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Ce travail de thèse avait pour objectif principal de contribuer à une meilleure compréhension de la mémoire procédurale dans le vieillissement normal et pathologique. Plus spécifiquement, nous avons tenté de déterminer de manière plus précise limpact du mode dentraînement afin didentifier les conditions qui optimisent lacquisition de nouvelles habiletés dans le vieillissement normal et pathologique. Avant dexaminer plus précisément les implications de nos résultats sur les plans théorique et clinique, il convient tout dabord den faire un bref récapitulatif. LEtude 1 comportait un double objectif : (1) développer une épreuve évaluant lacquisition de nouvelles habiletés perceptivo-motrices qui serait facilement applicable dans un contexte clinique ; (2) étudier limpact du mode dentraînement sur lacquisition de ces nouvelles habiletés chez des sujets adultes. Dans cette perspective, nous avons créé une version informatisée du paradigme de dessin en miroir. Dans cette tâche, les sujets devaient parcourir des figures géométriques, le plus rapidement possible, à laide dune souris dordinateur inversée. Afin de poursuivre nos objectifs, trois expérimentations ont été menées. Dans lexpérience 1, deux types dentraînement étaient comparés : un entraînement constant et un entraînement variable. Nous pensions que ce dernier engendrerait de plus faibles performances durant la phase dacquisition, mais de meilleures performances lors de la phase test. Cependant, aucune différence de performance nest apparue entre les deux conditions. Nous avons, dès lors, supposé que cette absence de différence puisse être liée à la nature de linstruction donnée aux participants exigeant une grande rapidité. Ainsi, les sujets de la condition constante, parce quils réalisaient la tâche à la limite de leurs possibilités, se trouvaient de facto dans une condition comparable (en termes dinvestissement) à la condition variable. Dans lexpérience 2, une limitation de vitesse a été imposée sur les mêmes tâches afin de renforcer le contraste entre les conditions constante et variable. Cependant, aucune différence nest apparue entre les groupes. A nouveau, nous avons postulé que la méthodologie employée nétait pas en mesure de mettre en évidence une différence entre les modes dentraînement. En effet, durant lexpérimentation, il est apparu que les sujets des deux groupes commettaient de nombreuses erreurs engeandrant à leur tour un ralentissement du déplacement de la cible, obligeant donc les sujets à freiner et constamment contrôler leur mouvement. Par conséquent, il est possible que ce contrôle ait pu à nouveau rendre la condition constante comparable à la condition variable en termes dinvestissement cognitif. Nous avons dés lors proposé une nouvelle consigne durant la phase dacquisition de lexpérience 3 : réaliser le parcours en commettant le moins derreurs possible et sans contrainte de temps. Cette nouvelle adaptation na pas, une fois encore, permis de mettre en évidence de différence dapprentissage entre les diverses conditions dentraînement (constante, bloc et variable). Ces résultats suggèrent que la tâche de dessin en miroir informatisée était trop complexe pour mettre en avant un effet du mode dentraînement. LEtude 2 comportait également un double objectif : (1) créer une épreuve de lecture en miroir permettant dévaluer de manière plus précise lacquisition de nouvelles habiletés perceptivo-verbales ; (2) explorer plus spécifiquement ces capacités dans le vieillissement normal et dans la maladie dAlzheimer. En effet, après avoir remis en question la pertinence du paradigme de lecture en miroir de Cohen et Squire (1980), Masson (1986) a créé un nouveau paradigme mais navait, de façon étonnante, pas observé dapprentissage procédural chez des sujets jeunes. Dans ce contexte, nous avons apporté plusieurs modifications (lettres majuscules, non-mots, sens de lecture) à ce paradigme afin de le rendre plus efficace dans lévaluation de lapprentissage procédural. Ainsi, notre première expérience montre chez des sujets jeunes un apprentissage avec une amélioration des performances entre la phase dacquisition et la phase test tant pour des non-mots composés de lettres déjà traitées que pour des non-mots composés de nouvelles lettres encore jamais vues. Ces résultats suggéraient donc que la nouvelle version de cette tâche permettait dévaluer lapprentissage procédural et non plus un effet damorçage de répétition sur les lettres. Lors dune seconde expérience, nous avons donc mis à profit cette tâche