tre :

École doctorale et discipline ou spécialité :

Université Toulouse 3 Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier)

ED BSB : Neurosciences

Charlotte BEZZINAlundi 14 septembre 2015

L'hypersynchronie neuronale chez les souris Tg2576 modèles de la maladied'Alzheimer et sa modulation par l'enrichissement environnemental

Centre de Recherches sur la Cognition Animale

Dr. Lionel Dahan, Maître de Conférences Université Paul SabatierDr. Claire Rampon, Directeur de Recherches CNRS

Dr. Valérie Crépel, Directeur de Recherches INSERMDr. Cécile Viollet, Directeur de Recherches CNRS

Dr. Nathalie Thiriet-Solinas, Maître de Conférences Université de PoitiersPr. Jérémie Pariente, Professeur des Universités et Praticien Hospitalier

1

Remerciements

Même si aujourd’hui je change d’orientation professionnelle, je suis contente d’avoir passé 3 ans de

ma vie au CRCA pour toutes les personnes passionnées et généreuses que j’y ai rencontré. Et parmi

elles, Lionel et Claire qui ont su me donner l’envie de rester. Je les remercie du fond du cœur pour

m’avoir toujours bien accompagnée en acceptant mes choix. Je remercie en particulier Lionel qui n’a

pas compté ses heures pour me former, pour m’apprendre une quantité de choses, en passant par la

dopamine et les stats, ou pour écouter mes petits tracas.

J’ai beaucoup aimé travaillé dans l’équipe MPV où l’on se sent comme dans une grande famille. Je

remercie tous les chercheurs de l’équipe mais tout particulièrement Laure, qui m’a beaucoup appris

techniquement et enrichi scientifiquement. Je remercie le personnel en charge de l’animalerie et en

particulier tatie Hélène pour m’avoir toujours écoutée et supportée face à certains problèmes

personnels.

Je remercie tous mes co-thésards d’avoir créé une si bonne ambiance de travail et tout

particulièrement : Alice KREZYMON, pour m’avoir formé au tout début de ma thèse, en me laissant

sa méthode de quantification du NPY foireuse ! Kevin RICHETIN, pour son dynamisme et sa passion

de vivre, son envie de parler (toujours), son intérêt pour les débats scientifiques internes à notre

petit bureau, pour son aide pour tous les problèmes techniques possibles et imaginables et j’en

oublie surement. Jessica REMAUD, pour avoir été mon bras droit de l’électrophysiologie au début, au

milieu et à la fin de ma thèse et Petnoi PETSOPHONSAKUL, pour sa gentillesse, son calme et son

sourire inaltérables (vive la culture thaïlandaise !), pour avoir considérablement augmenté mon

niveau d’anglais et pour son soutien en toutes situations.

Je voudrais remercier tout particulièrement Julien CARPONCY du CNL de Lyon pour son aide en

analyse du signal EEG et pour avoir bataillé à m’apprendre à utiliser Matlab tout en gardant sa bonne

humeur.

L’équipe est toujours plus triste sans les stagiaires qui l’ont peuplé et pour tous ces bons moments

passés avec eux je les remercie infiniment. Je voudrais d’abord remercier mes propres stagiaires

Marie Lods et Emmeline Di Donato pour leur aide précieuse mais surtout Cécile Juan pour son

dynamisme et sa rigueur qui ont joué un rôle si important quand il a fallu calibrer l’appareillage EEG

et mettre au point les méthodes d’analyse du signal. Je remercie aussi les autres étudiants en

License/ Master ou autre de l’équipe, qui sont passé par là, le temps de ma thèse et en particulier

2

Vanessa CATTAUD, Christophe REY, Céline DERREUMAUX, Adel BEN-KRAIEM, Emilie DIA, Jean Arnaud

BASILE, Antoine LEGOFF, Marie RIEUX, Fanny ROUMIER, Magali ALONZO, Falek ZAIDI.

Je remercie les personnels techniques et administratifs pour leur aide et leur grande sympathie et en

particulier Stéphane FERRERE pour avoir construit une grande partie de mon matériel

d’enregistrement EEG, Patrick ARRUFAT pour avoir construit mes câbles d’enregistrement EEG et

pour tous ses conseils théoriques sur le courant électrique auxquels je ne pige toujours rien.

Je remercie aussi tous les membres (actuels ou anciens) des autres équipes du CRCA et en particulier

Martin GIURFA et les étudiants Daniel CALOVI, Sarah ARGANDA-CARRERAS, Sofia BOUCHEBTI, Fabien

DEMARES et Sepideh BAZAZI.

Je remercie aussi très fort les amis du CBD pour les parenthèses hors-labo : Aurélie MILLET, Manon

MOULIS, Camille TEMPESTA, Isabelle LOURADOUR, Thomas DELERUE, Frédéric BONNET, Dorian

FARACHE, Marion MILLER et les autres que j’oublie.

Je remercie ma famille et surtout Julien d’être entré dans ma vie et de m’avoir soutenu tout au long

de cette thèse.

Merci à tous !

3

PUBLICATIONS ET COMMUNICATIONS

Travail de thèse publié :

Charlotte Bezzina, Laure Verret, Cécile Juan, Jessica Remaud, Hélène Halley, Claire Rampon* and

Lionel Dahan*. Early onset of hypersynchronous network activity and expression of a marker of

chronic seizures in the Tg2576 mouse model of Alzheimer’s disease. Plos One, 2015 Mar

13;10(3):e0119910

Charlotte Bezzina et Claire Rampon, Réserve cérébrale et réserve cognitive dans la maladie

d’Alzheimer : l’apport des modèles murins. La Revue de Neuropsychologie, 2013 ; 5 (4) : 293-7

Travail de thèse en cours de publication :

Charlotte Bezzina, Laure Verret, Hélène Halley, Lionel Dahan* and Claire Rampon*. Environmental

enrichment does not influence hypersynchronous network activity in the Tg2576 mouse model of

Alzheimer’s disease. En préparation

Travaux de thèse présentés lors de congrès scientifiques nationaux

Charlotte Bezzina, Cécile Juan, Alice Krezymon, Hélène Halley, Jean-Michel Lassalle, Laure Verret,

Claire Rampon and Lionel Dahan "Impact of early environmental enrichment on epileptic phenotype

in Tg2576 (APPswe) mice, a mouse model of Alzheimer's disease. " présenté au 11° colloque de la

Société des Neurosciences, Lyon 21-24 mai 2013

Charlotte Bezzina, Laure Verret, Cécile Juan, Jessica Remaud, Hélène Halley, Claire Rampon and

Lionel Dahan. “Early onset of epileptic phenotype in the Tg2576 mouse model

of Alzheimer’s disease”, présentation orale courte au congrès GDR NeuroMem à Grasse le

15/05/2014

Financement:

Agence Régionale de Santé d’Aquitaine- Salaire d’interne en pharmacie

4

Encadrements de stages

Janvier –mai 2013 : Cécile Juan (M2, 5 mois). Sujet : Activité épileptique et effet de l’environnement

enrichi chez des souris Tg2576 (APPSwe), modèles de la maladie d’Alzheimer (Mise en place des

enregistrements EEG et détection des pointes interictales)

Juillet-Aout 2013 : Emmeline Di Donato (M1 médecine, 3 semaines).

Juillet 2013 : Marie Lods (M1, 1 mois) : Etude préliminaire électro-encéphalographique in vivo chez la

souris saine et Tg2576 du rythme thêta hippocampique et de l’effet de l’enrichissement sur ce

rythme

5

Résumé

La maladie d’Alzheimer (MA) se caractérise par une accumulation de peptide amyloïde et par un

déclin progressif des capacités mnésiques, qui peuvent être modélisés par des lignées de souris

transgéniques qui surexpriment une forme mutée du précurseur du peptide amyloïde. Un

environnement cognitivement stimulant peut retarder le déclin mnésique chez les patients atteints

de la MA. Notre équipe a montré qu’un enrichissement environnemental (EE) précoce améliore

durablement les capacités mnésiques des souris Tg2576, modèle progressif de la MA. Cependant, les

bases neurobiologiques sous-tendant le maintien des capacités mnésiques chez ces souris sont

inconnues. Il est possible que l’EE prévienne certains évènements pathologiques contribuant au

déclin mnésique chez les souris Tg2576. Or, l’hypersynchronie neuronale est un évènement précoce

dans le décours de la MA qui pourrait jouer un rôle dans la dysfonction mnésique. En effet, les

patients atteints de la MA et les souris modèles de la MA présentent des crises d’épilepsie et

l’administration d’antiépileptiques permet d’améliorer leurs performances mnésiques. Dans ce

contexte, les objectifs principaux de ma thèse ont été : 1) de mettre en évidence une

hypersynchronie neuronale chez les souris Tg2576 et d’en déterminer l’âge d’apparition par rapport

aux premiers déficits mnésiques connus dans cette lignée 2) de déterminer si un enrichissement

environnemental qui améliore durablement les performances mnésiques de ces souris réduit

également cette hypersynchronie neuronale. Pour répondre à ces deux objectifs, nous avons évalué

l’hypersynchronie neuronale de souris Tg2576 mâles à différents âges ainsi que celle de souris

Tg2576 femelles ayant ou non été exposées à un enrichissement environnemental. Pour cela, nous

avons mesuré la susceptibilité aux crises d’épilepsie induites par un agent proconvulsivant ainsi que

la fréquence des pointes interictales sur l’électroencéphalogramme (EEG). Nous avons également

recherché systématiquement la présence d’un marqueur de crises d’épilepsie : l’expression du

neuropeptide Y dans les fibres moussues. Ce travail a permis de montrer qu’une hypersynchronie

neuronale apparait dès l’âge de 1,5 mois chez les souris Tg2576, avant leurs premiers déficits

mnésiques, mais que l’enrichissement environnemental ne l’influence pas. Nous avons également

observé que les pointes interictales surviennent de façon prédominante pendant le sommeil chez les

souris Tg2576, avec une fréquence maximale en sommeil paradoxal. De plus, les souris Tg2576

présentent une augmentation globale de la puissance des oscillations EEG entre 5 et 100 Hz, mais qui

n’est pas modulée par l’enrichissement environnemental. En conclusion, mon travail de thèse a

montré que l’hypersynchronie neuronale peut précéder le déclin mnésique chez les souris Tg2576 et

que l’enrichissement environnemental permettrait plutôt de développer des stratégies cognitives

alternatives que d’agir sur une altération de l’activité cérébrale telle que l’hypersynchronie

neuronale.

6

Abstract

Alzheimer’s disease (AD) is characterized by an accumulation of amyloid peptides and by a

progressive memory loss. These AD features can be modeled in transgenic mouse lines that

overexpress mutant forms of the amyloid precursor protein. Environmental cognitive stimulations

can delay memory decline in AD patients. Our team showed that an early environmental enrichment

(EE) durably improves memory performances in Tg2576 mice, a progressive model of AD.

Nevertheless, the neurobiological processes underlying the maintenance of memory performances in

these mice remain unknown. EE might prevent some pathological events that contribute to memory

deficits in Tg2576 mice. Among them, we focused on neuronal hypersynchrony. Indeed, AD patients

and related mouse models exhibit seizures and some antiepileptic treatments can improve their

memory performances. In this context, the two principal aims of this work were: 1) to evidence

neuronal hypersynchrony in Tg2576 mice and precise its onset relative to the onset of memory

deficits in this mouse line, 2) to determine if an environmental enrichment protocol that durably

improves memory performances in these mice is able to reduce neuronal hypersynchrony. To this

purpose, we assessed neuronal hypersynchrony at different ages in Tg2576 males as well as in

Tg2576 females housed in enriched or standard conditions. To this end, we measured seizure

susceptibility to a proconvulsant agent and the frequency of spontaneous interictal spikes on

electroencephalographic recordings (EEG). We also looked for a marker of chronic seizures: the

expression of neuropeptide Y in mossy fibers. In this thesis, we evidenced that neuronal

hypersynchrony appears as soon as 1.5 months of age in Tg2576 mice, before their first memory

deficits but that environmental enrichment does not influence it. We also observed that interictal

spikes preferentially occur during sleep, their rate rising to its maximum during paradoxical sleep.

Finally, Tg2576 mice present an overall increase in the power of EEG oscillations between 5 and 100

Hz, which is not affected by environmental enrichment. In conclusion, my thesis work showed that

neuronal hypersynchrony precedes memory decline in Tg2576 mice and that environmental

enrichment would rather promote the establishment of alternative cognitive strategies than

preventing some alterations of brain neuronal activity such as neuronal hypersynchrony.

