Cellular mechanisms of brain-derived neurotrophic factor mediated synapse reorganization following hippocampal injury

Brain injury and neurological disorders can adversely impact the way that we communicate with the environment and therefore detrimentally affect quality of life for patients. Synapses, which are important neuronal structures that mediate communication between neurons, can become dysfunctional after brain injury. It is generally thought that synaptic dysfunction underlies the cognitive deficits that patients experience following brain injury and disease. As such, synapses represent an interesting target for therapeutic intervention in order to limit the damage that brain insults have on cognition. In the case of post-traumatic epilepsy and ischemia, both excitatory and inhibitory synapses are remodelled, which can have devastating effects to existing functional neuronal networks. Though there are some theories on how trauma can lead to long-term functional deficits through neurocircuitry reorganization, there is still a paucity of information on the cellular mechanisms underlying synapse remodeling. In this thesis, I studied the role of the neurotrophin, brain-derived neurotrophic factor (BDNF) in synaptic reorganization following hippocampal injury, a brain region which is important for learning and memory. BDNF plays a crucial role in development of both excitatory glutamatergic and inhibitory GABAergic synapses. Interestingly, BDNF is highly upregulated after many different types of brain injury, including stroke and epilepsy. Some neuroscientists believe that this increase in BDNF is an attempt by the brain to ameliorate injury, but may actually revert the central nervous system to a more juvenile and aberrant state thereby provoking further injury. In my thesis I hypothesized that (1) BDNF can downregulate excitatory and inhibitory neurotransmission following ischemia, (2) BDNF mediates axonal reorganization and network hyperexcitability in a model of post-traumatic epilepsy and (3) BDNF-mediated axonal reorganization is due to a misappropriation of activity-dependent transcription of the Bdnf gene. In order to test my hypotheses, I used organotypic hippocampal slice cultures and subjected them to two well-established in vitro models of hippocampal injury for long-term studies on neuronal networks: (1) oxygen-glucose deprivation, focusing on area CA1, the hippocampal region most susceptible to ischemia and (2) Schaffer collateral lesion, focusing on area CA3, the region where axon sprouting and hyperexcitability occurs in response to Schaffer collateral injury. I then combined confocal microscopy, immunofluorescence, molecular biology and electrophysiology to study synapse function, morphology and signaling. I found that after ischemia to organotypic hippocampal slices, BDNF can downregulate GABAergic synapses structurally and functionally through the high-affinity TrkB receptor. Moreover, I found that proBDNF, the precursor protein of BDNF, can downregulate glutamatergic synapses structurally and functionally through the low-affinity p75NTR receptor. Accordingly, my findings identify distinct signaling cascades that specifically provoke acute excitatory or inhibitory synapse loss after ischemia. Therefore, these signaling cascades represent putative therapeutic targets for prevention of cognitive deficits following ischemic stroke.I next wanted to determine if BDNF played a role in another type of hippocampal injury such as post-traumatic epilepsy. Using the Schaffer collateral transection model, I found that bdnf mRNA expression is upregulated shortly following a lesion and that scavenging BDNF with TrkB-Fc prevented lesion-induced axonal remodeling and inhibited the formation of a recurrent network. Given that axonal remodelling is a classic hallmark of post-traumatic epilepsy, my data identifies a specific therapeutic pathway that may prevent epileptogenesis in patients following traumatic brain injury. Lastly, in order to better understand the source of this BDNF and also identify other therapeutic targets...Les lésions cérébrales et les troubles neurologiques peuvent altérer nos interactions avec l'environnement de sorte à réduire la qualité de vie des patients. Les synapses sont des structures neuronales importantes pour la communication entre neurones qui peuvent devenir dysfonctionnelles à la suite d'une lésion cérébrale. Cette dysfonction synaptique est généralement reconnue comme étant la cause des déficits cognitifs chez ces mêmes patients. Les synapses représentent une cible thérapeutique intéressante afin de réduire les déficits cognitifs résultant des lésions cérébrales et des troubles neurologiques. Dans le cas de l'épilepsie post-traumatique et de l'ischémie, les synapses excitatrices et inhibitrices sont réorganisées, ce qui peut avoir des effets dévastateurs sur les réseaux neuronaux fonctionnels. Même si quelques théories permettent d'expliquer la façon dont un traumatisme peut induire à long terme des déficits fonctionnels grâce à une réorganisation neuronale, il y a encore un manque d'informations sur les mécanismes cellulaires sous-tendant cette réorganisation. Dans le cadre de cette thèse, j'ai étudié le rôle de la neurotrophine brain-derived neurotrophic factor (BDNF) au niveau de la réorganisation synaptique suite à une lésion de l'hippocampe, une région du cerveau qui est importante pour l'apprentissage et la mémoire. Le BDNF est une molécule cruciale pour le développement des synapses glutamatergiques et GABAergiques. L'expression de cette protéine est fortement augmentée suivant différents types de lésions cérébrales, y compris les accidents cérébro-vasculaires et l'épilepsie. Cette augmentation du BDNF pourrait être une tentative pour améliorer une blessure mais peut aussi détériorer le système nerveux central et provoquer des blessures plus graves dans le cas d'un cerveau plus juvénile et anormal. Dans cette thèse, j'ai émis l'hypothèse que (1) le BDNF peut réguler négativement la neurotransmission excitatrice et inhibitrice suite à une ischémie, (2) le BDNF facilite la réorganisation axonale et l'hyperexcitabilité du réseau neuronal dans un modèle d'épilepsie post-traumatique et (3) la réorganisation axonale facilitée par le BDNF est causé à un dérèglement de la transcription dépendante de l'activité du gène codant pour le bdnf. Pour vérifier ces hypothèses, j'ai utilisé des cultures organotypiques d'hippocampe dans deux différents modèles reconnus pour l'étude à long terme des réseaux neuronaux suivant une ischémie ou une lésion: (1) la privation oxygène-glucose en ciblant la zone CA1, soit la région de l'hippocampe la plus sensible à l'ischémie; (2) la lésion collatérale de Schaffer en ciblant la zone CA3, soit la région où la régénération d'axones et l'hyperexcitabilité se produisent en réponse à une atteinte. J'ai ensuite combiné la microscopie confocale, l'immunofluorescence, la biologie moléculaire et l'électrophysiologie pour étudier la fonction des synapses, leurs morphologies ainsi que leurs signalisations intracellulaires. J'ai trouvé qu'en condition ischémique, le BDNF peut structurellement et fonctionnellement réguler à la baisse les synapses GABAergiques via le récepteur à haute affinité TrkB. Par ailleurs, j'ai trouvé que la protéine précurseur du BDNF, le proBDNF, peut aussi réguler de façon structurelle et fonctionnelle les synapses glutamatergiques via le récepteur à basse affinité p75NTR. Par conséquent, mes résultats permettent d'identifier certaines cascades de signalisations qui provoquent la perte à court terme des synapses excitatrices ou inhibitrices suite à l'ischémie. Ces mêmes cascades de signalisation représentent donc des cibles thérapeutiques possibles pour la prévention des déficits cognitifs après un évènement ischémique. Par la suite, j'ai cherché à déterminer si le BDNF joue un rôle dans l'épilepsie post-traumatique. En utilisant toujours des cultures organotypique d'hippocampe dans le modèle de lésion collatérale de Schaffer, j'ai mis en évidence que..