pour évaluer lapprentissage de nouvelles habiletés perceptivo-verbales de manière plus fine et adaptée dans la maladie dAlzheimer. Les résultats ont mis en évidence un effet damorçage de répétition chez les patients et les sujets âgés de contrôle mais un apprentissage procédural uniquement chez les sujets âgés de contrôle. Cette incapacité pourrait remettre en question lidée générale selon laquelle lapprentissage procédural est généralement préservé dans cette pathologie. Toutefois, la difficulté des patients à acquérir cette habileté pourrait être liée à une trop grande variabilité de la tâche utilisée. Dès lors, administrer cette même épreuve selon un mode plus constant pourrait permettre aux patients, par une diminution du recours aux processus contrôlés, dacquérir cette habileté de lecture en miroir. Toujours dans le but dexplorer les capacités de mémoire procédurale dans le vieillissement pathologique, lEtude 3 a investigué cet aspect dans la démence à corps de Lewy (DCL). Bien quun intérêt grandissant est né pour cette pathologie depuis quelques années, aucune étude na jusquici tenté dy investiguer le statut de la mémoire procédurale. Les résultats ainsi obtenus montraient que les patients DCL, tout comme les sujets âgés, amélioraient leurs performances entre la phase dacquisition et la phase test tant pour les lettres déjà rencontrées que pour les nouvelles lettres. Dans lEtude 4, nous avons voulu déterminer si un mode dentraînement caractérisé par une plus faible variabilité, permettrait aux patients Alzheimer dacquérir lhabileté de lecture en miroir. Concrètement, cette étude comportait également un double objectif : (1) investiguer limpact du mode dentraînement (bloc versus variable) dans un domaine perceptivo-verbal chez des patients Alzheimer ; (2) tester lhypothèse selon laquelle un entraînement variable est caractérisé par un recours plus important au fonctionnement exécutif quun entraînement en bloc. Vingt-quatre patients Alzheimer ont été testés et deux conditions dentraînement ont été comparées. La condition en bloc consistait à présenter des non-mots construits avec une première série de lettres (série A) et ensuite présenter des non-mots avec une autre série de lettres (série B). En revanche, dans la pratique variable, lensemble des non-mots étaient construits avec des lettres appartenant aux séries A et B simultanément. Il est apparu que les patients issus de la condition en bloc lisaient les non-mots composés de nouvelles lettres significativement plus vite que le groupe variable, qui lui, na pas amélioré sa performance. De plus, nos résultats ont confirmé limplication du fonctionnement exécutif dans la pratique variable et non dans la pratique en bloc. Ces résultats montrent que des patients déficitaires sur le plan exécutif auront plus de difficultés à apprendre de nouvelles habiletés perceptivo-verbales au travers dun entraînement variable.

Alpha-synuclein pathology driven impairment in adult neurogenesis was proposed as a potential cause of, or at least contributor to, memory impairment observed in both patients and animal models of Parkinson’s disease (PD) and Dementia with Lewy Bodies (DLB). Mice overexpressing wild-type alpha-synuclein under the Thy-1 promoter (Thy1-aSyn, line 61) uniquely replicate early cognitive deficits together with multiple other characteristic motor and non-motor symptoms, alpha-synuclein pathology and dopamine loss. Here we report overt intracellular accumulation of phosphorylated alphasynuclein in the hippocampus of these transgenic mice. To test whether this alters adult neurogenesis and total number of mature neurons, we employed immunohistochemistry and an unbiased stereology approach to quantify the distinct neural progenitor cells and neurons in the hippocampal granule cell layer and subgranular zone of 6 (prodromal stage) and 16-month (dopamine loss) old Thy1-aSyn mice. Surprisingly, we observed an increase in the number of early stage, i.e., Pax6 expressing, progenitors whereas the numbers of late stage, i.e., Tbr2 expressing, progenitors and neurons were not altered. Astroglia marker was increased in the hippocampus of transgenic mice, but this was not specific to the regions where adult neurogenesis takes place, arguing against a commitment of additional early stage progenitors to the astroglia lineage. Together, this uncovers a novel aspect of alpha-synuclein pathology in adult neurogenesis. Studying its mechanisms in Thy1-aSyn mice could lead to discovery of effective therapeutic interventions for cognitive dysfunction in PD and DLB.

