Tau mutations promote the formation of tau oligomers and filaments, which are neuropathological signs of several tau-associated dementias. Types of neurons in the CNS are spared of tau pathology and are surrounded by a specialized form of extracellular matrix; called perineuronal nets (PNs). Aggrecan, the major PN proteoglycans, is suggested to mediate PNs neuroprotective function by forming an external shield preventing the internalization of misfolded tau. We recently demonstrated a correlation between aggrecan amount and the expression and phosphorylation of tau in a TauP310L-acan mouse model, generated by crossbreeding heterozygous aggrecan mice with a significant reduction of aggrecan and homozygous TauP301L mice. Neurodegenerative processes have been associated with changes of PN structure and protein signature. In this study, we hypothesized that the structure and protein expression of PNs in this TauP310L-acan mouse is regulated by tau. Immunohistochemical and biochemical analyses demonstrate that protein levels of PN components differ between TauP301LHET-acanWT and TauP301LHET-acanHET mice, accompanied by changes in the expression of protein phosphatase 2 A. In addition, tau can modulate PN components such as brevican. Co-immunoprecipitation experiments revealed a physical connection between PN components and tau. These data demonstrate a complex, mutual interrelation of tau and the proteoglycans of the PN.

No description available.

La maladie d'Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative induisant des troubles cognitifs, et particulièrement des troubles de la mémoire. L'utilisation des souris modèles de la MA a permis de mettre en évidence des altérations de l'activité des réseaux neuronaux hippocampiques et corticaux qui seraient à l'origine des troubles cognitifs. Ainsi,les patients atteints de la MA et des souris transgéniques modèles de la pathologie ont un dysfonctionnement des interneurones exprimant la parvalbumine (PV), à l'origine de la perturbation des oscillations gamma et des troubles cognitifs. Au cours de cette thèse, nous avons fait l'hypothèse que les souris Tg2576, modèles de la MA, présentent une altération progressive des interneurones PV, et de leur matrice extracellulaire spécifique, les PNN. Cela aurait pour conséquence une altération de l'activité cérébrale (hypersynchronie, perturbation de la puissance des oscillations gamma et de leur couplage avec les oscillations thêta), qui sous-tendrait les troubles cognitifs. Ce travail a permis de montrer que les souris Tg2576 présentent effectivement des perturbations des oscillations gamma au cours d'une tâche cognitive. D'autre part, l'activation spécifique des neurones PV par optogénétique permet la génération d'oscillations gamma chez nos souris anesthésiées. Cependant nous n'avons pas pu combiner cette approche à la réalisation tâche cognitive. Nous avons par ailleurs observé une diminution du nombre de neurones PV hippocampiques et de leur PNN à un âge précoce de la pathologie, qui peut toutefois être restauré par un séjour transitoire dans un environnement enrichi. Enfin nous avons mis en évidence que les souris Tg2576 présentent des activités épileptiformes particulièrement au cours du sommeil paradoxal (SP), ainsi qu'une perturbation des oscillations gamma et de leur couplage avec les oscillations thêta dès l'âge de 1.5 mois pendant le SP. Ainsi, les travaux de cette thèse permettent de mieux caractériser l'impact de la MA sur les neurones PV et sur les phénomènes oscillatoires associés à leur fonction. / Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder inducing cognitive dysfunction, in particular memory loss. The use of murine models of AD have highlighted alterations of the neural activity of hippocampal and cortical networks leading to alteration of brain oscillations and spontaneous epileptic activities. Interestingly, it has also been found in AD patients and AD mice that GABAergic interneurons expressing parvalbumin (PV) are dysfunctioning, inducing a decrease in gamma oscillations associated with cognitive deficit. Thus, we hypothesized that Tg2576 mice exhibit progressive alteration of PV interneurons, and their specific extracellular matrix (PNN). These would induce aberrant cerebral activity (hypersynchrony, alteration of gamma oscillations and their association with theta oscillations) sustaining cognitive deficits. This work demonstrates that Tg2576 mice exhibit an alteration of gamma power during a cognitive task. On the other hand, the specific activation of PV neurons allows the generation of gamma oscillation in our anesthetized mice, however we haven't been able to try enhancing gamma during a cognitive task. We have also observed a decrease in the number of hippocampal PV neurons and their PNN at an early age of pathology, which can be restored by a transient stay in an enriched environment. Finally, we demonstrate that Tg2576 mice exhibit epileptiform activities, particularly during paradoxical sleep (PS), as well as an alteration of gamma oscillations and their coupling with theta oscillations during PS, as early as 1.5 months of age. Thus, these results allow to better characterize the impact of AD on PV neurons and the oscillatory phenomena associated with their function.

