Ho, Tsz Wan. / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2009. / Includes bibliographical references (leaves 125-165). / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Abstract also in Chinese.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2003. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 67-80).

Cette thèse a pour objectif spécifique d’explorer les événements précoces pouvant être à l’origine du bourgeonnement aberrant des fibres moussues (FM) du gyrus denté, une réorganisation majeure dans l’Epilepsie du Lobe Tempora (ELT). Nous avons utilisé le modèle pilocarpine d’ELT chez le rat afin de montrer que la transmission GABAergique jouait un rôle prépondérant dans la formation des FM aberrantes au cours de l’épileptogenèse. Ceci étant due à une altération de l’homéostasie chlore, suite à une augmentation de l’expression du co-transporteur NKCC1 et une diminution du co-transporteur KCC2. Nos résultats ont démontré que le récepteur aux neurotrophines p75NTR était un médiateur de l’action trophique de la réponse GABAergique dépolarisante sur le bourgeonnement aberrant des FM. Le blocage de l’action dépolarisante de la transmission GABAergique via l’utilisation de la bumétanide, a permis de réduire le bourgeonnement aberrant des MF en réduisant l’expression de p75NTR. Enfin, l’application transitoire de la bumétanide au cours de l’épileptogenèse a abouti à la réduction du nombre de crises récurrentes et spontanées au cours de la phase chronique d’ELT chez le rat. Ce travail a permis de dévoiler les mécanismes moléculaires sous-jacents de la réorganisation du réseau neuronal glutamatergique consécutif à une crise inaugurale dans un modèle d’ELT. Dans l'ensemble, cette thèse apporte un éclairage nouveau sur l’importance de l’interaction de la signalisation GABAergique avec les neurotrophines afin d’orchestrer la plasticité réactive au sein de l’hippocampe dans TLE. / The present dissertation undertakes to investigate the early triggering events of the mossy fiber sprouting (MFS) in the dentate gyrus, a hallmark of hippocampal reactive plasticity in Temporal Lobe Epilepsy (TLE). We used the rat pilocarpine model of TLE to show that altered GABAA receptor-mediated transmission play a key role in the formation of early ectopic MFS during epileptogenesis. This is likely due to a compromised chloride homeostasis, as a result of increased expression of chloride loader NKCC1 and downregulation of the neuronal chloride extruder KCC2. We next addressed the mechanistic action of depolarizing GABAAR responses with regard to neurotrophin signaling. Our findings uncovered that the pan neurotrophin receptor p75 (p75NTR) mediated the sculpting action of depolarizing GABAAR responses on the ectopic MFS. Blockade of depolarizing GABAAR responses using the loop diuretic bumetanide reduced abnormal p75NTR subsequently decreased the ectopic MFS. Finally, transitory application of bumetanide during epileptogenesis resulted in reduction of spontaneous and recurrent seizures during the chronic phase of TLE. The rationale of this work is that unveiling the molecular mechanisms underlying the hippocampal post-seizure glutamatergic network rewiring will help to drive future novel therapeutic avenues involving chloride homeostasis and neurotrophin interplay. Overall, this dissertation shed a new light on how GABAergic transmission and neurotrophin signaling crosstalk can orchestrate reactive hippocampal plasticity in TLE.