7

TABLES DES MATIERES

8

9

TABLES DES MATIERES INTRODUCTION GENERALE ................................................................................................................... 17

I) La maladie d’Alzheimer ................................................................................................................. 17

I.1) Historique et épidémiologie ................................................................................................... 17

I.2) Les atteintes cognitives de la MA ........................................................................................... 18

I.3) Les altérations structurales dans la MA ................................................................................. 20

I.3.1) L’atrophie cérébrale ........................................................................................................ 20

I.3.2) Les plaques séniles .......................................................................................................... 21

I.3.3) Les dégénérescences neurofibrillaires ............................................................................ 22

I.4) Bases moléculaires de la maladie d’Alzheimer : les hypothèses alternatives amyloïde et tau .. 23

I.4.1) Hypothèse amyloïde ........................................................................................................ 23

I.4.1.1) Le clivage protéolytique de l’APP ............................................................................. 23

I.4.1.2) Les présénilines et l’activité γ-sécrétase .................................................................. 24

I.4.1.3) Historique de la cascade amyloïde ........................................................................... 25

I.4.2) La protéine Tau dans la MA ............................................................................................. 26

I.5) Les différents modèles de la MA ............................................................................................ 27

I.5.1) Vue d’ensemble des différents modèles animaux de la MA ........................................... 27

I.5.2) Le modèle murin de la MA utilisé dans cette thèse : les souris Tg2576 ......................... 30

II) Activité électrique normale du cerveau et son altération dans l’épilepsie ................................. 32

II.1) Les oscillations cérébrales normales ..................................................................................... 32

II.1.1) Nature des oscillations cérébrales ................................................................................. 32

II.1.1.1) Découverte des oscillations cérébrales ................................................................... 32

II.1.1.2) Bases neurobiologiques du signal EEG .................................................................... 32

II.1.2) Caractéristiques générales et mesures relatives aux oscillations ................................. 34

II.1.3) Les structures impliquées dans les oscillations normales .............................................. 35

II.1.3.1) Introduction ............................................................................................................. 35

II.1.3.2) L’hippocampe .......................................................................................................... 35

II.1.3.3) Le septum médian ................................................................................................... 36

II.1.3.4) Le cortex entorhinal ................................................................................................ 36

II.1.3.5) Les interneurones .................................................................................................... 37

II.1.4) Les différents états de vigilance ..................................................................................... 38

II.1.4.1) Les différents états de vigilance : activité oscillatoire et fonctions ........................ 38

II.1.4.2) Bases neurobiologiques de la régulation du cycle veille-sommeil .......................... 41

10

II.2) L’épilepsie, trouble de la synchronie neuronale ................................................................... 43

II.2.1) Définition ........................................................................................................................ 43

II.2.2) Etiologie et phénoménologie de l’épilepsie ................................................................... 44

II.2.3) Occurrence des crises d’épilepsie en fonction du cycle veille-sommeil ........................ 46

II.2.4) Altérations cellulaires de l’épileptogenèse .................................................................... 47

II.2.4.1) Vue d’ensemble des altérations cellulaires dans un contexte d’épilepsie ............. 47

II.2.4.2) Modifications de l’expression du neuropeptide Y et autres modifications cellulaires

liées ........................................................................................................................................ 47

II.2.4.3) Modification d’expression de la calbindine dans l’épilepsie ................................... 49

II.2.5) Les modifications oscillatoires dans un contexte d’épilepsie ........................................ 49

II.2.5.1) Oscillations thêta ..................................................................................................... 49

II.2.5.2) Oscillations gamma ................................................................................................. 50

II.2.5.3) Fast Ripples ou Oscillations de très haute fréquence ............................................. 51

II.2.6) Impact cognitif de l’épilepsie ......................................................................................... 51

III) Altération de l’activité des réseaux neuronaux dans la maladie d’Alzheimer ............................ 54

III. 1) Altération du sommeil dans la MA ...................................................................................... 54

III.1.1) Chez l’homme ................................................................................................................ 54

III.1.2) Dans les modèles murins de la MA ............................................................................... 54

III.2) Altération des oscillations cérébrales dans la MA ............................................................... 55

III.2.1) Chez l’homme ............................................................................................................... 55

III.2.2) Dans les modèles murins de la MA ............................................................................... 56

III.3) L’épilepsie dans la MA .......................................................................................................... 58

III.3.1) Données épidémiologiques sur les crises d’épilepsie dans la MA ............................... 58

III.3.1.1) Prévalence des crises d’épilepsie dans les formes sporadique et familiale de la MA

............................................................................................................................................... 58

III.3.1.2) Type de crises et prévalence des anomalies épileptiformes ................................. 59

III.3.1.3) Problèmes méthodologiques des études sur l’épilepsie dans la MA .................... 60

III.3.2) Le phénotype épileptique décrit chez les souris modèles de la MA ............................. 60

III.3.2.1) Susceptibilité aux crises induites ........................................................................... 60

III.3.2.2) Fréquence des crises d’épilepsie chez les souris modèles de la MA ...................... 60

III.3.2.3) Type de crises ......................................................................................................... 61

III.3.2.4) Anomalies épileptiformes ..................................................................................... 62

III.3.2.5) Marqueurs protéiques d’épilepsie ......................................................................... 62

III.3.3) Mécanismes cellulaires de l’hypersynchronie neuronale dans la MA ......................... 64

III.3.3.1) Altération de l’excitabilité neuronale chez les souris modèles de la MA ............. 64

11

III.3.3.2) Altération des interneurones ................................................................................. 66

III.3.3.3) Réponse aux antiépileptiques ................................................................................ 68

III.3.3.4) Quels acteurs de la physiopathologie de la MA pourraient être en cause dans

l’altération de l’activité neuronale ? ..................................................................................... 68

III.3.4) Lien entre l’hypersynchronie neuronale et troubles cognitifs dans la MA ................... 71

IV) Le concept de réserve cognitive et l’enrichissement environnemental ...................................... 73

IV.1) Historique et études épidémiologiques ............................................................................... 73

IV.2) Concepts de réserve cérébrale et de réserve cognitive ....................................................... 74

IV.3) Modélisation de la réserve cognitive chez l’animal ............................................................. 75

IV.4) Effets cellulaires et moléculaires de l’EE .............................................................................. 76

IV.5) Effets de l’EE sur la mémoire chez les modèles murins de la MA ........................................ 76

IV.6) Effets de l’EE sur les crises d’épilepsie ................................................................................. 78

OBJECTIFS .............................................................................................................................................. 79

MATERIELS ET METHODES .................................................................................................................... 87

I) Animaux ..................................................................................................................................... 87

II) Enrichissement environnemental ............................................................................................. 88

III) Evaluation comportementale de la susceptibilité aux crises d’épilepsie induites par le

pentylenetetrazole (PTZ) ................................................................................................................... 89

IV) Immunohistochimie du neuropeptide Y dans l’hippocampe ................................................ 90

IV.1) Perfusion intracardiaque ...................................................................................................... 90

IV.2) Obtention et conservation des coupes histologiques.......................................................... 90

IV.3) Immunohistochimie ............................................................................................................. 91

IV.4) Interprétation de l’immunohistochimie NPY ....................................................................... 92

V) Enregistrements électro-encéphalographiques (EEG) in vivo ................................................... 93

V.1) Fabrication des électrodes .................................................................................................... 93

V.2) Anesthésie / Chirurgie ............................................................................................................ 94

V.2.1) Anesthésie à l’hydrate de chloral ................................................................................... 94

V.2.2) Anesthésie gazeuse ........................................................................................................ 94

V.3) Enregistrements EEG .............................................................................................................. 96

V.4) Analyse du signal EEG ........................................................................................................... 98

V.4.1) Détermination des états de vigilance sur la base de l’EEG de souris ............................ 98

V.4.2) Détection des pointes interictales ................................................................................. 99

V.4.3) Analyse spectrale des états de vigilance ..................................................................... 100

V.4.4) Spectre de puissance avant les pointes interictales ..................................................... 101

VI) Analyses statistiques et illustrations .......................................................................................... 102

12

RESULTATS ........................................................................................................................................... 103

CHAPITRE I : Apparition précoce de l’hypersynchronie neuronale chez les souris Tg2576 ............ 107

I.1) Introduction........................................................................................................................... 107

I.2) Manuscrit publié ................................................................................................................... 108

CHAPITRE II : Effet de l’enrichissement environnemental sur l’hypersynchronie neuronale chez les

souris Tg2576 .................................................................................................................................. 125

II.1) Résumé ................................................................................................................................. 125

II.2) Manuscrit publié .................................................................................................................. 126

II.3) Résultats complémentaires ................................................................................................. 135

Chapitre III : Etude de la répartition des pointes interictales en fonction des états de vigilance chez

les souris mâles Tg2576. .................................................................................................................. 141

III.1) Analyse quantitative des états de vigilance ....................................................................... 141

III.2) Répartition des pointes interictales entre les différents états de vigilance ...................... 143

III.3) Discussion ............................................................................................................................ 145

Chapitre IV : Etude de la puissance des oscillations cérébrales chez les souris Tg2576 mâles ...... 151

IV.1) Spectres de puissance ........................................................................................................ 151

IV.2) Analyse de la puissance par bandes de fréquence en fonction du génotype et de l’âge ... 154

IV.3) Spectres de puissance avant et après les pointes .............................................................. 157

IV.4) Discussion ........................................................................................................................... 159

IV.5) Annexe ................................................................................................................................ 162

Chapitre V : Effet de l’enrichissement sur l’altération des oscillations cérébrales chez les souris

Tg2576 femelles .............................................................................................................................. 165

V.1) Spectres de puissances des différents états comportementaux des femelles Tg2576 et NTg.

..................................................................................................................................................... 165

V.2) Analyse de la puissance des oscillations par bande de fréquence dans les différents états

comportementaux des souris NTg et Tg2576 ............................................................................. 170

V.3) Discussion ............................................................................................................................. 178

DISCUSSION GENERALE ....................................................................................................................... 183

I) L’hypersynchronie neuronale dans les modèles murins de la MA : mise en perspective du

modèle Tg2576 ................................................................................................................................ 184

II) Le phénotype des souris Tg2576 : épilepsie ou susceptibilité à l’épilepsie? .......................... 188

III) La précocité de l’hypersynchronie neuronale chez les souris Tg2576 ................................ 190

IV) Que nous apprend le modèle Tg2576 sur le rôle de l’hypersynchronie neuronale dans les

troubles mnésiques ? ...................................................................................................................... 191

V) L’effet de l’enrichissement environnemental sur l’hypersynchronie neuronale des souris

Tg2576 ............................................................................................................................................. 193

13

VI) Que nous apprennent ces modèles murins sur l’hypersynchronie neuronale dans la MA chez

l’homme ? ........................................................................................................................................ 195

VII) Conclusion générale de cette thèse ......................................................................................... 197

REFERENCES ........................................................................................................................................ 199

TABLE DES ILLUSTRATIONS .................................................................................................................. 238

ANNEXES .............................................................................................................................................. 241

Bezzina et Rampon, 2014 : Réserve cérébrale et réserve cognitive dans la maladie d’Alzheimer : l’apport des modèles murins…………………………………………………………………………………………………………. 243

14

15

INTRODUCTION GENERALE

16

17

INTRODUCTION GENERALE

I) La maladie d’Alzheimer

I.1) Historique et épidémiologie

La maladie d’Alzheimer a été décrite pour la première fois par Alois Alzheimer en 1906 lors d’une

conférence à Tubingen en Allemagne, puis nommée Maladie d’Alzheimer en 1910 par Kraepelin.

Alois y décrivit le cas de sa défunte patiente, Auguste D. qui présenta à 51 ans, diverses perturbations

cognitives, une désorientation, une aphasie, des idées délirantes et un comportement imprévisible.

A.D mourut 4.5 ans après le début de ses symptômes, montrant à l’examen histopathologique post

mortem une atrophie diffuse du cerveau, la présence d’agrégats diffus (plaques amyloïdes) entre les

neurones et de faisceaux denses de neurofibrilles qui sont aujourd’hui encore les marqueurs

typiques de cette maladie (1).

Parmi les différentes maladies neurodégénératives, la MA est une des premières causes de démence

chez l’adulte dans les pays industrialisés. En France, la MA touche actuellement 850 000 personnes et

on dénombre environ 220 000 nouveaux cas par an (d’après des données épidémiologiques

françaises issues de l’étude PAQUID et de l’association France Alzheimer). Le pourcentage de la

population malade augmente régulièrement avec l’âge qui est un facteur de risque majeur : 0,6%

entre 65-69 ans jusqu’à 22,2% après 90 ans. Selon l’INSEE, la prévalence de la maladie d’Alzheimer

sera de 1,3 millions de français en 2020. La prévalence et la charge économique et sociale que la MA

fait peser sur la société en font un enjeu majeur de santé publique. La MA se caractérise par une

diminution progressive des capacités cognitives (notamment mémoire et langage), associée à des

troubles psycho-comportementaux. La maladie conduit les patients à la dépendance puis à la mort.

La durée moyenne de survie est de 8 à 15 ans à partir du diagnostic. On distingue actuellement deux

formes de MA, la forme sporadique et la forme familiale. La forme familiale est une forme génétique

le plus souvent due à des mutations du précurseur du peptide amyloïde (APP) ou des présénilines

(PS1 ou PS2), enzymes impliquées dans le clivage de l’APP (2-5). La forme sporadique, d’origine

multifactorielle, concerne plus de 99 % des cas. L’âge est considèré comme le principal facteur de

risque de cette forme sporadique. En effet, le risque de déclarer la MA double par tranche d’âge de 5

ans, au-delà de 65 ans (6). Les autres facteurs de risque de la MA sont le déficit oestrogénique post-

ménopausique (7), les antécédents de traumatisme cérébral (8) et les maladies vasculaires comme

l’hypercholestérolémie, l’hypertension, l’athérosclérose, les maladies coronaires, la consommation

de tabac, l’obésité et le diabète (9).

18

I.2) Les atteintes cognitives de la MA

Difficiles à identifier au début, les atteintes cognitives de la MA se développent à bas bruit et

évoluent progressivement (10). Un déficit de la mémoire épisodique (capacité à former le souvenir

d’un évènement à partir d’informations : où, quand, quoi ?) est l’un des premiers troubles, pouvant

même être détecté avant le diagnostic de la MA (11). La détermination de la nature spécifique du

trouble de la mémoire (antérograde/rétrograde, épisodique ou sémantique) est nécessaire pour

poser un diagnostic de MA, et se fait notamment grâce à des questionnaires neuropsychologiques et

à l’examen clinique. Parmi ces tests neuropsychologiques, le test MMSE (Mini Mental State

Examination) est l’un des tests de « screening » cognitif le plus utilisé, aussi bien en clinique qu’en

recherche (12). Il permet d’évaluer les capacités d’orientation du patient dans le temps et l’espace,

l’apprentissage, l’attention, le langage, la mémoire à court terme et la praxie constructive (13).

Comme l’illustre la Figure 1, les résultats obtenus au MMSE, en parallèle d’un examen clinique du

patient, mettent en évidence :

une désorientation spatio-temporelle, précoce. Le patient perd le sens de l’orientation et se perd

de plus en plus souvent, même dans l’environnement familier (10).

des troubles du langage (aphasie) se caractérisent par une difficulté à trouver les bons mots, et

par conséquent, induisent un manque de précision dans les propos (10).

Les différents types de troubles qui vont s’aggraver progressivement sont:

des troubles du geste (apraxie), caractérisés par l’incapacité d’exécuter les tâches bi-manuelles les

plus simples. L’apraxie est handicapante puisqu’elle touche l’exécution des tâches de la vie

quotidienne (10).

des atteintes des fonctions exécutives, en particulier le patient va présenter une altération de son

raisonnement, de son jugement, de ses capacités à résoudre des problèmes (10).