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2013-08-02T16:03:06Z No. of bitstreams: 2 Dissertacao_EfeitoAmbientePeriodo.pdf: 2056881 bytes, checksum: b1ba127b3ca24b83a54242007e7bbdac (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva(arosa@ufpa.br) on 2013-08-14T14:02:02Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertacao_EfeitoAmbientePeriodo.pdf: 2056881 bytes, checksum: b1ba127b3ca24b83a54242007e7bbdac (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-08-14T14:02:02Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertacao_EfeitoAmbientePeriodo.pdf: 2056881 bytes, checksum: b1ba127b3ca24b83a54242007e7bbdac (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Previous issue date: 2013 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O período crítico de plasticidade do córtex cerebral é a etapa do desenvolvimento pós-natal do sistema nervoso onde os circuitos neurais são mais suscetíveis à mudanças influenciadas por informações oriundas do ambiente. No córtex pré-frontal de humanos, responsável pelas funções executivas, o período crítico de plasticidade estende-se desde o nascimento até o final da adolescência e início da vida adulta. Isto é definido, entre outros fatores, pelo amadurecimento das redes perineuronais, uma estrutura especializada da matriz extracelular, localizada em volta do corpo celular e dendritos proximais de interneurônios inibitórios. O objetivo desta pesquisa foi verificar o efeito do ambiente em etapas distintas da adolescência sobre a estrutura e a função do córtex pré-frontal de ratos e a distribuição da expressão espacial e temporal das redes perineuronais sob estas condições. As funções executivas foram avaliadas através de testes comportamentais medindo a capacidade de memória operacional e a inibição comportamental. Observamos que estímulos estressores crônicos imprevisíveis provocam alterações no período crítico de plasticidade do córtex pré-frontal e, consequentemente, influenciam o amadurecimento das funções executivas. Observamos também que o estresse crônico induz modificação no padrão de amadurecimento das redes perineuronais no córtex pré-frontal. Estes resultados indicam a vulnerabilidade do córtex pré-frontal de ratos adolescentes para os efeitos negativos de estímulos ambientais estressores sobre o período crítico de plasticidade. / The critical period of plasticity is a period of postnatal brain development in which neural circuits are most susceptible to environmental influence. The critical period of plasticity of the human prefrontal cortex, which is responsible for executive functions, extends from birth to the end of adolescence and early adulthood. The critical period is defined, among other factors, by the maturation of perineuronal nets, a specialized structure of the extracellular matrix, which surrounds cell bodies and proximal dendrites of inhibitory interneurons. The aim of the present work was to ascertain the effects of environmental, through different adolescence phases, on the morphofunctional structure of the prefrontal cortex of rats and the spatial and temporal distribution of perineuronal nets. Executive functions were also evaluated by testing working memory capacity and behavioral inhibition. We observed that the chronic exposure to unpredictable stressors cause changes the critical period of plasticity in the prefrontal cortex and thereby influence the maturation of executive functions. We also observed that chronic stress induces changes in the spatial and temporal expression of perineuronal nets in the prefrontal cortex. More specifically, it induces the early maturation of these structures in adolescent rat brain. These results indicate the vulnerability of the adolescent brain to the negative effects of chronic stressors present in the environment.