La maladie d’Alzheimer (MA) est la forme la plus commune de démence chez les personnes âgées. La maladie se caractérise par des pertes de fonctions cognitives et plusieurs études ont montré une étroite relation entre la neuroinflammation, les déficits synaptiques et la perte des fonctions cognitives dans la MA. L'importance de la composante neuroinflammatoire a été démontrée essentiellement grâce à des données épidémiologiques rapportant une prévalence diminuée de 40 à 70% chez des patients traités chroniquement par des anti-inflammatoires non stéroïdiens (AINS) pour d'autres pathologies. Les AINS sont des inhibiteurs des enzymes de synthèse des prostaglandines. Les prostaglandines sont des métabolites de l’acide arachidonique. Parmi ces prostaglandines, la PGE2 est connue pour moduler la transmission et les plasticités synaptiques dans l’hippocampe et son expression est fortement augmentée dans la maladie d’Alzheimer. De nombreux travaux rapportent l'existence de déficits synaptiques dans la MA, notamment dans l'hippocampe, siège de la mémoire et de l’apprentissage. Ces travaux se sont focalisés sur les déficits postsynaptiques à la synapse archétypique formée entre les cellules pyramidales CA3 et CA1. A l'inverse, la synapse formée entre les fibres moussues et les cellules pyramidales CA3 (FM-CA3) exprime des plasticités présynaptiques atypiques, à court et à long terme, indépendantes des récepteurs NMDA et il n'existe que très peu d'études concernant ces plasticités dans le contexte de MA. L’objectif de cette étude a été de montrer l’implication de PGE2 dans les déficits synaptiques à la synapse FM-CA3 dans un modèle murin de la MA, la souris double transgénique APPswe/PS1ΔE9 (APP/PS1). Nos résultats montrent que l’application exogène de PGE2 chez des souris sauvages entraîne un déficit de plasticité uniquement sur la potentialisation à long terme (PLT) exprimée présynaptiquement via l’activation spécifique du récepteur EP3. Nous montrons aussi que dans la souris APP/PS1, seule cette PLT présynaptique est impactée à partir de 12 mois. Enfin, ce déficit de la PLT présynaptique pour la souris APP/PS1 est réversé par un inhibiteur spécifique des récepteurs EP3 montrant ainsi un rôle clé pour la signalisation PGE2 - EP3 dans les déficits synaptiques hippocampaux de ce modèle murin de la maladie d’Alzheimer. / Alzheimer’s disease (AD) is the most common form of dementia in elder people characterized by a loss of cognitive function linked to synaptic deficits. There is considerable evidence that neuroinflammation and AD are intimately linked. The key role of neuroinflammation in the course of the disease was figured out by epidemiological studies reporting a reduced prevalence to develop AD for patients chronically treated with Non-Steroidal Anti-Inflammatory Drugs (NSAIDs). Prostaglandins are lipidic mediators derived from arachidonic acid and their synthesis is inhibited by NSAIDs. Among prostaglandins, PGE2 is known to modulate synaptic transmission and plasticity in the hippocampus and its concentration is higher in brains from AD patients. Numerous studies have reported synaptic deficits in the course of AD, mainly in the hippocampus which is essential for cognitive functions like learning or memory formation. The vast majority of these studies were focused on postsynaptic deficits at the canonical CA3-CA1 synapse. On the opposite, the synapse between mossy fiber and CA3 pyramidal cell (Mf-CA3) that express presynaptic short-term and long-term plasticity, was poorly studied in the context of AD. The aim of my project was to decipher the involvement of PGE2 in synaptic deficits in a mouse model of AD, the APPswe/PS1ΔE9 (APP/PS1). Our results show that acute application of PGE2 on wild type young mice impairs only presynaptic long term potentiation (LTP) at the Mf-CA3 synapse via the specific activation of EP3 receptor. In APP/PS1 mice, we demonstrate that the sole deficit at the Mf-CA3 synapse is an impairment of the presynaptic LTP at 12 months of age. Finally we demonstrate that the impaired presynaptic LTP in APP/PS1 mice can be rescued by the acute application of a specific EP3 receptor antagonist, pointing out the key role of PGE2 - EP3 signaling pathway in synaptic deficits in hippocampus in a mouse model of AD.