19

Figure 1: Progression des symptômes de la maladie d’Alzheimer. MMSE : Mini Mental State Examination ; MCI: Mild Cognitive Impairment ; MA: Maladie d’Alzheimer ; AVQ: Activités de la vie quotidienne ; SPCD: Symptômes psychologiques et comportementaux de démences. (14).

Apparaissent ensuite des atteintes neuropsychiatriques diverses comme une agressivité, une

agitation, des troubles dépressifs, des troubles du sommeil et l’utilisation d’un langage parfois

ordurier. Ceci est ensuite accompagné d’hallucinations, de paranoïa, d’une désinhibition

comportementale et d’une altération profonde de la personnalité (14). Ce tableau clinique de la MA

est très hétérogène au sein de la population. Par exemple, certains patients présentent pendant

longtemps des troubles mnésiques isolés tandis que d’autres, présentent préférentiellement des

troubles marqués du langage, de la perception ou de la préhension avec des troubles mnésiques très

discrets. Ces hétérogénéités pourraient avoir diverses origines comme l’histoire familiale, l’âge

d’apparition des troubles, et le polymorphisme génétique de l’apolipoprotéine E (15). Face à la

diversité des troubles cognitifs observés dans les premiers stades de la MA, l’utilisation de batterie

de tests neuropsychologiques a permis de définir un stade intermédiaire entre le vieillissement

normal et pathologique, celui des atteintes cognitives légères (ou MCI- Mild Cognitive Impairment).

Au sein de la population MCI, le taux de progression vers le stade démentiel de la maladie

d’Alzheimer est de 10 à 15 % par an (16). Aussi, ces sujets MCI constituent une population

intéressante pour comprendre les processus physiopathologiques de la MA et pour tenter d’en

identifier les marqueurs précoces. Devant l’échec des traitements curatifs des patients atteints par la

MA, la nécessité de disposer d’un traitement précoce de la maladie a accru l’intérêt de la

communauté scientifique pour l’étude des phases précoces de la MA.

20

I.3) Les altérations structurales dans la MA

La maladie d’Alzheimer se caractérise par trois lésions histologiques cérébrales caractéristiques,

visibles à l’examen post-mortem: l’atrophie cérébrale, les dégénérescences neurofibrillaires et les

plaques séniles (17). Initialement observées par Alois Alzheimer en 1907, ces lésions sont toujours

considérées comme les principales signatures histo-pathologiques de la MA utilisées pour confirmer

le diagnostic clinique. Cependant, la distribution de ces lésions peut varier en fonction des individus

et être associée à différentes présentations cliniques suggérant qu’il existerait plusieurs sous-types

de maladie d’Alzheimer (18).

I.3.1) L’atrophie cérébrale

Chez les patients atteints de la MA, l’atrophie cérébrale observée en post mortem se traduit par un

amincissement du cortex entraînant un élargissement des ventricules (17) et des sillons corticaux. Si

l’atrophie cérébrale peut être observée chez les sujets âgés sains, le taux annuel d’atrophie cérébrale

de 2 à 3 % dans la MA est supérieur à celui du vieillissement cérébral normal (19). Aujourd’hui,

l’atrophie cérébrale peut être mise en évidence et suivie dans le temps par imagerie in vivo (19). La

mesure de l’épaisseur corticale en IRM permet de détecter une atrophie corticale dès le stade de

MCI et prédire la progression du stade MCI vers la MA (20). De façon intéressante, les sujets ayant un

niveau d’éducation plus élevé présentent un amincissement cortical supérieur à celui des sujets

moins éduqués, à même niveau de performances cognitives. Chez ces sujets très éduqués, la mesure

de l’épaisseur corticale en IRM s’avère être un meilleur outil pour diagnostiquer la MA que les

batteries de tests cognitifs (20).

Cette atrophie provient d’une neurodégénérescence et touche particulièrement l’hippocampe (17) et

le cortex associatif temporo-pariéto-occipital, des régions respectivement impliquées dans la

mémoire et le langage (Figure 2). Ainsi, ces atteintes cellulaires seraient à l’origine du

dysfonctionnement de ces structures et donc à l'origine des troubles cognitifs observés dans la MA.

Ces pertes neuronales touchent particulièrement les neurones cholinergiques (21). Ainsi, les

traitements actuels de la MA, symptomatiques mais non curatifs, ont pour mécanisme d’action

l’inhibition de l’enzyme de dégradation de l’acétylcholine, l’acétylcholinestérase, ce sont les anti-

cholinestérasiques. Ils entraînent donc une augmentation des concentrations extracellulaires

d’acétylcholine mais leur efficacité est limitée dans le temps (22), compte tenu de la mort inexorable

des neurones cholinergiques.

21

I.3.2) Les plaques séniles

Historiquement, les plaques séniles ont été l’un des premiers marqueurs caractéristiques de la MA.

Ces plaques séniles sont formées de dépôts extracellulaires compacts et sphériques de peptide β-

amyloïde (ou peptide Aβ) (22) qui forment des fibrilles longues et insolubles selon une conformation

en feuillets β (23) (Figure 3). Le peptide amyloïde retrouvé au niveau des plaques est principalement

constitué de 40 acides aminés (Aβ40) ou de 42 acides aminés (Aβ42). A la périphérie de ces plaques

sont présentes des couronnes de prolongements neuritiques en dégénérescence, chargés de

protéines Tau et une réaction inflammatoire locale (22). Les plaques amyloïdes apparaissent d’abord

dans le cortex frontal puis s’étendent aux différentes régions corticales (24). Bien que l’étiologie de la

MA reste incomprise, pendant de nombreuses années, l’agrégation du peptide amyloïde en plaques

séniles a été considéré comme l’une des principales causes des atteintes cérébrales et des déficits

cognitifs de la MA (hypothèse de la cascade amyloïde ; (25)). Toutefois, on pense aujourd’hui qu’un

rôle crucial dans l’étiologie de la MA est joué par les formes solubles du peptide amyloïde, qui sont

les précurseurs des plaques (26).

Figure 2. Dessins de coupes coronales de cerveau humain sain (gauche) et atteint de la MA (droite) illustrant l'atrophie cérébrale caractéristique de la pathologie. (http://media.clinicaladvisor.com)

22

Figure 3. Photographie d’une plaque sénile (au centre), marqueur histopathologique de la MA, révélée ici par marquage au nitrate d’argent (barre d'échelle 50 μm) sur une coupe de cerveau d'un patient atteint de la MA. Le marquage noir révèle la présence de neurofibrilles dans le cytoplasme des neurones pyramidaux. Au centre de l’image, la plaque sénile est composée d’un dépôt compact d’amyloïde extracellulaire (A) entouré d’un halo de neurites dystrophiques (têtes de flèches vertes) (22).

I.3.3) Les dégénérescences neurofibrillaires

Les dégénérescences neurofibrillaires (ou DNF) sont des lésions cérébrales caractéristiques de la MA

(Figure 4). Ce sont des inclusions filamenteuses, constituées de filaments protéiques appariés en

hélice, qui s’accumulent dans le corps cellulaire des neurones (22, 27). Les filaments sont composés

d’agrégats de protéines Tau anormalement phosphorylées (28, 29). Au cours de la maladie, les

dégénérescences neurofibrillaires sont initialement observées dans le cortex entorhinal puis dans

l’hippocampe et enfin les régions corticales associatives (30). Selon l’hypothèse de Wang et al, les

agressions cellulaires telles que le stress oxydant déclenche un processus d’apoptose dans le

neurone endommagé, qui dans la MA, serait compromis par l’hyperphosphorylation de Tau,

entraînant sa dégénérescence progressive (31).

Figure 4. Illustration d'un marqueur histopathologique de la MA : les dégénérescences neurofibrillaires révélées ici avec un marquage à l'imprégnation argentique sur une coupe de cerveau d'une

personne atteinte de la MA. (32).

23

I.4) Bases moléculaires de la maladie d’Alzheimer : les hypothèses alternatives

amyloïde et tau

L’APP est une glycoprotéine transmembranaire composée d’une large partie extracellulaire et d’un

petit domaine intra-cytoplasmique. Son gène est localisé sur le chromosome 21, et l’épissage

alternatif de son pre-ARNm produit différentes isoformes de l’APP. L’isoforme de 695 acides aminés,

appelée APP695, est prédominante dans le cerveau (33) et reste la forme la plus étudiée dans la MA.

I.4.1) Hypothèse amyloïde

I.4.1.1) Le clivage protéolytique de l’APP

Le rôle de l’APP est encore mal connu et il reste à déterminer si sa forme entière ou bien ses

fragments secrétés, issus de son métabolisme, sont à l’origine des perturbations cellulaires de la MA.

La protéine APP mature est métabolisée par deux voies distinctes : une voie majoritaire (ou non-

amyloïdogène), considérée comme bénéfique car ne produisant pas de peptide Aβ, et une voie

minoritaire (ou amyloïdogène) produisant de l’Aβ et impliquée dans la pathologie (Figure 5). Ces

deux voies se distinguent principalement par les enzymes impliquées dans le clivage de l’APP et par

les métabolites produits. La voie constitutive (ou non-amyloïdogène) est caractérisée par deux

clivages : par l’α- sécrétase puis par la γ-secrétase (Figure 5, à droite). Le clivage par l’α-sécrétase au

niveau de la membrane cellulaire génère deux fragments : la partie APP soluble ou sAPPα

(extracellulaire), et le fragment CTF83 transmembranaire qui sera le substrat de la γ-sécrétase. Le

clivage par la γ-sécrétase libère ensuite le domaine AICD (APP Intracellular Domain) et le peptide P3

dont la fonction biologique est encore inconnue. La voie alternative (ou amyloïdogène) génère le

peptide amyloïde par le clivage de l’APP par la β-sécrétase (enzyme aussi appelée BACE-1 pour β-site

APP Cleaving Enzyme 1) et la γ-sécrétase (Figure 5, à gauche). Le clivage de l’APP par la β-sécrétase

libère la partie APP soluble β (sAPPβ), et le fragment transmembranaire CTF99. Ce dernier est clivé

par la γ- sécrétase qui libère le domaine AICD et le peptide Aβ (34, 35).

L’APP serait impliqué dans des fonctions physiologiques telles que la migration neuronale, la

croissance des dendrites ou la synaptogenèse (36). Il a été mis en évidence que l’sAPPβ (généré par

la voie alternative) ne possèderait pas les effets neuroprotecteurs de l’sAPPα (généré par la voie

constitutive) et pourrait être impliqué dans la dégénérescence neuronale observée durant le

développement embryonnaire cérébral par l’induction de la voie de la caspase 6 (35). Quant au

peptide Aβ, il est présent majoritairement sous la forme de 40 acides aminés (Aβ1-40 ou Aβ40) chez

l’individu sain et atteint de la MA, et une forme minoritaire de 42 acides aminés (Aβ1-42 ou Aβ42)

serait pathogène en servant d’amorce à la formation des fibrilles retrouvées dans les plaques

amyloïdes (26).

24

Figure 5. Schéma des voies amyloïdogènes et non amyloïdogènes. Dans la voie non-amyloïdogène, neuroprotectrice, le clivage de l’APP par l’α-sécrétase et la γ-sécrétase libére l’APPα soluble, impliqué dans la survie et le développement neuronal, et le fragment intracellulaire de l’APP (AICD50) qui active la transcription de gènes comme p53 ou GSK3β. Dans la voie amyloïdogène, le clivage de l’APP par la β-sécrétase et la γ-sécrétase libére l’APPβ soluble, impliqué dans l’élimination des synapses, et le peptide amyloïde qui s’oligomérise et s’accumule pour former les plaques amyloïdes. Ex : milieu extracellulaire ; Cyt : cytosol ;DR6 : Death receptor 6, AICD : domaine intracellulaire de l’APP, APPs : fragment soluble de l’APP ; CTF : fragment C-terminal (35).

I.4.1.2) Les présénilines et l’activité γ-sécrétase

La γ-sécrétase est un complexe protéique multimérique. De multiples protéines membranaires, telles

que la Nicastrine, l’Aph-1, la Pen-2 et les présénilines 1 et 2 participent à la formation et semblent

nécessaires à l'activité du complexe γ-sécrétase (37, 38). Les présénilines 1 et 2 (PS1, PS2), peuvent

présenter des mutations qui sont impliquées dans les différentes formes familiales précoces de la MA

(2). Les mutations sur les gènes des présénilines 1 et 2 conduisent à une surproduction du peptide

Aβ-42 et à une augmentation du rapport de concentrations Aβ-42/Aβ-40 (39). Il a été mis en

évidence que la mutation de PS1 peut fortement potentialiser les effets d’une mutation de l’APP, en

accélérant la formation des plaques (40).

25

I.4.1.3) Historique de la cascade amyloïde

Depuis une vingtaine d'années, de nombreuses hypothèses ont été proposées pour tenter

d'expliquer les mécanismes cellulaires et moléculaires liés au développement de la MA. Initialement,

Hardy et Higgins proposèrent l’hypothèse de la cascade amyloïde, selon laquelle l’accumulation du

peptide amyloïde sous forme de plaques serait à l’origine des dégénérescences neurofibrillaires, de

la dysfonction des neurones et des synapses, de la perte neuronale, et enfin des symptômes

démentiels (25, 41). Cette accumulation proviendrait de la surproduction ou bien d’un défaut

d’élimination du peptide Aβ42. Cependant, l’idée selon laquelle la MA serait causée par les plaques

séniles a été rapidement critiquée. En effet, le nombre de plaques séniles et le degré de sévérité de

la démence chez l’Homme ne sont pas corrélés (42). Or, certaines personnes présentant des plaques

séniles à l’autopsie ne présentaient aucun trouble cognitif majeur (43). Plus récemment, l’étude in

vivo des plaques amyloïdes, mises en évidence en TEP (Tomographie par Emission de Positrons) par

le composé B de Pittsburg (PiB), suggère qu’à partir d’un certain stade, le déclin mnésique et la

neurodégénérescence évoluent en parallèle, mais indépendamment de la charge amyloïde (44). En

revanche, la forme oligomérique du peptide amyloïde a de nombreux effets neurotoxiques chez les

modèles murins de la MA (26) et pourrait être in fine l’acteur central de la cascade amyloïde.