Les situations cliniques associant des troubles moteurs et une détérioration cognitive sont fréquentes et déroutantes pour le clinicien, qui est confronté à la difficile question du diagnostic différentiel entre plusieurs cadres nosographiques dont la maladie de Parkinson avec démence (MPD) et la démence à corps de Lewy Diffus (DCLD). Dans ce travail, nous avons étudié les caractéristiques neuropsychologiques pouvant différencier les deux affections. Nous avons, dans une première étude, montré que la mémoire de reconnaissance visuelle était altérée de façon différente. Dans un second travail, nous avons spécifié les caractéristiques de ces altérations en les rapprochant des classiques profils « cortical » et « sous cortical » de démence. Nous avons ainsi montré que la MPD présentait une altération de la mémoire de reconnaissance visuelle intermédiaire entre la Maladie d’Alzheimer et la DCLD. Enfin, dans une dernière partie, nous proposons des perspectives de recherche dans la continuité de ces travaux. / Clinical manifestations associating motor and cognitive impairment are frequently encountered and difficult for the clinician who is required to address the problem of making the correct differential diagnosis, particularly to differentiate Parkinson's disease with dementia (PDD) from Lewy bodies dementia (LBD). In this study, we examined the neuropsychological characteristics which allow us to differentiate the two disorders. In the first study, we demonstrated that visual recognition memory is disturbed differently in the two cases. In a second study, we specified the characterisstics of the modifications encountered by using the classic "cortical" and "subcortical" dementia profiles. We also showed that, in PDD, the alteration in visual recognition memory is intermediary between Alzheimer's disease and LBD. Finally, in the last part of our study, we suggest future avenues of research needed to complete our work.

Die Demenz mit Lewy-Körperchen (DLB) ist eine progrediente neurodegenerative Erkrankung und stellt nach der Alzheimer-Erkrankung eine der häufigsten Ursachen einer Demenz dar. Betroffene leiden neben dem zentralen Merkmal Demenz an Fluktuationen der Kognition, Parkinsonismus und visuellen Halluzinationen. Charakteristische neuropatholgische Kennzeichen der DLB sind α-Synuklein-enthaltende Lewy-Körperchen und -Neuriten, die sich in kortikalen und subkortikalen Hirnregionen finden. Bei der klinischen Diagnostik dieser Erkrankung sind neben der Beurteilung klinischer Befunde laborchemische, psychometrische, apparative und bildgebende Verfahren von Bedeutung, jedoch ist eine sichere Diagnose nur bioptisch zu stellen. Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung des Liquorproteomprofils von DLB-Patienten im Vergleich zu neurologisch gesunden Kontrollen und die Identifikation von regulierten Proteinen im Liquor bei der DLB durch Verwendung klassischer Methoden der Proteomik. Nach initialer Depletion von zwölf häufigen Proteinen wurden die Liquorproben mittels zweidimensionaler Gelektrophorese aufgetrennt, die Proteinexpressionsmuster quantitativ verglichen und anschließend insgesamt 23 verschiedene Proteine aus 44 regulierten Gelspots massenspektrometrisch identifiziert. Es fanden sich Proteine involviert in die Immunantwort, den Lipidstoffwechsel, den Glukosestoffwechsel, die Signaltransduktion und die Zellstruktur sowie einige, die sich keiner dieser funktionellen Gruppen zuordnen ließen. Von vier ausgewählten Proteinen - Complement C4a, Transthyretin, Contactin-1 und Chromogranin A - wurden Western Blots angefertigt, wofür Liquor sowohl von DLB-Patienten und gesunden Kontrollen als auch zum weiterführenden Vergleich von Parkinson- und Alzheimer-Patienten verwendet wurde. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen auf Proteinebene die Vielfalt der biologischen Prozesse, die bei der DLB gestört ist. Zum Teil lassen sich Parallelen zu anderen neurogenerativen Erkrankungen erkennen, einige Proteine konnten jedoch erstmalig und einzig als bei der DLB reguliert nachgewiesen werden.