Die vorliegende Dissertation verfolgt das Ziel, die von Nervenzellen maximal erreichte Signalrate zu bestimmen. Außerdem werden die bislang weitgehend unbekannten Anpassungen einer Synapse an die Anforderungen hochfrequenter Signalübertragung untersucht. Die maximale Übertragungsrate spielt im zentralen Nervensystem eine wichtige Rolle für die Codierung und Verarbeitung von Informationen. Neben den Grundlagen der synaptischen Übertragung und der neuronalen Informationscodierung werden in der Einleitung die anatomischen Gegebenheiten der Kleinhirnrinde und der Moosfaser-Körnerzell-Synapse vorgestellt. Präsynaptische patch-clamp-Messungen von Moosfaserboutons und die erstmals durchgeführten Messungen von präsynaptischen Boutons und postsynaptischen Körnerzellen („Paarableitungen“) werden erläutert. Mit Hilfe dieser Methoden wird gezeigt, dass die Kommunikation zwischen Nervenzellen mit Raten von bis zu einem Kilohertz stattfinden kann. Hierbei ist die präsynaptische Freisetzung von Botenstoffen schneller und effizienter als bisher bekannt. Ein einzigartiges Repertoire präsynaptischer Mechanismen wird charakterisiert und bildet die Grundlage der nachgewiesenen, hochfrequenten Informationsübertragung.

Synapsen sind die spezialisierten subzellulären Kontaktstellen im Gehirn, die die Kommunikation zwischen einzelnen Nervenzellen, den Neuronen, auf elektrischem oder chemischem Weg ermöglichen. Anatomisch und physiologisch sind Synapsen jedoch erstaunlich divers, unter anderem abhängig von der untersuchten Hirnregion, der Identität der prä- und postsynaptischen Neurone, den präsynaptisch ausgeschütteten Neurotransmittern und postsynaptischen Rezeptorsystemen. Generell kann die Effektivität oder Stärke synaptischer Übertragung durch unterschiedliche Mechanismen beeinflusst werden. Hier werden nun Mechanismen, Ausprägung und funktionelle Relevanz von Neuromodulation, Kurzzeit- und Langzeit-Plastizität der Stärke der synaptischen Übertragung an der hippokampalen Moosfaser-Synapse erarbeitet. Die vorgestellten Daten konnten mit Hilfe von in vitro experimentellen Ansätzen an der hippokampalen Formation von Mäusen gewonnen werden und durch Analysen und Simulationen aus dem Bereich der theoretischen Biologie bestätigt und erweitert werden. / Chemical synapses are key elements for the communication between nerve cells. This communication can be regulated on various time scales and through different mechanisms affecting synaptic transmission. Amongst these are slow and long-lasting adjustments by endogenous neuromodulators, instantaneous and reversible activity-dependent regulation by short-term plasticity and persistent activity-dependent changes by long-term plasticity. Within this thesis, we have investigated several aspects of modulation of synaptic transmission and its functional relevance at the example of the hippocampal mossy fiber synapse. The presented results were acquired through electrophysiological and microfluorometric experiments at the hippocampal formation of mice and could be verified and substantiated through theoretical analyses, simulations and computational modelling.

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Dentre as altera??es podemos destacar a intensa fosforila??o de prote?nas em res?duos de tirosina e a ativa??o de diferentes segundos mensageiros. Os dois primeiros cap?tulos desta tese descrevem a tentativa de bloquear os processos de epileptog?nese por meio da inibi??o da fosforila??o de res?duos de tirosina atrav?s do tratamento farmacol?gico com inibidores das tirosina cinases, a herbimicina A e o K-252a. O terceiro cap?tulo analisa eletrofisiologicamente o circuito neural do giro denteado em animais que apresentavam uma muta??o em um s?tio inibit?rio da prote?na c?lcio/calmodulina cinase do tipo II (CaMKII). No primeiro cap?tulo, mostramos que o tratamento agudo com herbimicina A (348?M, 5?L, icv), ? capaz de bloquear a potencia??o duradoura (LTP) induzida por um est?mulo tet?nico bem como de atenuar (~40%) a ativa??o neuronal (express?o de c-Fos) decorrente de um estado de mal epil?ptico induzido pela administra??o sist?mica de pilocarpina (SE). Apesar dos significativos efeitos agudos, este tratamento mostrou-se incapaz de atenuar a freq??ncia de crises espont?neas, bem como o padr?o de morte neuronal observado ap?s o estado de mal