Les réseaux périneuronaux (PNN) sont des régulateurs clé de la plasticité et de la régénération des neurones au niveau du système nerveux central chez l’adulte. Le PNN est une matrice extracellulaire hautement organisée, qui entoure des populations spécifiques de neurones, enrichie en protéoglycanes à chondroïtine sulfate (CSPG). La chondroïtine sulfate (CS) est un polysaccharide linéaire, appartenant à la famille des glycosaminoglycanes (GAG), qui peut être sulfaté à différentes positions et donner lieu à plusieurs isoformes. Ces isoformes interagissent de manière spécifique avec de nombreuses molécules de signalisation dont la semaphorine 3A (Sema3A). Sema3A est une protéine secrétée, qui interagit avec les CS et s’accumule ainsi dans les PNN. Elle est impliquée dans la guidance des neurones sur lesquels elle agit par chemorepulsion. Les aspects structuraux et fonctionnels de l’ interaction entre Sema3A et CS sont encore mal connus, mais celle-ci pourrait être requise pour renforcer la liaison de la Sema3A avec ses récepteurs et déclencher une voie de signalisation qui aboutit à l’inhibition de la plasticité synaptique. Le but du projet est donc de caractériser biochimiquement l’interface d’interaction Sema3A-CS. Il a pour perspective d’élaborer des molécules interférant avec cette interaction qui pourraient permettre une amélioration de la plasticité neuronale après une maladie neurodégénérative ou une lésion de la moelle épinière.Pour ce faire, la Sema3A est exprimée dans un système hétérologue de cellules eucaryotes pour être purifiée. Deux formes ont été purifiées: une forme complète de 90 kDa qui reste accrochée à la surface cellulaire et une forme clivée de 65 kDa secrétée dans le milieu de culture. La Sema3A-90 interagit d’une manière sélective et avec une très haute affinité avec la CS-E (chondroitine disulfatée en position 4 et 6) et l’héparane sulfate,alors que, la forme clivée n’interagit avec aucun GAG, comme observé par résonance plasmonique de surface (SPR). Quatre sites, situés dans le domaine C-terminal de la protéine, susceptibles d’interagir avec les GAG ont été identifiés et analysés par mutagenèse. Deux d’entre eux sont impliqués dans la reconnaissance des GAG et sont nécessaires à la Sema3A pour inhiber la croissance de neurites sur des cultures de neurones issus de ganglion de la racine dorsale de rats. En parallèle, nos travaux montrent qu’un tetrasaccharide de CS-E est la taille minimale requise pour l’interaction avec la Sema 3A. Enfin, des analyses réalisées en utilisant une microbalance à cristal de quartz avec dissipation ont montré que la Sema3A pourrait réticuler les chaines de GAGs, participant ainsi à la stabilisation du réseau périneuronal. / Perineuronal nets (PNNs) are the key regulators of neuronal plasticity and regeneration in the mature central nervous system (CNS). They are a unique and highly organised extracellular matrix (ECM) structure, found around sub-population of neurons, composed mainly of chondroitin sulfate proteoglycan (CSPG). Chondroitin sulfate (CS) is a linear polysaccharide belonging to glycosaminoglycans (GAGs) family. The sulphation pattern defines different types of CS, which interact with different signalling proteins including those regulating axonal outgrowth and guidance such as semaphorin 3A (Sema3A). Sema3A is a secreted chemorepulsive protein found accumulated in the PNNs through its interaction with CS. This process is believed to potentiate Sema3A signalling through plexin A1 (PlxnA1) and Neuropilin 1 (Nrp1) and regulate plasticity and regeneration. The aim of the thesis project is to characterise the interface of Sema3A- CS interaction.For this purpose, Sema3A is expressed in eukaryote cells and purified. Interestingly, two major forms were obtained: a full length Sema3A (90 kDa) which remains attached to the cell surface GAGs and a truncated form without the C-ter part (65 kDa) which is released to the culture medium. With the use of surface plasmon resonance (SPR), we observed that full length Sema3A binds selectively to CS-E (4,6-disulfated chondroitin) and heparan sulfate with a high affinity (KD in the sub pM range), while the truncated Sema3A does not bind to any GAG. Four putative GAG binding sequences were identified in the C-ter of Sema3A and mutated using site directed mutagenesis. SPR analysis then revealed that two out of these four sites are required for the binding to CS-E. The importance of these GAG-binding sequences in inhibition of neurites outgrowth of dorsal root ganglion neurons in culture was also reported, indicating thus the importance of GAG-binding in Sema3A signalling. In parallel, the minimal required sequence of Sema3A-binding of CS-E was determined as being a tetrasaccharide. The Sema3A-CS interface was thus characterized. Furthermore, quartz crystal microbalance with dissipation monitoring analysis suggested that Sema3A could crosslink GAG chains. This suggests Sema3A could be involved in stabilising the PNN network and induces mechanical changes on neuronal surface.The detail characterization of Sema3A-CS interaction may enable the design of new strategies aiming at enhancing plasticity and regeneration for neurodegenerative diseases or spinal cord injury.