Les synucléinopathies regroupent les maladies neurodégénératives de Parkinson, les démences à corps de Lewy et l'atrophie multi-systématisée. Des études suggèrent que les synucléinopathies seraient des maladies à prion. Aujourd'hui, certains aspects manquent pour que l'α-synucléine soit reconnue comme un prion. Par exemple, il est à démontrer que chaque synucléinopathie est causée par une souche précise d'α-synucléine. Durant ma thèse j’ai mis au point une méthode d'amplification fiable des dépôts présents dans le cerveau des patients atteints de synucléinopathies. J’ai aussi documenté les procédures de nettoyage à adopter envers des matériels souillés, par diverses fibres amyloïdes, afin de réduire le risque de contamination. Finalement, j’ai été associé à une étude montrant les capacités de propagation d'assemblages d'α synucléine, dans un réseau de neurones humains en culture. Ces résultats permettront des études structurales, et fonctionnelles, des souches d’α-synucléine dans les synucléinopathies. / The aggregation of α-synuclein protein has been shown to be associated with Parkinson's disease, dementia with Lewy bodies, and multiple system atrophy, called synucleinopathies. Increasing amount of evidences suggest that synucleinopathies are prion diseases. Some aspects are missing for α-synuclein to be recognized as a prion, such as the existence of strains associated to synucleinopathies. During my thesis I set up a reliable method to amplify α-synuclein-rich deposits from patients tissues. I validated the method using all synucleinopathies tissues. This should allow the identification of α-synuclein strain related to each synucleinopathy. In addition, I also documented cleaning procedures for materials soiled with various amyloid fibers, in order to reduce the risk of contamination. Finally, I was associated to a study that shows the propagation abilities of different α-synuclein assemblies in a neuronal network mimicking human cortico-cortical connections. These results open the way to structural and functional studies of the amplified deposits.

<div><p>Parkinson’s disease (PD) is a devastating neurodegenerative disorder that affects 10 million people worldwide and is characterized by pronounced motor symptoms. Dementia with Lewy Bodies (DLB) involves both cognitive and motor deficits and affects ~1 million people in the United States. To date there is no cure for PD or DLB, and current treatments address only a subset of the symptoms that define these diseases. PD and DLB are ‘synucleinopathies’, defined as disorders involving the accumulation in patients’ brains of Lewy bodies. Lewy bodies are cellular inclusions that consist largely of aggregated species of alpha-synuclein (aSyn), a presynaptic protein that exists as both cytosolic and membrane-bound forms. Pathophysiological findings suggest that aggregated aSyn is involved in neurodegeneration in PD and DLB. However, mechanisms by which aSyn forms neurotoxic aggregates, and neurotoxic processes that distinguish different synucleinopathies such as PD and DLB, are poorly understood. To address these gaps, we have (i) designed a protocol to establish a primary cell culture model that can recapitulate key neuropathological features of PD, (ii) examined effects of expressing aSyn variants in a rat model of PD, and (iii) examined the expression profiles of neuroprotective genes in PD and DLB brain specimens.</p><p> </p><p>In the first part of my thesis, I describe the development of an optimized protocol to prepare primary midbrain and cortical cultures from rat embryonic brains for the study of PD and other synucleinopathies. The establishment of cellular models that simulate specific aspects of neuropathology can enable the characterization of molecular perturbations that lead to dopaminergic (DA) neuronal death. Our primary midbrain mixed culture model provides an outstanding opportunity to explore therapeutic strategies to rescue DA neurons from toxicity elicited by a range of PD-related insults. In addition, our primary cortical mixed cultures can be used to model cortical neuropathology in various CNS disorders including synucleinopathies.</p><p> </p><p>A number of mutations in the gene that codes for aSyn are associated with familial, early-onset forms of PD. A major goal of my thesis research is to characterize neurotoxic effects of a recently discovered familial substitution, A53E. This mutant was chosen based on the rationale that the introduction of a negatively charged residue at position 53 could potentially interfere with aSyn-membrane interactions and favor A53E aggregation, as we described for other familial aSyn mutants. For the first time, we have reproduced the neurotoxicity of A53E seen in human patients by expressing the mutant protein in rat midbrain. Rats injected unilaterally in the substantia nigra (SN) with rAAV encoding A53E and another familial mutant, A53T, but not rAAV encoding WT aSyn or a vector-control (‘stuffer’) virus, exhibited a