epil?ptico induzido pela pilocarpina. Entretanto, o tratamento com herbimicina A alterou o padr?o de marca??o de metais pesados (Zn+2) no hilo do giro denteado e na regi?o de CA3 do hipocampo, por?m n?o apresentou efeito sobre o padr?o de brotamento das fibras musgosas observado na camada molecular do giro denteado. No segundo cap?tulo, mostramos que a herbimicina e o K- 252a modificam a atividade epileptiforme induzida pela administra??o intra-hipocampal de ?cido ca?nico, sem alterar o padr?o de morte neuronal. Esses resultados sugerem que o tratamento com inibidores de prote?nas tirosina cinases ? capaz de modificar o padr?o de ativa??o agudo do hipocampo ap?s um est?mulo (i.e., o estado de mal epil?ptico ou a LTP), por?m sem qualquer efeito sobre o processo de epileptog?nese. No terceiro cap?tulo, estudamos a excitabilidade e a plasticidade do giro denteado ? estimula??o da via perfurante (principal afer?ncia da forma??o hipocampal) em animais que apresentam uma CaMKII geneticamente modificada. Essa prote?na uma vez ativada n?o pode ser inibida. A caracteriza??o eletrofisiol?gica demonstrou que esses animais apresentam potenciais de campo evocados no giro denteado aparentemente semelhante aos animais controle (wild-type), por?m sua responsividade a padr?es de estimula??o em salvas e sua plasticidade apresentaram clara altera??o. Essa modifica??o foi caracterizada por uma maior variabilidade nas respostas ? trens de estimula??o (freq??ncias de 1 e 2 Hz) e maior inibi??o do pulso pareado em trens de estimula??o (para pulsos pareados aplicados a freq??ncia de 5 Hz). Al?m disso, conforme j? descrito na literatura, mostramos que a susceptibilidade a atividade epileptiforme depende do padr?o de estimula??o utilizado para os diferentes animais (mutantes vs. wild-type). Assim, utilizando o modelo cl?ssico do abrasamento demonstramos que a muta??o n?o altera a evolu??o da epileptog?nese. Entretanto, ao utilizarmos duas variantes de um padr?o de estimula??o similar ? freq??ncia teta (5Hz, Intermittent vs. Continuous theta-burst stimulations), demonstramos a import?ncia da muta??o na manuten??o da excitabilidade do giro denteado. Esses resultados destacam a import?ncia da CaMKII na atividade epileptiforme al?m de sugerir novas abordagens experimentais (i.e., sensibilidade ? padr?es de estimula??o eletrofisiol?gica) no estudo da epileptog?nese. Em resumo, os resultados apresentados nessa tese contribuem para um melhor entendimento dos fen?menos subjacentes aos processos de plasticidade neuronal e da contribui??o destes para o fen?meno de epileptog?nese, al?m de sugerir / Temporal lobe epilepsies are highly refractory to pharmacological treatment. Up to 70% of these patients undergo chirurgical resection of temporal region, procedure with important consequences for the social, economic and psychological spheres. Experimental animal models that mimic temporal lobe epilepsy provide an insightful approach to study the neural basis of epilepsy as well as create opportunities to test promising therapeutic drugs. The present thesis tests the antiepileptogenic activity of two protein tyrosine kinase inhibitors and the relevance of Ca+2/calmodulin kinase type II (CaMKII) mutants. Multiples morphological and physiological alterations take place after a traumatic brain injury (in this thesis, the status epilepticus) leading the animal to an epileptic conditions. During this period, the epileptogenesis process, there is strong tyrsine phosphorylation with the activation of many second messengers. The first two chapters of the thesis describe experiments in which herbimycin A and K-252a, two protein tyrosine kinase inhibitors, were used to attenuate synaptic plasticity and epileptogenesis. The third chapter, the dentate gyrus network was studied after angular bundle stimulation in animals presenting one punctual mutation at the autoinhibitory phosphorylation site of the CaMKII. In the first chapter, we showed that one single herbimycin A injection (348?M, 5?L, icv) was able to attenuate long-term potentiation (LTP) in the commissural CA3 neurons and also, to decrease status epilepticus- (SE-) induced neuronal activation (c-Fos expression) in almost 40%. Although markedly acute effects, the present herbimycin A treatment was not able to diminish spontaneous seizure frequency, cell death or