Perineuronale Netze (PN) sind eine spezialisierte Form der neuronalen extrazellulären Matrix. Es wird vermutet, dass sie neuroprotektive Eigenschaften besitzen und die von ihnen umschlossenen Neurone gegenüber Degeneration schützen. Mehrere Studien untersuchten bereits die PN in Zusammenhang mit der Pathologie der Alzheimer-Erkrankung. Für die Frontotemporalen Demenzen, die nach der Alzheimer-Erkrankung und der vaskulären Demenz zu den häufigsten dementiellen Erkrankungen gehören, ist die Beziehung von PN und Tau-Protein (TP)-Pathologie noch nicht untersucht worden. Die Dissertation beschäftigt sich mit der Korrelation von netztragenden Neuronen mit TP-Pathologie in einem Mausmodel der Frontotemporalen Demenz mit Parkinsonismus des Chromosoms 17 (FTDP-17). Sie geht der Frage nach, ob netztragende Neuronen vor Degeneration und intrazellulären Ablagerungen von verändertem TP, in Form von Hyperphosphorylierungen (HP) und Neurofibrillären Tangles (NFT), geschützt sind. Mit Hilfe immunhistochemischer Fluoreszenzmarkierung und Western Blot wurden die Gehirne transgener Mäuse mit der P301L-Mutation des TP im Alter von drei und achteinhalb Monaten untersucht. Dabei wurden sechs Hirnregionen ausgewählt: Primärer Somatosensorischer Kortex (PSC), Entorhinaler Kortex (EC), Hippokampus (Hipp), Pars magnocellularis des Nucleus ruber (NR-m), Pars reticulata der Substantia nigra (SN-r) und Motorischer Trigeminuskern (Mo5). Die Untersuchungen zeigen, dass die PN bei der FTDP-17 die Neurone nicht explizit vor TP-Pathologie schützen. Jedoch kommt es zu keiner signifikanten Reduktion der netztragenden Zellen im Altersgang, sodass eine neuroprotektive Funktion der PN weiterhin vermutet werden kann.

Les réseaux neuronaux sont hautement sensibles aux stimuli sensoriels pendant une fenêtre temporelle dite période critique (PC). Un des acteurs clé de la consolidation de ces réseaux est le Perineuronal Net (PNN), une matrice extracellulaire qui s’accumule au cours de la PC majoritairement autour des interneurones parvalbumin-positifs (PV). La dégradation des PNNs chez l’adulte restaure une plasticité structurale, typique de la PC. Ce projet de recherche vise à déterminer i) les propriétés neurophysiologiques des neurones PV et glutamatergiques dans la couche 4 du cortex visuel primaire de souris au cours du développement ii) de quelle façon ces propriétés sont altérées par l’accumulation des PNN. Nous avons montré, au cours du développement, une augmentation de l’excitabilité des deux types de neurones. La dégradation in vivo des PNN augmente la transmission glutamatergique et GABAergique spécifiquement sur les PV, récapitulant un état juvénile. Dégrader les PNN chez l’adulte n’affecte pas les connections unitaires inhibitrices en couche 4. Afin de comprendre les mécanismes impliqués au niveau du circuit, nous avons exprimé l’opsine sensible à la lumière ChR2 dans les neurones glutamatergiques du thalamus visuel projetant sur la couche 4 du cortex. Ainsi, une absence de PNN augmente le recrutement spécifique des PV par le thalamus, entrainant une augmentation de l’inhibition feedforward. Ces résultats sont en accord avec des expériences réalisées in vivo, au cours desquelles nous avons mesuré les potentiels évoqués en réponse à des stimuli visuels suite à une dégradation des PNN et qui indiquent une augmentation du recrutement de l’inhibition. / The maturation of sensory processing undergoes a critical period (CP), during which cortical neural circuits are sculpted and changed by experience. The closure of CP is paralleled by the accumulation of extracellular perineuronal nets (PNN) around parvalbumin (PV)-positive interneurons. The degradation of PNNs in adult animals was shown to re-open the structural plasticity typical of the CP. We aimed at defining i) the neurophysiological properties of PV cells and principal neurons in layer 4 of primary visual cortex (V1) during the establishment of the CP ii) how these properties are altered by PNN accumulation. We found a robust age-dependent increase of input-output firing relationships in both cell types. Importantly, in vivo PNN removal in adult V1 increased both excitatory and inhibitory transmission selectively onto PV, leaving their excitability intact, and recapitulating younger states. In addition, triggering plasticity in vivo by monocular deprivation did not boost the increased activity onto PV cells. Interestingly, paired recordings in layer 4 showed no changes of inhibitory unitary connections, with or without PNNs. In order to understand the circuit mechanisms underlined, we expressed the light-sensitive opsin ChR2 in the visual thalamus. We found that PNN removal increases the recruitment of PV cells by thalamocortical fibers leading to an increase of feedforward inhibition. These results are in agreement with V1 recordings in vivo of visually evoked potentials in response of increasing contrast. Indeed, PNN disruption caused a reduction of the slope of the contrast sensitivity curve, indicating a higher recruitment of inhibition.