De manière générale, les souris transgéniques pour le gène de l'APP montrent des anomalies

neuroanatomiques et comportementales avant l'apparition des plaques amyloïdes (45-48). Les

oligomères du peptide amyloïde altèrent les propriétés électriques des neurones et causent la mort

cellulaire in vivo et in vitro (49, 50) notamment par la formation de pores membranaires, qui

perturbent l’homéostasie ionique (51). Les formes amyloïdes oligomériques causent aussi une

synaptotoxicité qui pourrait être le substrat des déficits mnésiques. Notamment, les oligomères du

peptide amyloïde stimulent les récepteurs glutamatergiques NMDA postsynaptiques de façon

excessive (52), entraînant une augmentation des concentrations intracellulaires de calcium et des

radicaux libres dans le neurone postsynaptique. Cette stimulation provoquerait l’activation de

différentes voies de signalisation, conduisant à une dysfonction mitochondriale, une déficience du

métabolisme énergétique, une altération de la potentialisation à long terme et des dégénérescences

synaptiques (53) (Figure 6).

26

Figure 6. Schéma illustrant les effets synaptotoxiques des oligomères d’Aβ « Aux concentrations pathologiques, les oligomères du peptide amyloïde pourraient interagir avec de nombreuses protéines astrocytaires, microgliales et neuronales synaptiques, dont les récepteurs nicotiniques α7 et les récepteurs NMDA, et vont déclencher une série d’évènements délétères à la synapse. Parmi ces évènements, on trouve l’activation aberrante des récepteurs au NMDA (en particulier les récepteurs extra-synaptiques qui expriment la sous-unité NR2B), l’augmentation de l’influx calcique dans le neurone, l’activation dépendante du calcium du complexe calcineurine/PP2B et les voies de signalisation qui en découlent. Ces voies impliquent la cofiline, la GSK-3β, CREB, et MEF2. Il en résulte des réactions d’oxydoréduction aberrantes, la dépolymérisation de l’actine F, l’hyperphosphorylation de tau, l’endocytose des récepteurs AMPA, ce qui in fine conduit à la dysfonction synaptique et aux troubles mnésiques » (53).

I.4.2) La protéine Tau dans la MA

Au même titre que le peptide β-amyloïde, la protéine Tau est soupçonnée d’être un des facteurs

conduisant aux modifications pathologiques dans la MA. La protéine Tau appartient à la famille des

protéines associées aux microtubules (MAP) et est fortement exprimée dans les neurones (54). En

conditions physiologiques, Tau est une protéine soluble qui participe à l’assemblage des

microtubules et à leur stabilisation (55 , 56) et dont l’activité est régulée en fonction de son degré de

phosphorylation (57). En conditions pathologiques, la protéine est hyperphosphorylée, perd sa

solubilité et forme des structures filamenteuses. Tau n’est alors plus capable de se lier aux

microtubules, ce qui génère une instabilité microtubulaire (58 , 59). Les formes agrégées de la

protéine Tau sont cytotoxiques (60) et pourraient participer aux altérations des performances

cognitives chez la souris (61 , 62). Chez le patient, les concentrations de la protéine Tau phosphorylée

27

dans le fluide cérébrospinal sont corrélées avec les altérations cognitives (63). Toutefois, aucune

mutation de la protéine Tau n’a été observée dans les cas de MA familiale (pour revue (6)).

I.5) Les différents modèles de la MA

I.5.1) Vue d’ensemble des différents modèles animaux de la MA

La MA n'existe pas sous forme sporadique chez les animaux, sauf chez certains primates non

humains tels que le microcèbe âgé (microcebus murinus) pour lesquels déclin cognitif, plaques

amyloïdes et neurodégénérescence sont associés (pour revue (64)). L’étude des mécanismes de la

MA a donc reposé sur des approches interventionnistes : l’injection de mélanges de peptide

amyloïde soluble dans le cerveau de rongeur (pour revue (65) ou l’utilisation de modèles animaux

divers comme la drosophile (66) mais surtout sur l’utilisation de souris transgéniques (67). La

construction de la plupart des modèles murins transgéniques est basée sur l’hypothèse amyloïde, et

donc sur l’expression des gènes APP, PS1 et/ou PS2 humains sauvages ou portant les mutations

retrouvées dans les formes familiales humaines. Ces gènes peuvent être exprimés seuls ou combinés,

sous le contrôle de divers promoteurs. Il existe des modèles transgéniques « simples » exprimant une

APP humaine mutée (mutations Swedish, London, Indiana…) comme les souris des lignées Tg2576

(68), PDAPP (69) APP23 (70) ou hAPPJ20 (48). Ces souris présentent une production accrue de

peptide amyloïde s’accumulant en plaques et présentent avec l’âge des troubles du comportement,

de l’apprentissage, de la mémoire et de la plasticité synaptique (71). En revanche parmi ces souris,

aucune ne montre la présence de dégénérescences neurofibrillaires. Des modèles transgéniques

« doubles » exprimant la protéine APP mutée ainsi qu'une préséniline mutée présentent un

phénotype similaire à celui des modèles simples, mutés sur l'APP, mais avec un décours plus rapide

et plus précoce de la pathologie amyloïde. Parmi ces modèles, nous pouvons citer les souris APP Swe x

PS1 A246E (40) ou les souris APP Swe x PS1 dE9 (déletion de l’exon 9) (72). Des souris surexprimant des

formes mutées de la protéine Tau ont aussi été générées comme le modèle Thy-Tau 22 (73) et

montrent une agrégation des protéines Tau et des dégénérescences neuronales (67). Certaines souris

portent trois transgènes comme les souris 3xTgAD, exprimant une mutation des gènes humains APP,

PS1 et Tau (74). Récemment, un modèle de rat transgénique a été développé portant les mutations

APP Swe et PS1 dE9 (75). Ce modèle de rat et les souris 3xTgAD développent une pathologie amyloïde

et des dégénérescences neurofibrillaires dues à l’hyperphosphorylation de Tau, associées à des

troubles de la mémoire et de la plasticité synaptique dans l’hippocampe (74, 75). Le modèle rat

présente en plus une neurodégénérescence dans le cortex et l’hippocampe, constituant à ce jour le

modèle rongeur récapitulant le plus grand nombre de lésions histologiques observées chez les

28

patients atteints de la MA (75). Le tableau 1 récapitule les principales lignées de souris transgéniques

qui seront évoquées dans ce manuscrit (Tableau 1).

Ces modèles murins sont intéressants car ils développent les symptômes de la MA plus ou moins

progressivement et présentent des atteintes neuropathologiques, comportementales et cognitives

bien caractérisées (76-78). De plus, chez l’Homme, les formes familiales à transmission autosomique

dominante ne se distinguent pas des formes sporadiques sur le plan clinique ou neuropathologique,

si ce n'est par un début plus précoce de la maladie. A l’heure actuelle, de nombreuses études chez

l’homme s’intéressent à l’évolution de la pathologie amyloïde et des symptômes dans les formes

génétiques de la MA (79, 80). Ces études menées chez l’homme et la souris porteurs des mutations

génétiques de la MA permettront d’identifier les premières atteintes physiopathologiques de la MA,

avec l’idée que la connaissance des mécanismes impliqués dans les formes génétiques de la MA

contribuera aussi significativement à la compréhension de la maladie des cas sporadiques.

En revanche, une des limitations majeures de ces modèles est qu'aucun d’entre eux ne présente

l’ensemble des signes neuroanatomiques et comportementaux observés chez le patient. Et malgré

plusieurs décennies de recherches, l'existence ou non d’un lien de causalité entre les plaques séniles,

la neurodégénérescence et les déficits mnésiques associés à la MA reste à préciser. Bien que ces

modèles rongeurs soient imparfaits, ils restent néanmoins aujourd’hui les meilleurs outils disponibles

pour la compréhension des atteintes cellulaires in vivo et la réalisation de tests pharmacologiques à

objectif thérapeutique (81). Pour certains auteurs, ces modèles incomplets sont à l’origine de

l’inefficacité de nombreux traitements médicamenteux testés chez l’Homme.

29

Nom de la lignée Mutations Promoteur /

fond génétique

Age au début des

troubles

mnésiques

Age d’apparition

des plaques

amyloïdes

APP23 APP751 mutation

Swedish

Thy 1.2 murin / fond

C57BL6 x DBA2

3 mois

(82)

6 mois

(70)

hAPPJ20 APP695 mutations

Swedish et Indiana

V717F

Promoteur facteur de

croissance dérivé des

plaquettes (PDGF) / fond

C57BL/6 x DBA/2

3 mois

(83)

5-7 mois

(48)

TgCRND8 APP mutations Swedish

et Indiana V717F

Promoteur protéine

prion de hamster syrien/

fond C57BL/6/C3H

2 mois

(84)

3 mois

(85)

APP/TTA APP murine avec un

domaine Aβ humanisé

avec mutations Swedish

et Indiana

Kinase

Ca2+/calmoduline

dépendante-tétracycline

/ fond C57BL/6J/FVN

8 mois

(86)

2 mois

(87)

APPswexPS1dE9 APP mutation Swedish

PS1 délétion exon 9

Promoteur protéine

prion de hamster/ fond

C57BL6

3 mois

(88)

4 mois

(72)

APPSwex PS1A246E

APP mutation Swedish

PS1 mutation A246E Fond C57BL/6J3C3H

9 mois

(89)

9 mois

(40)

PLB1 APP mutations Swedish

et London, Tau isoforme

2N4R avec mutations

P301L and R406W

Promoteur Kinase

Ca2+/calmoduline

dépendante

5 mois (social)

12 mois (spatial)

(90)

6 mois

(90)

Tg2576 APP695 mutation

Swedish

Promoteur protéine

prion de hamster / fond

C57BL6 /SJL

3 mois

(91) (92)

9 mois

(93)

Tableau 1. Caractéristiques des principales lignées de souris transgéniques modèles de la MA évoquées dans ce manuscrit. Le tableau représente le nom commun de la lignée, les mutations de l’APP, des présénilines ou de tau sur lesquelles sont construits les modèles, les promoteurs dirigeant l’expression de ces mutations, le fond génétique de la lignée, l’âge le plus précoce auquel des troubles mnésiques ont été décrits, et l’âge d’apparition des plaques amyloïdes, même peu étendues.

30

I.5.2) Le modèle murin de la MA utilisé dans cette thèse : les souris Tg2576

Parmi les modèles transgéniques murins de la MA, l’un des plus étudiés est la lignée murine Tg2576

(68). Ces souris surexpriment le gène humain de la protéine précurseur du peptide amyloïde (APP)

portant une mutation identifiée dans une famille suédoise (APPSwe, Lys670->Asn, Met671->Leu,

double mutation) sous contrôle du promoteur de la protéine du prion de hamster. Cette mutation

induit chez l’Homme une forme familiale précoce de la MA avec des symptômes comparables à ceux

d’une MA sporadique. L’intérêt principal de ce modèle est l’évolution progressive, liée à l’âge de la

pathologie amyloïde, qui permet d’étudier la phase précoce de la MA, notamment pour rechercher

des marqueurs biologiques prédictifs de la pathologie. Cette progression lente permet aussi de

comparer les atteintes provoquées par la pathologie à celles d’un vieillissement physiologique. Les

principales étapes de la pathologie amyloïde, des atteintes neuronales et des troubles cognitifs chez

les souris Tg2576 sont bien caractérisées dans la littérature, permettant ainsi de visualiser plus

clairement la chronologie de différentes atteintes et d’émettre des hypothèses sur leur

enchainement causal. Ces raisons nous ont poussé à travailler sur ce modèle, plutôt que sur d’autres

développant une forme « agressive » et précoce de la pathologie amyloïde, comme les souris

APP/PS1d9 ou les 3xTgAD.

Il existe de nombreuses données publiées sur les capacités cognitives et mnésiques, les niveaux

d’accumulation du peptide amyloïde et les atteintes synaptiques et cellulaires des souris Tg2576. Les

principaux résultats consensuels sont présentés dans le Tableau 2. Les premières altérations de la

plasticité cérébrale apparaitraient entre 1 mois ½ et 4 mois, alors que les premiers troubles

mnésiques sont évoqués dans quelques études seulement (91 , 92 , 94 , 95 , 96). Ces souris

présentent une altération de la neurogenèse adulte et des altérations synaptiques structurales

(densité d’épines) et fonctionnelles (électrophysiologiques) dans l’hippocampe (voir Tableau 2). A

l’âge de 7-9 mois, l’augmentation des taux d’Aβ42 soluble coïncide avec l’apparition des premières

plaques amyloïdes dans le cortex. Au-delà de 8 mois, la majorité des études montre un déficit de la

mémoire spatiale chez les souris Tg2576 (45). Il a été montré que la forme dodécamèrique de l’Aβ

soluble (Aβ56) des souris Tg2576 pourrait être impliquée dans les troubles mnésiques (47).

Cependant, l’équivalent moléculaire n’a pas été retrouvé dans des extraits cérébraux de patients

atteints de la MA (97). Dès l’âge de 12 mois, les plaques amyloïdes sont nombreuses et diffuses dans

le néocortex des souris Tg2576, et sont entourées d’une réaction astro- et microgliale (Tableau 2). A

18 mois, les souris Tg2576 présentent une mort des cellules granulaires dans le gyrus denté et des

neurodégénérescences fibrillaires autour des plaques amyloïdes (98).