aberrant mossy fiber sprouting observed after the pilocarpine-induced SE. Curiously, herbimycin-treated animals presented decreased neo-Timm staining in the hilus and CA3 region despite the epileptic condition. In the second chapter, we confirmed the ability of protein tyrosine kinase inhibitors to decrease SE-induced neuronal activation. Herbimycin A icv treatment altered the kainic acid-induced epileptiform profile in EEG recordings. Cell death pattern was not altered by any pharmacological treatment. These results suggest that protein tyrosine kinase inhibitiors are able to modify the acute neuronal activation and plasticity (ictogenesis or LTP) but is ineffective in attenuating the epileptogenesis process. In the third chapter, we studied the dentate gyrus excitability and plasticity after angular bundle stimulation in CaMKII mutant animals. Once in its self-sustained mode, this mutation does not allow the reduction of the catalytic activity of the kinase. These animals present normal electrophysiological profiles (similar to wild-type animals) but with reduced amplitude. Shortterm plasticity was clearly altered. Mutant animals presented increased variability in the responses to trains of stimulation at 1 and 2 Hz, and at at 5Hz stronger paired-pulse inhibition. Accordingly to the literature, we also showed that the epileptiform susceptibility depends on the stimulation pattern used in both animals (mutants vs. wild-type). Thus, although the mutation did not altered the behavior and the electrographic kindling evolution, we showed that mutant animals were prone to afterdischarges when stimulate by an intermittent theta-burst stimulation. On the other hand, the same animals needed more bursts to induce afterdischarges when the stimulation was set in the continuos mode. Taken together, the present results contribute to a better understanding of the protein tyrosine kinase and CaMKII function in neuronal plasticity underlying the epileptogenesis process and sum efforts in searching for a clinic antiepileptogenic drug.

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Die vorliegende Dissertation verfolgt das Ziel, die von Nervenzellen maximal erreichte Signalrate zu bestimmen. Außerdem werden die bislang weitgehend unbekannten Anpassungen einer Synapse an die Anforderungen hochfrequenter Signalübertragung untersucht. Die maximale Übertragungsrate spielt im zentralen Nervensystem eine wichtige Rolle für die Codierung und Verarbeitung von Informationen. Neben den Grundlagen der synaptischen Übertragung und der neuronalen Informationscodierung werden in der Einleitung die anatomischen Gegebenheiten der Kleinhirnrinde und der Moosfaser-Körnerzell-Synapse vorgestellt. Präsynaptische patch-clamp-Messungen von Moosfaserboutons und die erstmals durchgeführten Messungen von präsynaptischen Boutons und postsynaptischen Körnerzellen („Paarableitungen“) werden erläutert. Mit Hilfe dieser Methoden wird gezeigt, dass die Kommunikation zwischen Nervenzellen mit Raten von bis zu einem Kilohertz stattfinden kann. Hierbei ist die präsynaptische Freisetzung von Botenstoffen schneller und effizienter als bisher bekannt. Ein einzigartiges Repertoire präsynaptischer Mechanismen wird charakterisiert und bildet die Grundlage der nachgewiesenen, hochfrequenten Informationsübertragung.:Abbildungsverzeichnis .......................................................................................... III Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................ IV 1 Bibliographische Zusammenfassung .......................................................... 1 2 Einführung ..................................................................................................... 2 2.1 Der cerebelläre Cortex und die Moosfaser-Körnerzell-Synapse ............... 2 2.2 Grundlagen der synaptischen Übertragung .............................................. 5 2.3 Informationscodierung im Nervensystem .................................................. 6 2.4 Etablierung von Ableitungen an der Moosfaser-Körnerzell- Synapse .................................................................................................... 9 2.5 Quellen der Einführung ........................................................................... 13 3 Ziele der Arbeit ............................................................................................ 