Tracking neuronal development in the adult brain neuronal migration and is defined by transmembrane

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  • Tracking neuronal development in the adult brain

    Thèse

    Karen Bakhshetyan

    Doctorat en biophotonique

    Philosophiæ doctor (Ph. D.)

    Québec, Canada

    © Karen Bakhshetyan, 2017

  • Tracking neuronal development in the adult brain

    Thèse

    Karen Bakhshetyan

    Sous la direction de:

    Armen Saghatelyan, directeur de recherche

    Tigran Galstian, codirecteur de recherche

  • iii

    Résumé

    Les connaissances des voies moléculaires et cellulaires régulant le développement neuronal

    dans le cerveau adulte peuvent être utilisées pour mettre au point des stratégies efficaces de

    thérapie de remplacement cellulaire. L’étude de la dynamique et des mécanismes

    nécessaires à la neurogenèse adulte, requiert des techniques d’imagerie en temps réel. En

    outre, il est important de développer des méthodes d'imagerie sans marqueurs.

    Mon travail vise, en partie, à relever ces défis. Les néo-neurones générés chez l’adulte

    migrent densément le long des vaisseaux sanguins et des tubes gliaux dans le courant de

    migration rostral (CMR). Cet alignement peut créer une anisotropie qui peut être détectée

    en lumière polarisée. J'ai d'abord essayé cette technique pour la détection sans marqueurs

    des cellules migratrices dans le CMR. Bien que l’imagerie avec la lumière polarisée suscite

    certaines espérances, elle a toutefois fait apparaître que l'anisotropie des cellules

    migratrices est très faible et que sa détection est entravée par des signaux de fortes

    intensités provenant des axones myélinisés se trouvant à proximité.

    Ensuite, j'ai étudié la migration des neuroblastes marqués viralement pour élucider certains

    mécanismes nécessaires à leur migration. La signalisation GABAergique joue un rôle

    important dans la migration neuronale, déterminée par le gradient chlorique trans-

    membranaire. Ce dernier est, à son tour, contrôlé par KCC2, un co-transporteur responsable

    de l'extrusion de Cl-. Il est connu que KCC2 est exprimé dans les stades de développement

    plus avancés. Toutefois, le rôle de KCC2 dans la migration neuronale est inconnu et mes

    expériences suggèrent que ce co-transporteur est impliqué dans la migration radiale, mais

    pas tangentielle, de neuroblastes.

    Enfin, j'ai exploré in vivo comment la plasticité structurelle des néo-neurones générés chez

    l’adulte dans le bulbe olfactif (BO) est modulée par les odeurs. On ne sait pas comment le

    fonctionnement du BO s’ajuste à l’environnement olfactif de facon rapide lorsque de

    nouvelles synapses de néo-neurones ne sont pas encore formées. Mes données in vivo

    d'imagerie à deux photons complètent les travaux antérieurs de notre laboratoire, révélant

    une nouvelle forme de plasticité structurale dans le cerveau adulte.

  • iv

    Ainsi, en utilisant diverses méthodes d'imagerie j'ai essayé de mieux comprendre la

    migration et la plasticité des nouveaux neurones dans le cerveau adulte.

  • v

    Abstract

    The knowledge about molecular and cellular pathways orchestrating neuronal development

    in the adult brain can be used to build up efficient strategies for cell replacement therapies.

    Adult neurogenesis is a very dynamic process, and it is crucial to monitor it directly to

    decipher mechanisms required for neuronal development. Furthermore, it is important to

    develop label-free imaging methods.

    My work is, in part, aimed at addressing these challenges. Adult-born neurons migrate

    densely along blood vessels and glial tubes in the rostral migratory stream (RMS). This

    alignment may create anisotropy which can be detected in polarized light. I first tried this

    technique for label-free detection of migratory cells in the RMS. While this imaging may

    have some promises, it showed that anisotropy in migrating cells is quite low and its

    detection is hampered by large signals deriving from nearby myelinated axons.

    I further studied the migration of virally labeled neuroblasts to elucidate some of the

    mechanisms required for their migration. GABAergic signaling plays an important role in

    neuronal migration and is defined by transmembrane Cl- gradient. This, in turn is controlled

    by the Cl- extruding co-transporter KCC2, known to have a late developmental expression.

    The role of KCC2 in neuronal migration is unknown and my experiments suggest that this

    co-transporter is involved in the radial, but not tangential migration of neuroblasts.

    Finally, I explored in vivo the odor-related structural plasticity of adult-born neurons in the

    olfactory bulb (OB). It remains unknown how OB functioning is adjusted to rapidly

    changing odor environment when new synapses of adult-born neurons have not yet been

    formed. My in vivo two-photon imaging data complements the previous work in our lab,

    revealing altogether a new form of structural plasticity in the adult OB.

    Thus, using diverse imaging methods I tried to better understand the migration and

    plasticity of new neurons in the adult brain.

  • vi

    Table of Contents

    Résumé .................................................................................................................................. iii

    Abstract ................................................................................................................................... v

    Table of Contents .................................................................................................................. vi

    List of tables ........................................................................................................................... x

    List of figures ........................................................................................................................ xi

    List of abbreviations ............................................................................................................ xiv

    Acknowledgements ............................................................................................................ xvii

    Foreword ............................................................................................................................ xviii

    1. Introduction ..................................................................................................................... 1

    1.1. Adult Neurogenesis .................................................................................................. 1

    1.1.1. Neuronal development in adult rodent brain ..................................................... 1

    1.1.2. The olfactory system ......................................................................................... 4

    1.1.3. Proliferation of neuronal precursors in the SVZ ............................................... 9

    1.1.4. Migration of neuroblasts in the adult brain ..................................................... 10

    1.1.5. Maturation and integration of adult-born interneurons in the OB .................. 12

    1.1.6. Synaptic development of adult-born GCs ....................................................... 15

    1.1.7. Adult neurogenesis as a form of structural plasticity to adjust OB

    network to changing environmental conditions .............................................. 17

    1.2. Overview of GABAergic signaling in the brain ..................................................... 19

    1.2.1. The role of GABA in neuronal development during embryogenesis and in adulthood ..................................................................................................... 20

    1.2.2. Cation-chloride cotransporters ........................................................................ 23

    1.2.3. The role of KCC2 in brain development ......................................................... 24

    1.2.4. The role of KCC2 and Cl- gradient in neuronal migration .............................. 27

    1.3. Tools for imaging neuronal development .............................................................. 29

    1.3.1. Fundamentals of optical microscopy............................................................... 29

    1.3.2. Wide-field and two-photon imaging ............................................................... 33

    1.3.3. Light polarization ............................................................................................ 36

    1.3.4. Label-free imaging using polarized light ........................................................ 38

    1.3.5. Polarized light imaging in biomedical applications ........................................ 40

    1.4. Neurodegenerative disorders. Parkinson’s disease. ............................................... 41

    2. Thesis objectives ........................................................................................................... 43

  • vii

    3. Results - Comparative study of myelinated fiber bundles with polarized light

    imaging under normal and pathological conditions ...................................................... 45

    3.1. Résumé .......................................