oder gequetschten RGZ mit 4-(4-(didecylamino)styryl)-N-methylpyridinium (4-Di-10-ASP) retrograd markiert und morphometrisch quantifiziert (Fluoreszenz-, Konfokal- und Elektronenmikroskopie sowie Differentialinterferenzkontrast). Zusätzlich wurden immunhistochemische und anterograde Markierungsuntersuchungen durchgeführt. Regenerierende Ganglienzellen bleiben bis neun Monate nach der Transplantation am Nervus opticus stabil. Es gibt quantitative sowie morphometrisch erfassbare Unterschiede zwischen den experimentellen Gruppen und den Kontrollen, wobei die wieder verbundenen Ganglienzellen morphologisch am besten zu klassifizieren sind. Quantitativ zeigen die Retinae mit gequetschtem Sehnerv nach sechs Monaten die höchste Überlebensrate der RGZ. Die Effektivität dieses Verfahrens als Modell der zentralen Nervenläsion darf in Folge dieser Ergebnisse in Frage gestellt werden. Nach neun Monaten sind in den Retinae mit Rekonnektion zum Mittelhirn die meisten Ganglienzellen vorhanden. Elektrophysiologisch zeigen die Augen mit Verbindung zum Muskelgewebe die besten funktionellen Ergebnisse. Schlussfolgernd zeigt sich, dass adulte RGZ der Ratte über ein peripher-nervöses Transplantat, welches mit visuellen Zentren in Verbindung steht, über lange Zeit stabilisiert werden können.

In der retrospektiven, monozentrischen Studie soll die Sicherheit von magnet-resonanztomographischen (MRT) Untersuchungen bei Patienten mit implantiertem Neurostimulator untersucht werden. Von November 2011 bis einschließlich März 2019 wurden am SRH Wald-Klinikum Gera insgesamt 171 MRT-Untersuchungen an Patienten mit implantiertem rücken-marknahem Neurostimulator (Spinal Cord Stimulation, SCS; Dorsal Root Ganglion Stimulation, DRG-S) durchgeführt. Zudem konnten 22 MRT-Anforderungen ohne Durchführung einer MRT-Untersuchung identifiziert und die Gründe für die nicht erfolgte MRT-Untersuchung ausgewertet werden. Aufgrund initial geringer Fallzahl wurde in Absprache mit der zuständigen Ethikkommission der Auswertungszeitraum für MRT-Untersuchungen an Patienten mit DRG-S bis einschließlich Oktober 2020 erweitert, hierdurch konnten elf weitere Untersuchungen ausgewertet werden. Von den im Beobachtungszeitraum in unserem Klinikum implantierten Patienten haben 28% in der eigenen Einrichtung mindestens eine MRT-Untersuchung erhalten. Retrospektiv konnte eine Vorhersagbarkeit des MRT-Bedarfs nur in 22% der Anforde-rungen zum Zeitpunkt der Implantation unterstellt werden. Aber selbst in Kenntnis anatomischer Besonderheiten bleibt eine prospektive Vorhersagbarkeit des künftigen MRT-Bedarfs sehr vage. MRT-Untersuchungen für Patienten mit rückenmarknahem Neurostimulator sind nur selten innerhalb der Zulassungskriterien möglich. Hauptgründe sind die fehlende Zulassung von einzelnen Komponenten, die Elektrodenlage und Einschränkungen bezüglich der untersuchbaren Körperregionen bzw. der technischen Voraus-setzungen für eine MRT-Bildgebung. Im Ergebnis unserer Studie sind bei adäquater 4 Implantatvorbereitung, Patientenaufklärung und Beachtung von definierten Abbruch-kriterien (deutliche Erwärmung der Implantate, Auftreten von sensomotorischen Stimulationssensationen, neue Schmerzen im Bereich der Implantate) MRT-Unter-suchungen auch für diese Patientengruppe relativ sicher. In unserem Patientengut, welches sowohl die epidurale Rückenmarkstimulation (156 Fälle) als auch die Dorsal Root Ganglion Stimulation (26 Fälle) umfasst, traten ein schwerwiegendes uner-wünschtes Ereignis (0,6%), zwölf möglicherweise implantatbezogene unerwünschte Ereignisse (7,0%) und drei unerwünschte Ereignisse ohne Zusammenhang mit dem Implantat (1,8%) auf. Nach unserer Kenntnis ist dies die erste wissenschaftliche Arbeit, die MRT-Unter-suchungen bei Patienten mit Systemen zur Dorsal Root Ganglion Stimulation erfasst. Auch handelt es sich um die erste Publikation hinsichtlich von Systemen zur Spinal Cord Stimulation des Herstellers Abbott Laboratories und übernommener Gesell-schaften (St. Jude Medical, Inc., Advanced Neuromodulation Systems, Inc.). Zum MRT-Bedarf von Patienten mit implantiertem Neurostimulator gibt es bisher nur zwei US-amerikanische Arbeiten; auch die Vorhersagbarkeit des künftigen MRT-Bedarfs wurde von uns erstmals untersucht.:1. Bibliographische Beschreibung 