31

Age Amyloïdopathie Capacités mnésiques Altérations cellulaires et

moléculaires

Références

1,5 mois

↗ Aβ1-42 (ng/mg) dans le DG par

rapport au reste de l’hippocampe

et au cortex

NM

↘ potentialisation synaptique

post-tétanique (DG)

↘ de la recapture calcique par

la mitochondrie, production de

ROS (DG)

(99)

3-4 mois

Aβ 1-40, Aβ 1-42 solubles

détectés (EC) ↘ localisation d’objet

Hyperexcitabilité neuronale

(EC) (92)

NM

↘ conditionnement de

peur au contexte

LTD dans CA1

↘ densité des épines

dendritiques (CA1)

↗ caspase 3 activée dans les

synapses (CA1)

↘ sous unité GluR1 (CA1)

(91)

Pas d’↗ Aβ 1-42 (en % de l’Aβ

total du cerveau) entre 2 et 5

mois

↘ densité des épines

dendritiques (DG)

↘ LTP (DG)

(94)

NM NM

Nouveaux neurones (3 mois) :

↘ survie

↘ densité d’épines

↘ longueur axonale et

dendritique

(46)

NM

↔ piscine de Morris

↘ plateforme

circulaire

↘ labyrinthe en Y

NM

(68)

(95) (96)

7- 9 mois

Apparition de l’espèce Aβ

dodécamérique NM NM (47)

↗ Aβ1-42 (en % de la quantité

totale d’Aβ du cerveau) soluble

et insoluble

NM NM (94)

(93)

Apparition des premières plaques

amyloïdes (9 mois) NM NM (93)

NM ↘ Piscine de Morris NM (68)

NM ↘ mémoire spatiale NM (45)

12-13

mois

NM NM ↘ quantité de calbindine dans

le DG (46)

Nombreuses plaques diffuses

Astro et microgliose autour des

plaques

↗ facteurs inflammatoires (IL1,

TGFβ)

NM NM (93)

(100)

18 mois

Mort des cellules granulaires

(DG), présence de tau

hyperphosphorylé autour des

plaques

NM NM (98)

Tableau 2. Chronologie des principales altérations amyloïdes, mnésiques, cellulaires et moléculaires des souris Tg2576. LTD / LTP : dépression/potentialisation à long-terme ; DG : gyrus denté ; CA1 : Corne d’Ammon 1 ; EC : cortex

entorhinal ; ROS : espèces réactives de l’oxygène ; NM : non mesuré

32

II) Activité électrique normale du cerveau et son altération dans l’épilepsie

II.1) Les oscillations cérébrales normales

II.1.1) Nature des oscillations cérébrales

II.1.1.1) Découverte des oscillations cérébrales

Adolph Beck et Richard Caton furent les premiers à détecter l’activité cérébrale électrique chez

l’animal en posant des électrodes directement au contact du cerveau dans les années 1880 (101).

Adolph Beck observa des fluctuations électriques spontanées à l’état basal qui disparaissaient lors

d’une stimulation sensorielle. Il définit notamment le terme de désynchronisation des oscillations

cérébrales. Il s’agit d’un état du cerveau dans lequel l’amplitude des oscillations est faible (comme en

éveil) ou est diminuée suite à une stimulation sensorielle (101). Hans Berger fut le premier à

enregistrer l’activité électrique du cortex cérébral (électrocorticogramme) chez l’homme en 1924

pendant une intervention neurochirurgicale pendant laquelle furent décrites pour la première fois les

oscillations alpha (α) d’une fréquence de 8 à 12 Hz, qu’il pensait être l’oscillation de base du cerveau

(102). Plus tard, il décrivit les oscillations de fréquence 12 à 30 Hz qu’il nomma les ondes β. A l’heure

actuelle, on sait que des oscillations allant jusqu’à 600 Hz existent. Ces oscillations sont caractérisées

par leur bande de fréquence, dont les limites peuvent varier sensiblement en fonction de l’espèce

étudiée. Par exemple, chez le rat, Buszaki distingue les oscillations delta (1,5-4 Hz), les oscillations

thêta (4-8 Hz), les oscillations bêta (10-30 Hz), les oscillations gamma (30-80 Hz), les oscillations

rapides (80-200 Hz) et ultra-rapides (200-600 Hz) (103). Dans mon travail de thèse, nous

considérerons les bandes de fréquence suivantes : oscillations delta (1-3 Hz), les oscillations thêta (5-

10 Hz), les oscillations bêta (10-30 Hz) et les oscillations gamma (30-100 Hz), déterminées à partir

d’études spectrales réalisées chez la souris et le rat (103 , 104 , 105) et adaptées aux spectres

obtenus chez les souris Tg2576.

II.1.1.2) Bases neurobiologiques du signal EEG

L’EEG est l’enregistrement de l’activité électrique spontanée générée par les neurones du cerveau.

Une explication des bases physiologiques de l’EEG nous est donnée dans le livre « Standard

Electroencephalography in Clinical Psychiatry » (106). Un potentiel d’action dans un neurone

présynaptique excitateur ou inhibiteur va engendrer, après libération de neurotransmetteurs dans la

fente synaptique, un potentiel postsynaptique excitateur (EPSP) ou inhibiteur (IPSP) dans le neurone

postsynaptique. « […] L’EPSP produit un flux de charges positives dans la cellule et l’IPSP un flux de

charges positives en dehors de la cellule. Le signal électrique de l’EEG provient majoritairement des

33

potentiels de champs qui correspondent à la somme des potentiels électriques extracellulaires

(champ), générés par les EPSP et IPSP des dendrites et corps cellulaires dans une région limitée du

cerveau (107). Les champs électriques proviennent surtout des neurones pyramidaux corticaux

orientés verticalement, dont les dendrites s’étendent jusqu’à la couche la plus superficielle du cortex

et les axones vers les couches les plus profondes ». La négativité ou positivité des fluctuations visibles

à l’EEG dépend de la localisation de l’activité synaptique au niveau du cortex et plus particulièrement

au niveau dendritique, par rapport à l’emplacement de l’électrode. « […] Un EPSP au niveau d’une

dendrite (source) produit une électronégativité dans son environnement immédiat, la positivité du

champ électrique augmentant avec la distance par rapport à cette source ». L’IPSP produira

exactement le phénomène inverse, si bien qu’un IPSP profond et un EPSP superficiel génèreront tous

deux une électronégativité au niveau du scalp et vis-versa (Figure 7).

Figure 7. Génération des potentiels de champs extracellulaires et polarité des potentiels de surface en fonction du niveau dendritique de l’activité synaptique. Les neurones corticaux sont représentés les dendrites vers la surface corticale et le corps cellulaire en triangle. Les signes + et – représentent les charges extracellulaires générées par les contacts synaptiques (petits triangles gris) effectués par les axones afférents sur les dendrites des neurones corticaux. Au niveau de la surface corticale, sont représentées l’électrode et la forme du potentiel de champ tel qu’il sera visible sur l’EEG (106).

Il faut noter que, chez la souris, l’origine du signal EEG enregistré à la surface du cortex est à la fois

corticale et hippocampique. En effet, l’hippocampe présente une structure très organisée. Le corps

cellulaire des cellules pyramidales sont alignés sur plusieurs rangées et limités à une unique couche

et les dendrites sont disposées de façon parallèle. Cette organisation crée un dipôle électrique très

34

puissant dont le signal peut être enregistré par des électrodes corticales, compte tenu de la

localisation de l’hippocampe, situé juste sous le cortex dont l’épaisseur fait environ 1 mm chez la

souris (108).

II.1.2) Caractéristiques générales et mesures relatives aux oscillations

Les différentes oscillations qui composent le signal EEG peuvent être analysées par la transformée de

Fourier. La transformée de Fourier est une analyse mathématique qui décompose un signal

oscillatoire complexe, par exemple sonore ou EEG, en la somme de fonctions sinusoïdales de

fréquence donnée (Figure 8A). Le spectre du signal (Figure 8B) est alors la représentation de

l’amplitude de chaque fonction sinusoïdale de fréquence donnée (Figure 8C). La puissance est le

carré de l’amplitude, grandeur qui peut varier avec le temps et la phase de l’oscillation indique la

situation instantanée dans le cycle (Figure 8C). Si on considère l’ensemble des oscillations de

fréquences différentes de l’EEG (spectre), l’amplitude des oscillations EEG diminue avec la fréquence

de celles-ci (109).

Figure 8. Décomposition du signal EEG par la transformée de Fourier et grandeurs d’une fonction oscillante (A) Décomposition d’un signal complexe nommé A en oscillations (fonctions sinusoïdales) de fréquence 1 à 4. (B) Spectre du signal A, représentation de l’amplitude de chacune des fonctions sinusoïdales en fonction de leur fréquence. (C) Principales grandeurs caractéristiques d’une oscillation.(http://xymaths.free.fr/MathAppli/Fourier/Transformee-de-Fourier.php)

35

II.1.3) Les structures impliquées dans les oscillations normales

II.1.3.1) Introduction

Il faut distinguer les structures cérébrales « génératrices de courant », telles que le cortex et

l’hippocampe, générant les courants transmembranaires responsables de l’amplitude du champ

enregistré et les structures jouant le rôle de « chefs d’orchestre » ou génératrices de rythme, celles

responsables de l’émergence et du contrôle du patron de l’oscillation et de sa fréquence (110).

Plusieurs structures sont génératrices de rythme : le septum (oscillations thêta), le cortex enthorhinal

(oscillations thêta et gamma), l’hippocampe (oscillations thêta, gamma, sharp waves et ripples), le

thalamus (ondes delta et ondes en fuseaux). Je ne présenterai ici que les structures impliquées dans

les oscillations thêta et gamma sur lesquelles j’insisterai dans la suite de mon manuscrit.

II.1.3.2) L’hippocampe

Figure 9. Structure interne de l’hippocampe. Abréviations : DG : gyrus denté, CA : Corne d’Ammon ; EC : Cortex entorhinal ; pp : voie perforante ; sm : stratum moleculare (couche moléculaire) ; l-m : stratum lacunosum-moleculare ; sg : stratum granulosum (couche granulaire) ; mf : fibres moussues ; so : stratum oriens ; sp : stratum pyramydale ; sr : stratum radiatum ; sc : collatérales de Schaffer, S : subiculum, H : hile

L’hippocampe est une région située dans le lobe temporal médian chez l’homme et il est ventral au

cortex pariétal chez la souris. Il est constitué d’un circuit trisynaptique, initialement décrit par Ramon

y Cajal (111) (Figure 9). Trois principales régions interconnectées entre elles le composent : le gyrus

denté, la Corne d’Ammon 1 (CA1) et la Corne d’Ammon 3 (CA3). Il existe aussi, entre CA1 et CA3, une

région CA2, dont le rôle est encore mal connu. Le gyrus denté reçoit des afférences sensorielles du

36

cortex entorhinal, rassemblées sous le nom de « voie perforante ». Le gyrus denté se compose de

trois couches anatomiques : la « couche granulaire » composée des noyaux des cellules granulaires,

la « couche moléculaire » composée des dendrites des cellules granulaires et des axones des

interneurones qui projettent sur ces dernières et la couche sous-granulaire composée des corps

cellulaires de certains types d’interneurones et des cellules souches en prolifération, précurseurs de

neurones ou de cellules gliales. Le hile est la région située entre les deux lames du gyrus denté

(inférieure et supérieure) et se compose de diverses classes d’interneurones et des cellules

moussues. Les cellules granulaires du gyrus denté se projettent sur les cellules pyramidales de CA3

par leurs axones appelés fibres moussues. Puis, les cellules pyramidales de CA3 projettent à leur tour

sur les cellules pyramidales de CA1, via les collatérales de Schaffer. D’autres connections avec ces

trois régions existent mais elles sont minoritaires et sortent du cadre de mon travail.

II.1.3.3) Le septum médian

Le septum médian est situé dans le télencéphale basal. Il est composé de trois types cellulaires : des

neurones GABAergiques, glutamatergiques et cholinergiques. Les neurones GABAergiques exprimant

la parvalbumine (PV) et les neurones cholinergiques projettent sur l’hippocampe et sont essentiels

pour la coordination du rythme thêta (112 , 113). Parce que la lésion du septum médian et de la

bande diagonale de Broca abolit les ondes thêta dans l’hippocampe chez le rat, le septum médian est

considéré comme le générateur de rythme ultime des ondes thêta (114). Les neurones GABAergiques

à PV projettent sur les interneurones hippocampiques et seraient impliqués dans la génération du

rythme (fréquence) (115 , 116 , 117). Les neurones cholinergiques à décharge lente fournissent

l’excitation nécessaire pour activer les systèmes oscillants hippocampiques, amplifiant ainsi la

puissance des oscillations thêta hippocampiques (118).

II.1.3.4) Le cortex entorhinal

Le cortex entorhinal reçoit et intègre l’information sensorielle pré-traitée par les différents cortex

sensoriels et aires associatives, pour la transmettre à l’hippocampe (119). Il est composé du cortex

entorhinal médian (MEC) et du cortex entorhinal latéral (LEC), et projette sur toutes les régions de

l’hippocampe (gyrus denté, région CA1 et CA3). Il participe à la modulation des rythmes thêta et

gamma (120 , 121). Le MEC serait spécialisé dans le traitement et la transmission à l’hippocampe de

l’information spatiale alors que le LEC serait plus impliqué dans la transmission d’informations

concernant les objets individuels et l’association objet/localisation (122).

37

II.1.3.5) Les interneurones

Les neurones GABAergiques représentent seulement 10 à 20 % de l’ensemble des neurones

cérébraux. Les interneurones sont des neurones GABAergiques extrêmement divers (Figure 11) et

qui peuvent être classés selon trois grands critères : la morphologie, en particulier la sélectivité de

cible de l’axone ; l’expression de marqueurs moléculaires comme les neuropeptides (somatostatine,

cholécystokinine, neuropeptide Y ou peptide intestinal vasoactif) ou les protéines de liaison au

calcium (parvalbumine, calrétinine et calbindine) ; et les caractéristiques fonctionnelles, dont les plus

importantes sont les caractéristiques de décharge des potentiels d’action (123).

Les interneurones inhibiteurs sont à la base de la génération des différents rythmes cérébraux. La

diversité de la dynamique temporelle de ces rythmes et des relations qu’ils entretiennent entre eux

repose sur cette diversité interneuronale. Elle repose notamment sur la cinétique des courants de

canaux membranaires (124 , 125 , 126)) qui dépend de la nature de ces canaux ioniques voltage-

dépendant et des tampons ioniques (ex calbindine, parvalbumine etc.). Cette diversité repose

également sur la cinétique des courants synaptiques, de la localisation subcellulaire de l’inhibition ou

des types de récepteurs postsynaptiques. Ainsi, les différents types d’interneurones peuvent jouer

différents rôles, dans différentes oscillations (127). Donc toute modification des propriétés

interneuronales peut affecter la fréquence de l’oscillation, son amplitude ou le couplage à d’autres

oscillations.