16 4 Publikationsmanuskript .............................................................................. 16 5 Zusammenfassung ...................................................................................... 29 6 Anlagen ........................................................................................................ 34 6.1 Supplemental Material ............................................................................ 34 6.2 Erklärung über den wissenschaftlichen Beitrag des Promovenden zur Publikation ............................................................................................... 54 6.3 Selbstständigkeitserklärung .................................................................... 55 6.4 Lebenslauf ............................................................................................... 56 6.5 Publikationen ........................................................................................... 58 6.6 Danksagung ............................................................................................ 59

Dans ce travail de thèse, j'ai cherché à comprendre les mécanismes de contrôle des fonctions mnésiques par Rxrγ ainsi que l’implication potentielle de la signalisation dopaminergique dans ces mécanismes. Dans ce cadre, j'ai focalisé mon étude sur les fonctions hippocampiques à différent niveaux. J'ai cherché (1) à identifier les populations cellulaires de l'hippocampe exprimant Rxrγ en utilisant des techniques histologiques(immunohistochimie, hybridation in situ) afin de pouvoir (2) étudier les fonctions électrophysiologiques de ces cellules en utilisant la technique du patch-clamp. Pour comprendre le rôle de Rxrγ dans le contrôle des fonctions autonomes de ces cellules et les conséquences sur le réseau neuronal environnant, j’ai étudié les effets de la perte de fonction chez les souris Rxrγ/.Étant donné que différentes sous régions de l'hippocampe sont impliquées dans différents processus mnésiques, et que notamment le gyrus denté a été associé au processus de pattern separation (Leutgeb et al., 2007), j'ai également (3) cherché à préciser les fonctions mnésiques qui dépendent de l'activité de Rxrγ en réalisant des analyses comportementales chez les souris Rxrγ/. Etant donné que Rxrγ possède une activité transcriptionnelle, entre autre sur le gène du récepteur D2 à la dopamine (Drd2) (Samad et al., 1997), j'ai également (4) étudié la signalisation dopaminergique dans l’hippocampe chez les souris sauvages et les mutants nuls Rxrγ/. Enfin, afin de démontrer la spécificité neuroanatomique et homéostatique du contrôle exercé par Rxrγ sur la mémoire,j’ai procédé à (5) l’inactivation spécifique de Rxrγ dans les hippocampes de souris floxées pour ce gène, au moyen d’un virus AAV exprimant la recombinase Cre. / The present thesis work is an attempt to understand the mechanisms of Rxrγ control of memory functions, as well as the potential involvement of dopaminergic signaling in these mecanisms. In this context, I focused my research on hippocampal functions at several distinct levels. The first part of my work (1) aimed at defining the hippocampal cell populations expressing Rxrγ using various histological techniques (immunohistochemistry, in situhybridization) in order to (2) study the electrophysiological functions of these cells using invitro patch-clamp.To identify the role of Rxrγ in the control of cell autonomous functions, as well as the consequences on the surrounding network, I have studied the effects of its loss of function in Rxrγ/mice.As the different subregions of the hippocampus are implicated indistinct aspects of learning and memory, and in particular the dentate gyrus being associated with pattern separation (Leutgeb et al., 2007), I have also tried to dissect the mnemonic processes that rely on Rxrγ activity by performing behavioral analyses of Rxrγ/mice. Considering the transcriptional activities of Rxrγ on Drd2, I have also (4) studied dopaminergic signaling in the hippocampus of wild type and Rxrγ null mutant mice. Finally, to demonstrate the neuroanatomical and homeostatic specificity of Rxrγ control on memory, I performed (5) specific inactivations of Rxrγ in hippocampi of conditional mutant mice that possessed floxed Rxrγ, using AAV vectors expressing recombinase Cre.