2. Abkürzungsverzeichnis 3. Einführung 3.1 Begriffsbestimmung: Neuromodulation, Neurostimulation 3.2 Spinal Cord Stimulation (SCS) 3.3 Dorsal Root Ganglion Stimulation (DRG-S) 3.4 Magnetresonanztomographie (MRT) 3.5 Problematik von MRT-Untersuchungen bei Patienten mit Neurostimulator und im bzw. nahe am zentralen Nervensystem platzierten Elektroden 3.6 Ziel der Arbeit 4. Publikationen 4.1 Publikation 1: MRT-Bedarf und Vorhersagbarkeit 4.2 Publikation 2: MRT-Sicherheit von SCS-Systemen 4.3. Ergänzende Daten zu MRT-Untersuchungen mit SCS-Systemen 4.3.1 Materialien und Methoden 4.3.2 Analyse der MRT-Anmeldungen ohne folgende MRT-Untersuchung 4.3.3 Ergänzende demographische Daten 4.3.4 MRT-Diagnostik mit unvollständigen oder defekten SCS-Systemen 4.3.5 Analyse der technischen Parameter 4.3.6 MRT-Diagnostik mit SCS-Systemen anderer Hersteller 4.4 Publikation 3: MRT-Sicherheit von DRG-S-Systemen 5. Zusammenfassung der Arbeit 6. Literaturverzeichnis 7. Anlagen 7.1 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 7.2 Darstellung des eigenen Beitrags 7.3 Lebenslauf 7.4 Publikationsverzeichnis 7.4.1 Beiträge in Fachzeitschriften 7.4.2 Posterbeiträge 7.4.3 Wissenschaftliche Vorträge 7.5 Danksagung

<p>Human pluripotent stem cells (hPSCs) are an attractive tool for the study of different neurodegenerative diseases due to their potential to form any cell type of the body. Due to their versatility and self-renewal capacity, they have different applications such as disease modeling, high throughput drug screening and transplantation. Different animal models have helped answer broader questions related to the physiological functioning of various pathways and the phenotypic effects of a particular neurodegenerative disease. However, due to the lack of success recapitulating some targets identified from animal models into successful clinical trials, there is a need for a direct translational disease model. Since their advent, hPSCs have helped understand various disease effectors and underlying mechanisms using genetic engineering techniques, omics studies and reductionist approaches for the recognition of candidate molecules or pathways required to answer questions related to neurodevelopment, neurodegeneration and neuroregeneration. Due to the simplified approach that iPSC models can provide, some <em>in vitro</em> approaches are being developed using microphysiological systems (MPS) that could answer complex physiological questions. MPS encompass all the different <em>in vitro</em> systems that could help better mimic certain physiological systems that tend to not be mimicked by <em>in vivo</em> models. In this dissertation, efforts have been directed to disease model as well as to understand the intrinsic as well as extrinsic cues using two different MPS. First, we have used hPSCs with Alzheimer’s disease (AD)-related mutations to differentiate into retinal organoids and identify AD related phenotypes for future studies to identify retinal AD biomarkers. Using 5 month old retinal organoids from AD cell lines as well as controls, we could identify retinal AD phenotypes such as an increase in Aβ42:Aβ40 ratio along with increase in pTau:Tau. Nanostring analyses also helped in identification of potential target genes that are modulated in retinal AD that were related to synaptic dysfunction.  Thus, using retinal organoids for the identification of retinal AD phenotypes could help delve deeper into the identification of future potential biomarkers in the retina of AD patients, with the potential to serve as a means for early identification and intervention for patients. The next MPS we used to serve to explore non-cell autonomous effects associated with glaucoma to explore the neurovascular unit. Previous studies have demonstrated the degeneration of RGCs in glaucoma due to a point mutation OPTN(E50K) that leads to the degeneration of RGCs both at morphological and functional levels. Thus, using the previous studies as a basis, we wanted to further unravel the impact of this mutation using the different cell types of the neurovascular unit such as endothelial cells, astrocytes and RGCs. Interestingly, we observed the barrier properties being impacted by the mutation present in both RGCs and astrocytes demonstrated through