Figure 10. Interneurone à parvalbumine en panier dans la région CA1 de l’hippocampe, mis en évidence par un marquage intracellulaire à la neurobiotine. Le corps cellulaire et les dendrites de l’interneurone sont en rouge, son axone est en jaune. La multiplicité de ses dendrites et axones montre que le signal de ces interneurones dépend de l’intégration d’informations diverses et que la population neuronale inhibée par ces interneurones est très large. St.lm.: stratum lacunosum, st.ra. : stratum radiatum, st.py. : stratum pyramidale, st. or. : stratum oriens, alv: alveus (128)

Les interneurones à parvalbumine (PV), dont je

reparlerai beaucoup par la suite, sont présents

dans différentes structures corticales, dans le septum, dans l’hippocampe etc. Dans la région CA1 de

l’hippocampe, ils représentent 24 % de l’ensemble des interneurones de cette région (123). Parmi les

différentes morphologies d’interneurones PV (axo-axonique, bistratifiée, en panier), les cellules en

panier (Figure 10), sur lesquelles nous nous concentrerons, sont probablement les plus abondantes

(123). Dans l’hippocampe, ces neurones innervent le corps cellulaire de neurones pyramidaux du

gyrus denté ou de cellules pyramidales de CA1. Leur fréquence de décharge peut varier de 6.5 Hz (en

38

l’absence d’activité oscillatoire) jusqu’à 120 Hz pendant les « sharp-waves ripples » (123). Les

propriétés de décharge rapide des interneurones PV en panier en font également les générateurs du

rythme des oscillations gamma (30-100 Hz) (123).

Figure 11. Diversité interneuronale dans la région CA1 de l’hippocampe a) Reconstruction au microscope en champ clair de trois interneurones du « stratum oriens » montrant leur domaine d’innervation spécifique sur les neurones pyramidaux. b) Distribution en couche des différentes arborisations axonales et dendritiques des interneurones contenant des tampons calciques ou des neuropeptides dans l’hippocampe. Les cercles marquent la localisation du soma des interneurones, les barres l’orientation de leur arborisation dendritique et les carrés violets la zone de projection de leurs axones. Les rectangles bleu turquoise indiquent que la cible de l’interneurone est un interneurone et pas une cellule pyramidale. CB, calbindine; CCK, cholécystokinine; CR, calrétinine; PV, parvalbumine; Som, somatostatine; VIP, peptide intestinal vasoactif (129)

II.1.4) Les différents états de vigilance

II.1.4.1) Les différents états de vigilance : activité oscillatoire et fonctions

Les principales notions concernant les états de vigilance présentés ci-dessous sont appliquées au

rongeur, sur lequel mon travail de thèse a porté.

a) L’éveil

Quand un rongeur se réveille, l’amplitude de ses oscillations EEG diminue, l’EEG est dit

désynchronisé. Chez le rat, si on lèse le noyau basal, noyau cholinergique du télencéphale, ces ondes

lentes et larges persisteraient même en éveil (130). Aujourd’hui, le rôle du télencéphale dans la

désynchronisation de l’EEG n’est plus à démontrer (131 , 132).

39

En éveil « actif », le rat est en mouvement et l’hippocampe génère des oscillations thêta (4-10 Hz)

visibles sur l’EEG cortical, rythmées et modulées par le septum (114) et le cortex entorhinal (120).

Lorsque le rat explore son environnement, certaines cellules de l’hippocampe (notamment de la

région CA1) dites « cellules de lieu » augmentent leur taux de décharge dans un lieu précis, appelé

champ récepteur, et vont coder pour une partie de l’environnement (133). Quand l’animal traverse

le champ récepteur d’une cellule, la cellule de lieu va décharger à une phase précise du cycle thêta

et, à chaque nouveau cycle de l’oscillation thêta, la décharge survient un peu plus tôt dans ce cycle.

Ce phénomène est appelé précession de phase (134 , 135). Sachant que les différentes cellules de

lieu, représentant chacune une information spatiale, déchargent à différentes phases du cycle thêta,

la phase des oscillations thêta pourrait représenter un code permettant d’ordonner les différentes

informations d’une représentation unique (136), ce qui suggère un rôle des oscillations theta dans le

codage neuronal des trajectoires et la mémoire spatiale (137).

D’autres oscillations impliquées dans divers processus cognitifs sont présentes en éveil actif : les

oscillations bêta (10-30 Hz) impliquées dans la mémoire olfactive (138) ou dans la mémoire motrice

(139) et les oscillations gamma (30-100 Hz).

Les oscillations gamma, de très faible amplitude, peuvent être divisées en deux entités de fréquences

différentes et surviennent pendant une phase particulière des oscillations thêta (creux ou pic), c’est

ce qu’on appelle le couplage thêta-gamma. Les oscillations gamma hippocampiques lentes (30-60

Hz), générées par la région CA3 (121), joueraient un rôle dans le rappel mnésique (140). En effet,

Montgomery a montré une augmentation de la cohérence entre les oscillations gamma enregistrées

dans CA1 et dans CA3 lorsqu’un animal se trouve dans la partie centrale d’un labyrinthe à bras

multiples, endroit où il doit se rappeler ses expériences précédentes pour choisir le bras où il doit

aller pour chercher une récompense (141). Les oscillations gamma hippocampiques rapides (60-100

Hz), générées par le cortex entorhinal (142), joueraient un rôle dans l’encodage mnésique (143)

coïncidant avec la fonction de ce cortex dans le transfert d’informations à CA1 sur la position actuelle

de l’animal dans un environnement (144, 145). Les oscillations gamma corticales seraient impliquées

dans les processus attentionnels, la sélection et l’intégration d’informations sensorielles pertinentes

pour former la représentation globale d’un objet (140). D’un point de vue mécanistique, les

interneurones à parvalbumine contrôleraient le rythme des oscillations gamma (121 , 146 , 147).

En éveil « calme », lorsque l’animal est immobile, les oscillations thêta disparaissent et laissent la

place à des oscillations delta, moins amples qu’en sommeil lent. On peut aussi enregistrer au niveau

de l’hippocampe un patron oscillatoire très particulier : des ondes pointues « sharp waves » très

amples au creux desquelles sont nichées des oscillations de faible amplitude et de haute fréquence,

les « ripples » (140-200Hz). Ce patron oscillatoire apparait dans la région CA1, induit par l’excitation

40

des cellules pyramidales de CA3 exercée sur les neurones pyramidaux et interneurones de CA1 (148).

Les « sharp-waves ripples » surviennent également pendant le sommeil lent et seraient importantes

dans la consolidation mnésique (149), comme je l’exposerai dans le paragraphe suivant.

b) Le sommeil lent

Lorsque l’animal s’endort, il passe automatiquement par un état de sommeil lent avant d’entrer en

sommeil paradoxal. En sommeil lent, les seuils de perception sensorielle sont augmentés, rendant

les stimuli moins accessibles au cerveau, le tonus musculaire est faible et l’EEG est « synchronisé ».

Trois rythmes majeurs caractérisent le sommeil lent : les ondes lentes (0,5-1Hz), les ondes delta (1-4

Hz) et les ondes en fuseau (7-15 Hz). Les ondes lentes proviennent du cortex cérébral et organisent

les autres oscillations. Les ondes delta, de grande amplitude, proviennent de la synchronisation de

l’activité neuronale des neurones corticaux et thalamiques intrinsèques. Les ondes en fuseau sont

générées par un circuit récurrent entre les neurones du noyau réticulé du thalamus, les neurones

thalamocorticaux, les neurones corticothalamiques et les neurones corticaux et thalamiques

intrinsèques (150, 151). L’association des « ripples » aux « sharp waves » est également enregistrée

dans l’hippocampe en sommeil lent (152).

Plusieurs études suggèrent que les complexes “sharp-waves-ripples” SPWR seraient impliqués dans

la consolidation mnésique « off-line ». Les cellules activées pendant l’exploration d’un

environnement augmentent leur taux de décharge pendant le sommeil lent suivant l’exploration

contrairement aux cellules non activées pendant l’exploration (153), et ces réactivations

surviendraient majoritairement pendant les SPWR (154). La suppression sélective des ripples

pendant le sommeil lent suivant l’apprentissage d’une tâche mnésique provoque une diminution des

performances mnésiques chez des rats, le jour suivant, lors du rappel de cette tâche (155 , 156). La

consolidation mnésique serait aussi basée sur un transfert d’informations entre l’hippocampe et le

néocortex, qui pourrait survenir lorsque les « sharp-waves ripples» hippocampiques coïncident avec

le creux des oscillations en fuseau corticales (149).

c) Le sommeil paradoxal

Le sommeil paradoxal est, comme l’éveil, un état de désynchronisation cérébrale dominé par des

oscillations thêta. Le tonus musculaire est absent, la respiration irrégulière. Une activation phasique

des neurones du pont tegmental peut être observée, générant des réponses marquées dans le corps

genouillé du thalamus et le cortex occipital : ce sont les ondes ponto-géniculo-occipitale PGO (157 ,

158). Ces ondes pourraient être impliquées dans la synchronisation neuronale du sommeil paradoxal

(159 , 160). Le sommeil paradoxal pourrait participer au processus de consolidation mnésique, bien

41

que ce soit encore très débattu (161). En effet, ce rôle a été testé par des expériences de privation de

sommeil dont le caractère stressant constitue un biais expérimental. Certaines études suggèrent qu’il

joue un rôle dans la mémoire émotionnelle (162) et dans la mémoire prodécurale (automatisme

gestuel) (163). Notamment, la quantité de sommeil paradoxal augmente plusieurs heures ou

plusieurs jours après un apprentissage en fonction du type d’apprentissage, et la privation de

sommeil pendant ces fenêtres de temps particulières aurait des effets délétères sur la mémoire

(164).

Figure 12. Principales caractéristiques du sommeil lent (gauche) et paradoxal (droite) Représentation de l’architecture du sommeil (répartition du sommeil lent et paradoxal) chez l’homme (a), des marqueurs oscillatoires du sommeil lent (gauche) et du sommeil paradoxal (droite) (b) et des modifications des taux des différents neuromodulateurs pendant ces deux types de sommeil (c) (165)

II.1.4.2) Bases neurobiologiques de la régulation du cycle veille-sommeil

Chez l’homme, la phase d’éveil a lieu pendant le jour alors que la phase de sommeil survient

généralement la nuit, décomposée en sommeil lent (plusieurs stades) et sommeil paradoxal (Figure

12). Chez la souris, plusieurs alternances éveil-sommeil surviennent tout au long de la journée,

indépendamment des phases éclairées et sombres de la journée. Cependant, la durée totale de

l’éveil est plus importante pendant la phase sombre tandis que le sommeil prédomine pendant la

42

phase éclairée. La souris passe globalement 50 % du temps en éveil, 40 % en sommeil lent et moins

de 10 % en sommeil paradoxal (166 , 167).

Les expériences chez l’animal ont permis de mettre en évidence les différents mécanismes sous-

tendant l’émergence et le maintien des différents états de vigilance. L’état d’éveil est dû à

l’activation du réseau exécutif de l’éveil ascendant et à l’inhibition des réseaux neuronaux impliqués

dans le sommeil, notamment le noyau préoptique ventrolatéral (vlPO) (Figure 13B, C). Ce réseau

exécutif de l’éveil est composé de différents types cellulaires : des neurones cholinergiques,

monoaminergiques, glutamatergiques, situés dans la partie supérieure du tronc cérébral et des

neurones orexinergiques, situés dans l’hypothalamus latéral (168). Les neurones cholinergiques

situés dans les noyaux latéro-dorsal et pédiculopontin du tegmentum (LDT, PPT) projettent sur le

thalamus et sur de nombreuses régions du télencéphale (Figure 13A) (169 , 170). Le taux de décharge

de ces neurones est rapide en éveil et en sommeil paradoxal et diminue en sommeil lent : ils jouent

un rôle dans la désynchronisation de l’EEG (passage d’ondes lentes et amples à des oscillations plus

rapides et peu amples) (171 , 172 , 173). D’autre part, les neurones monoaminergiques sont situés

dans le noyau dorsal du raphé (DR) (sérotoninergiques), le locus coeruleus (LC) (noradrénergiques) et

le noyau tubéromamillaire (TMN) (histaminergiques) (174 , 175 , 176 , 177 , 178 , 179). Ces neurones

projettent directement sur l’hypothalamus, le télencéphale et le cortex cérébral (Figure 13A). Leur

taux de décharge est maximal pendant l’éveil, diminue en sommeil lent et s’annule virtuellement en

sommeil paradoxal (174 , 176 , 179 , 180 , 181) D’autres régions cérébrales sont impliquées dans la

promotion de l’état d’éveil telles que le télencéphale et le cortex préfrontal médian (168).

Lors de la transition de l’éveil au sommeil lent, les neurones inhibiteurs des noyaux préoptiques

ventrolatéraux et médian (VLPO, MnPO) inhiberaient les noyaux du réseau exécutif de l’éveil (168).

Pour maintenir l’état de sommeil lent, les neurones GABAergiques dit « REM-off » situés dans la

substance grise périacqueducale ventrale (vlPAG) et le noyau latéro pontin du tegmentum (LPT)

inhibent les neurones GABAergiques de la région sublatérodorsale (SLD), qui promeuvent l’état de

sommeil paradoxal, ou neurones « REM-on » (182). Inversement, lorsque l’animal est en sommeil

paradoxal, les neurones du SLD vont inhiber ceux du vlPAG précédemment cités (177, 183 , 184 ,

185 ). Cette relation d’inhibition mutuelle existant entre le SLD et le vlPAG permet des transitions

rapides et complètes entre les états de sommeil lent et de sommeil paradoxal. En sommeil

paradoxal, l’atonie musculaire est permise par l’action des noyaux du SLD sur la moelle épinière qui

va inhiber les neurones moteurs (186 , 187 , 188). En sommeil paradoxal, la désynchronisation de

l’EEG dominée par le rythme thêta provient de l’activité des noyaux du précoeruleus (PC) et

parabrachial (PB) sur le télencéphale (186).

43

En revanche, la transition de l’état de sommeil paradoxal ou lent à l’état d’éveil est permise par les

neurones orexinergiques de l’hypothalamus latéral (189), qui projettent au cortex cérébral et aux

noyaux du tronc cérébral du réseau éxécutif de l’éveil (190).