In der vorliegenden Dissertation wurden Neurone untersucht, die von einer speziellen Form der extrazellulären Matrix, dem perineuronalen Netz (PN), umgeben sind. Neurone mit einem PN zeichnen sich durch eine geringe Vulnerabilität bei neurodegenerativen Erkrankungen aus. Da das PN mit hoher Affinität Eisen bindet, war zu klären, ob das PN den Eisenhaushalt der Neurone beeinflusst und diese mit einer protektiven Eigenschaft gegenüber Eisen-induzierten oxidativen Stress ausstattet. Es wurde die Eisenkonzentration und der Gehalt an Eisentransport- und Eisenspeicherproteinen von Neuronen mit PN und Neuronen ohne PN in der Ratte untersucht. Dabei kamen quantitative Methoden wie die ortsaufgelöste Ionenstrahlmikroskopie und die Objektträger-basierte Laser Scanning Zytometrie sowie Western Blot Analysen und quantitative Real-Time-PCR zum Einsatz. Die Untersuchungen zeigen, dass Neurone, die mit einem PN umgeben sind, eine höhere Konzentration an Eisen sowie Eisentransport- und Eisenspeicherproteinen besitzen als Neurone ohne ein PN. Das PN könnte so den Eisenhaushalt der Neurone beeinflussen und diese mit einer protektiven Eigenschaft gegenüber Eisen-induziertem oxidativen Stress ausstatten.

The brain extracellular space (ECS) contains specified macromolecules forming the extracellular matrix (ECM), containing a high amount of negative charges that could bind water or other soluble ions and molecules diffusing within the ECS. In specific brain areas, the ECM molecules form a condensed, reticular-like structure of perineuronal nets (PNNs). It has been found that PNNs appear at the end of the critical period, when they stabilize the synapses and terminate their plasticity and may have also neuroprotective function. To study the role of brain link protein 2 (Bral2) in stabilizing the ECM complexes, we employed the real-time iontophoretic method and immunohistochemical analysis to show the difference in the ECS diffusion parameters and level of expression of the ECM molecules between the wild type and Bral2-deficient mice. We also compared changes in the ECS diffusion parameters induced by Bral2 deficiency with those appeared after enzymatic destruction of the ECM by the chondroitinase ABC (chABC). In the Bral2-deficient mice, we discovered significantly decreased values of tortuosity in the trapezoid body. This difference was age related and did not manifest itself in young mice. Immunohistochemical analysis showed that inferior colliculus does not contain Bral2-brevican based...

Tauopathy is accompanied by both loss of neurons and synapses. The neuronal loss is irreversible with very low chance of functional replacement therapy. However, lost synapses could be restored with proper stimuli. Perineuronal nets (PNNs) are serving as a protecting barrier for neurons, on the other hand they are significantly decreasing the synaptic plasticity. Temporary disintegration of the PNNs by enzymatic therapy might lead to rewiring and accelerate processes of memory and learning. Model of Cold Induced plasticity leads to the withdrawal of significant number of synapses across the brain. The recovery of these could be followed in healthy and diseased animals. Moreover, it can stimulate Cold shock protein dependent neuroprotective mechanisms. This master thesis is focused on these two forms of synaptic plasticity models; forced remodeling of PNNs and model of cold induced synaptic plasticity. Both will serve as a tool to modulate processes of memory and learning in the P301S tauopathy, in mice. In detail, the work will follow changes in the number of synapses at the region of CA1 of hippocampus and synaptic protein levels at level of whole hippocampus and behavioral recovery of pre-trained long-term memory task dependent on dorsal hippocampus. Key words: Perineuronal nets, aggrecan,...