TEER, permeability and transcellular transport changes. We also identified a potential factor TGFβ2 that was observed to be overproduced by the OPTN E50K astrocytes to demonstrate similar effects with the exogenous addition of TGFβ2 on the barrier. Furthermore, the inhibition of TGFβ2 helped rescue some of the barrier dysfunction phenotypes. Thus, TGFβ2 inhibition can be used as a potential candidate that can be used to further study its impact in <em>in vivo</em> models and how that can be used in translational applications. Thus, MPS systems have a lot of applications that can help answer different physiologically relevant questions that are hard to approach using <em>in vivo</em> models and the further development of these systems to accentuate the aspects of neural development and how it goes awry in different neurodegenerative diseases.  </p>

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Une question fondamentale en neuroscience, ainsi que dans de nombreuses disciplines s’intéressant à la compréhension du comportement, telles que la psychologie, l’Economie, et la sociologie, concerne les processus décisionnels par lesquels les animaux et les humains sélectionnent des actions renforcées positivement ou négativement. Les processus décisionnels ainsi que leur base neuronale demeurent mal compris. D’autre part de nombreuses études ont révélé que les humains ainsi que les animaux prennent souvent des décisions sous-optimales. Notre principal objectif a été de comprendre la raison de ces comportements sous-optimaux. Par ailleurs, l’altération des processus sous-tendant la prise de décision, entraîne des pathologies. La compréhension des mécanismes décisionnels est essentielle au développement de stratégies de traitements plus efficaces. Dans cette étude nous avons proposé une nouvelle approche de l’étude des comportements décisionnels, basée sur l’hétérogénéité des préférences créées au cours de l’apprentissage du choix. Puis nous avons corrélé l’activité du putamen et du globus pallidus interne aux comportements préalablement décrits. Nos résultats montrent que bien que les primates apprennent à identifier la meilleure option et convergent vers une stratégie optimale dans un nombre important de sessions, ils n’arrivent pas en moyenne à optimiser leur comportement. Nous avons montré que ce comportement suboptimal des primates est caractérisé par la création de préférences irrationnelles par ces derniers pour des paramètres non pertinents de l’environnement. Nous avons finalement montré que bien qu’un faible nombre de neurones du putamen encode la valeur de l’action, leur contribution à l’activité de population est faible. L’activité du putamen reflète les futures performances des primates et prédit donc la formation des comportements irrationnels et rationnels. / A fundamental question in neuroscience, as well as in various fields such as economics, psychology and sociology, concerns the decision making processes by which animals and humans select actions based on reward and punishment. Both decision making processes and their neural basis are still poorly understood. Also, both human and animals often make suboptimal decisions in many tasks studied. Our first aim is to improve the understanding of why such sub-optimal decisions are made. Also, the alteration of decision making processes causes diseases, the understanding of whose mechanisms is essential in developing better treatment strategies. In this report, we propose a new approach which consists in extracting the neural substrates of choice behavior heterogeneity in between sessions. Our results show that although primates learn on average to identify the best option and converge to an optimal policy in a consequent number of sessions, they fail on average to optimize their behavior. We revealed that this suboptimal behavior was characterized by an unexpected high behavioral heterogeneity during the task that was due to the creation of irrelevant preferences by the monkeys. We finally show that although a few neurons of the putamen encode the action value, their contribution to the overall population activity is weak. Putamen activity rather reflects the futures performances and predicts the creation of rational and irrational behaviors.