Figure 13. Représentation schématique des circuits de l’éveil et du sommeil (A) Noyaux activés en éveil (B) noyaux activés pendant le sommeil et les régions sur lesquelles ils projettent (C)

contrôle réciproque des noyaux de l’éveil et du sommeil expliquant la théorie du « flip-flop » de transition veille-sommeil. Abbréviations : LDT : noyau latéro-dorsal du tegmentum ; PPT : noyau pediculopontin du tegmentum ; VLPO :noyau préoptique ventro latéral ; MnPO : noyau préoptique médian LC : locus coeruleus ; DR : Raphé dorsal ; PB : noyau parabrachial; PC : précoeruléus ; TMN : noyau tubéromamillaire ; vPAG : substance grise périaqueduquale ventrale. (168)

II.2) L’épilepsie, trouble de la synchronie neuronale

II.2.1) Définition

D’après la Ligue Internationale contre l’Epilepsie (ILAE), une crise d’épilepsie ou « ictus » est « la

survenue transitoire de signes et/ou symptômes due à une activité neuronale excessive anormale ou

synchrone dans le cerveau » (191). Et l’épilepsie est définie comme « un désordre cérébral

caractérisé par une prédisposition à générer des crises d’épilepsie et par les conséquences

neurobiologiques, cognitives, psychologiques et sociales de cette condition. La définition d’épilepsie

requiert l’occurrence d’au moins une crise d’épilepsie » (191). Sont exclues de la définition les crises

d’épilepsie survenant en phase aigüe de certaines affections cérébrales telles que les traumatismes

44

crâniens, les crises d’épilepsie fébriles chez des enfants sans antécédents de crises fébriles et les

crises d’épilepsie néonatales.

II.2.2) Etiologie et phénoménologie de l’épilepsie

Les étiologies de l’épilepsie sont diverses et se divisent globalement en deux catégories : les causes

génétiques et les causes structurelles ou métaboliques. L’étiologie peut être aussi inconnue.

« Génétique » implique qu’un défaut génétique connu ou présumé a été mis en évidence par des

études familiales ou génétiques (192). Par exemple, le syndrome de Dravet est une épilepsie infantile

causée par une mutation ou une délétion du gène SCN1A (193 , 194) codant pour le canal sodique

Nav1.1. « Structurelles ou métaboliques » implique qu’« une maladie structurelle ou métabolique a

été démontrée comme étant associée à un risque accru de développer une épilepsie dans des études

conçues de manière appropriée » (192). Ce type d’épilepsie est causé, par exemple, par des

traumatismes crâniens ou des tumeurs cérébrales. Par exemple, l’épilepsie du lobe temporal est un

type d’épilepsie dont l’origine des crises est principalement située dans les aires limbiques comme

l’hippocampe, l’amygdale et le gyrus parahippocampique. La sclérose de l’hippocampe en est le

principal marqueur anatomopathologique. Cette épilepsie se déclencherait, après une longue

période de latence, à partir une affection initiale survenant dans les premières années de la vie (195).

En dehors des crises, il est possible d’observer des évènements interictaux de grande amplitude sur

l’EEG isolés, appelées pointes, ou rythmiques durant plusieurs secondes appelés décharges. Ces

évènements reflètent une hypersynchronie neuronale transitoire.

Sur le plan neuronal, pendant la décharge interictale, une large population de neurones dans le foyer

subit une large dépolarisation membranaire appelée « paroxysmal depolarization shift » ou PDS

(196) sur laquelle se superposent des bouffées de potentiels d’action à très haute fréquence. Puis, les

cellules s’hyperpolarisent (hyperpolarisation post-DS) dû à une augmentation des conductances

potassiques (197) et subissent une inhibition neuronale. Au fur et à mesure des décharges

interictales, l’hyperpolarisation post-DS diminue et progressivement disparait pour être remplacée

par une petite dépolarisation après la décharge qu’on appelle l’« after-discharge » (198). Tous ces

phénomènes survenant de façon synchrone dans la population neuronale du foyer épileptique, les

« after-discharges » s’allongent à chaque décharge interictale et se transforment progressivement en

crises d’épilepsie. Au cours de la crise, les activités neuronales anormales se répandent aux régions

proches et plus distantes. Avant et pendant le développement de la crise, les concentrations

extracellulaires de K+ augmentent et de Ca++ diminuent jusqu’à un plateau. Puis la crise se termine

et la membrane neuronale s’hyperpolarise à un niveau bien en deça du niveau normal (199). D’un

point de vue mécanistique, les décharges interictales proviennent d’une excitabilité neuronale

45

anormale due à la nature ou la densité en canaux ioniques (199) ou à l’altération des fonctions gliales

(200) mais proviennent aussi d’une synchronie anomale des neurones entre eux. Cette synchronie

peut provenir de synapses excitatrices récurrentes normales, comme dans le réseau CA2-CA3, ou

pathologiques comme les récurrentes des fibres moussues observées chez les patients et les modèles

animaux de l’épilepsie du lobe temporal (201).

Sur le plan électroencéphalographique, les crises épileptiques se traduisent par des activités

paroxystiques (pointes, polypointes, pointes-ondes) durant plusieurs secondes. Les décharges

interictales sont des évènements rythmiques de grande amplitude durant de 1 à 5 s (202). Les

pointes interictales ou anomalies épileptiformes (ou « paroxystiques ») sont des déflections positives

ou négatives de l’EEG d’amplitude supérieure à la ligne de base, durant moins de 50 ms chez la souris

(203). J’ai nommé dans cette thèse « hypersynchronie neuronale » le phénotype observé chez les

souris modèles de la MA caractérisé par la présence à l’EEG de pointes interictales sans objectivation

de crises d’épilepsie répétées, afin de ne pas utiliser le terme « d’épilepsie » à mauvais titre.

Les crises d’épilepsie se manifestent sur le plan électroencéphalographique soit de façon isolée (crise

infraclinique) soit associée à des symptômes objectifs (crise clinique). Les crises d’épilepsie peuvent

être généralisées ou partielles. Dans les deux cas, le foyer est localisé mais les crises évoluent soit

dans le même hémisphère (partielle), soit mobilisent les réseaux neuronaux des deux hémisphères,

mais sans atteindre systématiquement le cerveau entier (généralisée) (192).

Il existe différents types de symptômes dans les crises d’épilepsie généralisées et partielles. Les crises

partielles dites simples font référence à des crises avec des symptômes moteurs ou du système

nerveux autonome sans altération de la conscience ou de l’attention. Les crises partielles complexes

supposent qu’il y ait une perturbation de la conscience ou de l’attention (192). Parmi les crises

d’épilepsie généralisées, il existe les crises tonico-clonique, myoclonique, clonique, tonique et les

absences. Par exemple, les crises tonico-cloniques sont des crises où le patient perd connaissance

puis présente un raidissement des membres (tonique) suivi d’une phase de contractions ou

tremblements rythmiques des membres, s’achevant par un coma puis le réveil de la personne

épileptique (204). Le status epilepticus est défini par « un épisode d’au moins 30 minutes d’activité

épileptique continue ou deux ou plusieurs crises d’épilepsie séquentielles couvrant cette même

période sans rétablissement complet entre les crises » (204). Enfin, les crises d’absences sont des

épisodes courts de 3 à 20 secondes pendant lesquels le regard de l’individu devient fixe, accompagné

ou non de clignements oculaires ou de mouvements automatiques brefs de la bouche ou des mains.

Une altération de la conscience et de la réceptivité sensorielle est constatée (204).

46

Les différentes étiologies de l’épilepsie peuvent être modélisées chez l’animal, le plus souvent chez le

rat ou la souris. Les modèles de l’épilepsie du lobe temporal (TLE) sont les plus nombreux. Ces

modèles peuvent être génétiques, par exemple, la lignée Q54 présentant une mutation du canal

Nav1.2 (205). Il existe des modèles à forte susceptibilité génétique d’épilepsie comme la souris El,

dont le développement de l’épilepsie dépend des facteurs génétiques et environnementaux (206).

Les modèles les plus fréquemment utilisés sont des modèles d’épilepsie du lobe temporal induites,

qui consistent en l’induction initiale d’une ou plusieurs crises paroxystiques (type status epilepticus)

pharmacologiquement (lithium, pilocarpine, kainate) ou électriquement (« kindling »). Globalement,

dans ces modèles d’épilepsie du lobe temporal, les mutations génétiques ou les lésions cérébrales

vont engager un processus d’épileptogenèse basé sur des remodelages cellulaires et moléculaires de

l’hippocampe, qui conduira in fine, après une période de latence, à l’apparition de crises d’épilepsie

spontanées et leur récurrence (207 , 208).

II.2.3) Occurrence des crises d’épilepsie en fonction du cycle veille-sommeil

De nombreuses études indépendantes montrent que les crises d’épilepsie sont plus fréquentes en

sommeil lent puis en éveil mais très rares en sommeil paradoxal. Par exemple, Marcus Ng et al.

rapportent que sur 542 patients répartis sur 9 études effectuées entre 1987 et 2006, 71 % des crises

d’épilepsies partielles sont survenues en sommeil lent, 28 % en éveil et seulement 1 % en sommeil

paradoxal. Des proportions similaires sont retrouvées pour les crises d’épilepsie généralisées (209).

D’autre part, il existe des syndromes épileptiques spécifiques où la prédominance des crises pendant

le sommeil est inhérente à la pathologie. Par exemple, dans l’épilepsie bénigne de l’enfant avec

pointes rolandiques (BECRS), les décharges sont 4 fois moins fréquentes en éveil qu’en sommeil,

celles-ci survenant légèrement plus fréquemment (1.1-1.3 fois plus) en sommeil lent qu’en sommeil

paradoxal (209). D’autres syndromes montrent une occurrence préférentielle des décharges

épileptiques pendant le sommeil lent tel que le syndrome de Landau-Kleffner, le status epilepticus en

sommeil lent (ESES) ou les spasmes infantiles.

On peut expliquer la prédominance des crises d’épilepsie en sommeil lent par rapport à l’éveil et au

sommeil paradoxal par l’état de synchronisation neuronale (oscillations lentes très amples)

caractéristique de cet état de vigilance. La fréquence des décharges interictales serait plus faible en

sommeil paradoxal et en éveil car ces états de désynchronisation entrainent une diminution de la

connectivité entre les aires corticales antérieures et postérieures (210), limitant l’émergence et la

propagation des crises d’épilepsie. De plus, le rythme thêta, très présent en sommeil paradoxal et en

éveil, pourrait être antiépileptique. En effet, des crises d’épilepsie induites chez l’animal par injection

47

d’un antagoniste des récepteurs GABA, le pentylenetetrazole, ont pu être interrompues par la

stimulation pharmacologique ou électrique du septum médian, région pacemaker du rythme thêta

hippocampique (211).

II.2.4) Altérations cellulaires de l’épileptogenèse

II.2.4.1) Vue d’ensemble des altérations cellulaires dans un contexte d’épilepsie

Parmi les altérations cellulaires de l’épilepsie, on trouve la perte neuronale, qui peut affecter les

différentes régions corticales comme le cortex entorhinal ou perirhinal et l’hippocampe. On note une

perte importante des différentes classes d’interneurones hippocampiques au niveau du hile (>50%),

qu’ils expriment la somatostatine, la cholécystokinine et/ou le neuropeptide Y. Plus minoritairement,

les cellules moussues et les cellules pyramidales de CA1 et CA3 peuvent subir une mort neuronale

(212 , 213 , 214). Il existe aussi une altération de la neurogenèse, une micro- et astrogliose, des

dommages axonaux et modifications dendritiques et une néovascularisation (212). Cette mortalité

neuronale, en particulier des interneurones inhibiteurs, va déclencher de façon homéostatique, des

modifications protéiques et des remodelages cellulaires structuraux afin de réguler l’excitation

neuronale.

II.2.4.2) Modifications de l’expression du neuropeptide Y et autres modifications

cellulaires liées

Outre son rôle orexigénique lorsqu’il est produit par l’hypothalamus, le neuropeptide Y (NPY) est un

neuromodulateur exprimé en conditions basales dans l’hippocampe exclusivement dans certaines

classes d’interneurones GABAergiques : les interneurones exprimant la somatostatine ou la

cholécystokinine, parmi lesquels seule une sous-population exprime le NPY (215). Ces neurones

GABAergiques se situent dans le hile et la couche granulaire et innervent très localement les

dendrites des cellules granulaires au niveau de la couche moléculaire externe ainsi que certaines

cellules hilaires.

L’expression du NPY augmente fortement dans le gyrus denté à la suite des crises d’épilepsie et la

reproductibilité de ce résultat dans différents laboratoires (213 , 214) en a fait un marqueur reconnu

d’activité épileptique. Après une crise d’épilepsie aigüe, l’expression du NPY augmente dans les

interneurones GABAergiques du hile et de la couche granulaire (214), l’expression axonique donnant

lieu à une immunoréactivité visible dans la couche moléculaire externe. Chez l’animal soumis à un

status epilepticus et sacrifié un mois après, l’augmentation de l’expression du NPY dans les

48

interneurones est toujours visible, à laquelle s’ajoute une expression de novo dans les cellules

granulaires, particulièrement visible dans les fibres moussues, suggérant la survenue de crises

d’épilepsie chroniques suivant le status epilepticus (214). D’autre part, les interneurones qui

survivent aux crises et notamment ceux exprimant le NPY vont montrer un développement axonal

« sprouting » accru (216), compensant les pertes interneuronales. Enfin, les cellules granulaires vont

développer des fibres moussues collatérales qui expriment aussi le NPY (Figure 14). Elles vont

innerver les cellules granulaires elles-mêmes (217), entrainant une excitation récurrente de ces

cellules mais aussi des neurones GABAergiques, jouant un rôle inhibiteur (Figure 14).

Le NPY exerce son action via 5 types de récepteurs dont les récepteurs Y1, Y2 et Y5 sont ceux

principalement exprimés dans l’hippocampe (215). Notamment, le récepteur Y2 se situe au niveau

des synapses formées par les fibres mousses. Lorsqu’en conditions d’épilepsie le NPY est exprimé par

les cellules granulaires, le neuropeptide se fixe sur ces autorecepteurs Y2 pour limiter la libération de

glutamate par les fibres moussues et ainsi limiter l’excitation des cellules de CA3 (218). Après des

crises chroniques ou aigues, l’expression du récepteur Y2 augmente au niveau des fibres moussues

(219) et celle du récepteur Y1 diminue dans la couche moléculaire (220).