significant motor impairment. Immunohistochemical analysis at 14 weeks after the viral injection revealed that brain sections from aSyn-expressing rats exhibit key features reminiscent of neuropathology in human PD, including nigral dopaminergic neuron loss (confirmed by unbiased stereology), striatal terminal depletion, and aSyn inclusion formation. In addition, it was determined that WT aSyn and the A53E and A53T mutants invaded the non-injected substantia nigra, implying that expressed aSyn protein can spread throughout the brain in the rat rAAV-aSyn model. These results yield insights into the molecular basis for the neurotoxicity of A53E and shed light on a potential role for membrane-induced aSyn aggregation in PD pathogenesis in vivo, thus setting the stage for developing therapies to slow neurodegeneration in the brains of familial and idiopathic PD patients. </p><p> </p><p>aSyn neurotoxicity varies with the expression of neuroprotective proteins, and misfolded aSyn affects cellular functions and gene expression. These observations suggest that differential gene expression patterns can inform us about similarities and differences in pathogenic mechanisms of different synucleinopathy disorders. A third phase of my thesis research was aimed at determining the expression levels of a panel of candidate neuroprotective genes in post-mortem brain samples from DLB and PD patients and age-matched controls (5 individuals in each group). mRNAs encoding the following proteins were quantified via qRT-PCR in homogenates prepared from the frontal cortex and the BA24 region encompassing the cingulate gyrus: DJ-1, a protein with antioxidant and chaperone activities; PGC1α, a master regulator of mitochondrial biogenesis and oxidative metabolism; MsrA, an antioxidant enzyme responsible for repairing oxidatively damaged proteins; and ATP13A2, a lysosomal protein involved in autophagy. In addition to yielding new insights into differential gene expression patterns in cortex versus cingulate gyrus, the data revealed differences in mRNA expression levels in DLB versus non-DLB cortical tissue. Although levels of all four neuroprotective mRNAs were increased (or showed a trend towards being increased) in DLB cortex, Western blot analysis revealed that only the DJ-1 and PGC1α proteins showed a trend towards being up-regulated, whereas levels of ATP13A2 and MsrA were unchanged. These findings suggest that there is a failure to induce cellular antioxidant responses and lysosomal autophagy at the protein level in DLB cortex, and in turn this failure could contribute to neuropathology. Interestingly, analysis of the same panel of neuroprotective genes in PD cortical samples did not show significant differences in mRNA or protein levels compared to control samples, suggesting that different neuroprotective mechanisms are induced in DLB versus PD cortex. These studies shed light on brain-region specific changes in gene expression associated with different synucleinopathy disorders, and they set the stage for developing new diagnostic tests and therapeutic strategies.</p></div><br>

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Alzheimer's disease (AD) and Parkinson's disease (PD), including dementia with Lewy bodies (DLB), account for the majority of dementia cases worldwide. Interestingly, a significant number of patients have clinical and neuropathological features of both AD and PD, i.e., the presence of amyloid deposits and Lewy bodies in the neocortex. The identification of α-synuclein peptides in amyloid plaques in DLB brain led to the hypothesis that both peptides mutually interact with each other to facilitate neurodegeneration. In this article, we report the influence of Aβ(1-42) and pGlu-Aβ(3-42) on the aggregation of α-synuclein in vitro. The aggregation of human recombinant α-synuclein was investigated using thioflavin-T fluorescence assay. Fibrils were investigated by means of antibody conjugated immunogold followed by transmission electron microscopy (TEM). Our data demonstrate a significantly increased aggregation propensity of α-synuclein in the presence of minor concentrations of Aβ(1-42) and pGlu-Aβ(3-42) for the first time, but without effect on toxicity on mouse primary neurons. The analysis of the composition of the fibrils by TEM combined with immunogold labeling of the peptides revealed an interaction of α-synuclein and Aβ in vitro, leading to an accelerated fibril formation. The analysis of kinetic data suggests that significantly enhanced nucleus formation accounts for this effect. Additionally, co-occurrence of α-synuclein and Aβ and pGlu-Aβ, respectively, under pathological conditions was confirmed in vivo by double immunofluorescent labelings in brains of aged transgenic mice with amyloid pathology. These observations imply a cross-talk of the amyloid peptides α-synuclein and Aβ species in neurodegeneration. Such effects might be responsible for the co-occurrence of Lewy bodies and plaques in many dementia cases.