Toutes ces modifications d’expression du NPY et de ses récepteurs semblent participer à un

mécanisme homéostatique permettant de limiter l’hyperexcitation et la propagation des crises dans

un contexte d’épilepsie.

Figure 14. Photographies du gyrus denté et du hile de l’hippocampe de rats contrôle (gauche) et traité avec du kaïnate (droite). Immunohistochimie Timm, marquant spécifiquement les fibres moussues. Dans le gyrus denté du rat contrôle (gauche), les fibres moussues sont restreintes au hile. Seules quelques fibres moussues collatérales peuvent être observées dans la couche des cellules granulaires (pointes de flèches ouvertes). En revanche, chez le rat traité au kaïnate (droite), de très nombreuses fibres moussues traversent la couche granulaire et forment une large bande de terminaisons synaptiques au niveau de la couche moléculaire interne (tête de pointes larges). Echelle gauche: 50 µm ; droite : 100 µm (217)

49

II.2.4.3) Modification d’expression de la calbindine dans l’épilepsie

La calbindine est une protéine tampon du calcium qui est exprimée notamment dans les cellules

granulaires du gyrus denté (221). Son rôle physiologique est mal connu mais cette protéine pourrait

réguler la durée et le niveau de l’augmentation des concentrations calciques liées à l’activité

neuronale (221). Il existe une diminution de l’expression de la calbindine dans les cellules granulaires

des patients atteints d’épilepsie du lobe temporal (222) et dans les modèles animaux de cette

pathologie (223 , 224). Le rôle de la calbindine dans l’épilepsie est mal connu. Pour Nagerl, cette

diminution serait neuroprotectrice en diminuant l’entrée de calcium lors des trains de potentiels

d’action survenant pendant les crises d’épilepsie (225).

II.2.5) Les modifications oscillatoires dans un contexte d’épilepsie

II.2.5.1) Oscillations thêta

Une diminution de la puissance maximale et une augmentation de la fréquence des oscillations thêta

dans l’hippocampe a été observée de façon consensuelle dans de nombreuses espèces et modèles

d’épilepsie (226 , 227 , 228). Par exemple, cette diminution atteint les 70–85% dans l’hippocampe

dans le modèle rat d’épilepsie pilocarpine. Cette altération du rythme thêta s’expliquerait par une

augmentation du taux de décharge de certains neurones septaux et une diminution de la synchronie

de l’ensemble des neurones septaux. Ce phénomène résulterait de la mort cellulaire des cellules

cholinergiques et surtout des neurones GABAergiques septaux (Figure 15). Cette mortalité entraine

un remodelage cellulaire du septum et de l’hippocampe. Ce remodelage pourrait reposer sur une

neurogenèse et une synaptogenèse anormale et sur la modification des propriétés intrinsèques de

canaux ioniques voltage dépendant Ca++, Na+, Cl- et HCN surtout (229).

50

Figure 15. Représentation des connections synaptiques septales sur l’hippocampe et leur altération dans un contexte d’épilepsie. Les afférences en provenance du septum sont en vert (cholinergiques) rouge (glutamatergiques) et bleu (interneuronale). L’excitation des neurones pyramidaux de CA1 (triangle rouge) via les collatérales de Schaffer est modulée par les afférences GABAergiques septales, qui inhibent les interneurones hippocampiques (rond bleu), et les afférences cholinergiques, qui excitent les interneurones et les neurones pyramidaux. L’ensemble excitation/inhibition donne naissance au rythme thêta dont l’altération chez les épileptiques provient de la mort cellulaire des interneurones et neurones cholinergiques septaux mais aussi des neurones pyramidaux de CA3. MSDB : Septum médian et bande diagonale de Broca, PP : voie perforante, SC : Collatérales de Schaffer, p : neurone pyramidal ; i : interneurone (229)

II.2.5.2) Oscillations gamma

Plusieurs études rapportent une augmentation des oscillations gamma en rapport avec l’épilepsie.

Lors de l’induction de crises d’épilepsie par l’injection d’acide kainique, une augmentation

concomittante des oscillations gamma survient (230). En periode interictale, une augmentation de la

puissance des oscillations gamma d’un facteur 7 à 10 a été décrite chez des patients atteints

d’épilepsie généralisée (231). Sur des tranches d’hippocampe en conditions épileptogéniques, des

périodes d’oscillations gamma alternent avec des décharges interictales, transition survenant quand

la transmission synaptique des cellules pyramidales sur les interneurones est suffisamment faible

(232). Dans sa revue, Sedley et al. rapportent que les patients présentant une épilepsie

photosensible montrent lors de certaines stimulations lumineuses connues pour entrainer des

pointes interictales, une augmentation de la puissance des oscillations gamma en différents pics de

fréquence (233). Ces pics sont d’autant plus apparents chez les patients qui ont présenté des pointes

interictales lors de cette stimulation que ceux n’en présentant pas (234 , 235). L’auteur explique que

cette augmentation des oscillations gamma pourrait être la cause de l’épileptogenèse ou une

conséquence de celle-ci : soit l’hypersynchronie entrainerait une sommation de la puissance des

51

oscillations gamma conduisant à l’epileptogenèse, soit les oscillations gamma seraient entrainées par

des rythmes anormaux qui les empêcheraient d’accomplir leurs fonctions normales d’inhibition de

l’activité neuronale locale, l’épileptogenèse résultant de cette désinhibition (233).

II.2.5.3) Fast Ripples ou Oscillations de très haute fréquence

Les « ripples » sont des oscillations de haute fréquence (100-200 Hz) physiologiques survenant

pendant le sommeil lent. Mais il existe des oscillations de haute fréquence pathologiques (pHFO) ou

« fast ripples » dont la fréquence est comprise entre 250 et 600 Hz et durent quelques dizaines de

millisecondes. Elles surviennent uniquement dans des zones épileptogéniques comme le gyrus denté,

l’hippocampe, le subiculum et le cortex entorhinal (197) et permettent donc de prédire le foyer

initiateur des crises d’épilepsie (236). Leur occurrence est la plus importante en sommeil lent mais

reste élevée en sommeil paradoxal. L’avantage de ces pHFO est leur absence de spécificité

concernant le type d’épilepsie, ce qui en fait un marqueur universel (197). Il est encore difficile de

distinguer les oscillations de haute fréquence normales et pathologiques. Ces HFO pathologiques

refléteraient l’ensemble des potentiels d’action des neurones principaux déchargeant de façon

synchrone dans des zones très localisées (197). L’excitation des neurones pyramidaux par des

synapses récurrentes pourrait contribuer à la génération de ces oscillations. Selon Traub et al., une

transmission entre les neurones via les jonctions gap, dont la rapidité pourrait permettre la

fréquence élevée de ces HFO, serait un mécanisme potentiellement impliqué dans la génération des

HFO pathologiques (237). Des rats soumis à un status epilepticus (SE) par injection d’acide kaïnique

ont été soumis à plusieurs sessions d’enregistrement EEG après l’induction du SE. Lors de ces

enregistrements, des crises d’épilepsie spontanées sont apparues uniquement chez les rats pour

lesquels des HFO avaient été détectées sur les enregistrements EEG post SE précédents. De plus, plus

les HFO ont été détectées tôt à partir du status epilepticus, plus les crises d’épilepsie survenaient tôt

et plus la fréquence des crises à venir était importante (238).

Les HFO sont donc un marqueur de la zone initiatrice des crises et d’après les études animales,

pourraient prédire le développement d’une épilepsie.

II.2.6) Impact cognitif de l’épilepsie

Les déficits cognitifs dans l’épilepsie sont fréquents. 70 % à 80 % d’un groupe de plus de 1000

patients suivis à Bonn depuis 1988 et présentant une épilepsie du lobe temporal pharmacorésistante,

présentent un déficit de mémoire épisodique (verbale ou figurative) (239). Ces déficits mnésiques

dans un contexte d’épilepsie peuvent être dus à l’effet direct des crises ou des pointes interictales

52

sur les fonctions mnésiques, des remodelages hippocampiques induits par l’épilepsie ou bien

provenir de la cause de l’épilepsie elle-même sans être reliés directement aux crises. Dans le cas où

les crises ou pointes interictales perturbent directement les fonctions mnésiques, l’effet peut être

durable ou transitoire. En ce qui concerne l’effet transitoire des crises d’épilepsie ou des pointes

interictales sur la mémoire, le traitement antiépileptique symptomatique permet de restaurer des

performances mnésiques normales dans certaines épilepsies (encéphalopathies épileptiques),

preuve que les crises ou les pointes elles-mêmes peuvent participer aux troubles mnésiques (240).

De plus, plusieurs études menées chez l’homme et le rat ont montré l’action transitoire des pointes

interictales sur les performances cognitives. Des déficits cognitifs transitoires ont été mis en évidence

pendant des tâches cognitives ou visuelles pendant lesquelles les patients étaient enregistrés. Dans

ces expériences, la survenue de pointes interictales pendant la présentation de l’item (verbal ou

visuel) à mémoriser ou se rappeler a été associée à de mauvaises performances mnésiques (241 ,

242). Chez des rats épileptiques (modèle pilocarpine), les animaux qui présentaient des pointes

interictales chroniques sur les enregistrements hippocampiques avaient de mauvaises performances

dans une tache cognitive hippocampo-dépendante lorsque les pointes interictales apparaissaient

pendant la phase de rappel et non pendant l’apprentissage (243). Cet impact mnésique négatif des

pointes pendant le rappel fut également mis en évidence sur une cohorte de 10 patients implantés

pour localisation du foyer épileptique avant opération (244).

D’autre part, l’impact direct des pointes interictales sur les fonctions mnésiques peut être durable.

Notamment, les enfants atteints du syndrome « pointes ondes continues pendant le sommeil »

(continuous spike and wave of sleep CSWS) vont présenter, pour certains, des séquelles cognitives

même après la disparition des décharges à la puberté (240). Des rats soumis à un traitement de 10

jours (entre le 12° et le 23° jour de vie) de flurothyl, agent provoquant à faible dose des pointes

interictales mais pas de crises d’épilepsie, ont montré de moins bonnes performances mnésiques

dans un test de mémoire spatiale (piscine de Morris) et un test de mémoire de travail (labyrinthe

radial à quatre bras) un peu plus d’un moins après la fin du traitement, alors qu’ils ne présentaient

plus de pointes. Cette étude montre que les pointes interictales chez les rats pendant le

développement cérébral peuvent avoir des conséquences mnésiques délétères à long terme (245).

Les mécanismes possibles de cette dysfonction cognitive induite par les pointes interictales

pourraient être de plusieurs ordres. Tout d’abord, le rythme thêta, important pour l’encodage

d’informations, pourrait être interrompu par un évènement d’hypersynchronie tel que la pointe.

Ensuite, l’expérience a montré que des rats soumis à un status epilepticus présentent des cellules de

lieu anormales (246). Chez ces animaux épileptiques, le champ récepteur dans lequel une cellule

décharge est moins précis et plus instable d’une exploration à l’autre de l’environnement. Les

53

auteurs ont montré que cette dysfonction des cellules de lieu est associée aux mauvaises

performances des rats épileptiques dans le test de la piscine de Morris (246). Dans le cas où les

pointes interictales surviennent de façon prédominante pendant le sommeil lent comme par

exemple dans le syndrome « continuous spike and wave of sleep CSWS » (240), les pointes

interictales pourraient perturber certaines oscillations comme les « ripples » dont le rôle dans la

consolidation mnésique est fortement suspecté (165).

Les remodelages cellulaires et protéiques de l’hippocampe induits par les crises d’épilepsie peuvent

aussi altérer les processus mnésiques se déroulant dans cette structure. Par exemple, dans le modèle

d’épilepsie du lobe temporal induit par la pilocarpine, les synapses formées par les fibres moussues

récurrentes expriment des récepteurs kaïnate, qui, en conditions physiologiques, sont normalement

absentes des synapses moussues. La présence de ces récepteurs confère une cinétique lente aux

courants synaptiques des cellules granulaires sur lesquelles les fibres moussues récurrentes

projettent (247). Cette cinétique lente altère l’intégration temporelle des potentiels synaptiques

excitateurs reçus, en provenance du cortex entorhinal (248 , 249). Ces évènements conduiraient très

probablement à un déficit fonctionnel du gyrus denté, notamment du processus de séparation de

patron c'est-à-dire d’encodage différentiel de deux informations similaires mais différentes.

Enfin, il est possible que la cause de l’épilepsie et non pas les crises d’épilepsie soit à l’origine des

troubles mnésiques ou du moins y participe, chez les patients épileptiques. Pour illustrer cette

hypothèse, Bender a montré que des souris présentant un KO des canaux Nav1.1, cause génétique

du syndrome de Dravet, uniquement dans le septum ne présentent plus de crises d’épilepsie mais

des troubles de la mémoire spatiale associés à une altération du rythme thêta hippocampique (250).

En conclusion, la cause de l’épilepsie ou les évènements d’hypersynchronie neuronale qu’elle

entraine contribueraient aux troubles mnésiques dans les épilepsies.

54

III) Altération de l’activité des réseaux neuronaux dans la maladie d’Alzheimer

III. 1) Altération du sommeil dans la MA

III.1.1) Chez l’homme

L’altération du cycle veille-sommeil est un symptôme courant des patients atteints de la maladie

d’Alzheimer. Ces altérations ont tendance à apparaître au stade modéré de la maladie d’Alzheimer et

sont multifactoriels. Les patients atteints de la maladie d’Alzheimer présentent des modifications de

la durée et de la rythmicité circadienne du cycle veille-sommeil, qui se manifestent initialement par

une augmentation de l’éveil pendant la nuit (due à des difficultés d’endormissement et des réveils

nocturnes plus fréquents) (251 , 252 , 253). Il existe également une augmentation du sommeil

pendant le jour et l’ensemble progresse vers une disparition du rythme nycthéméral (251 , 252 ,

253). Concernant l’architecture du sommeil, la durée des épisodes de sommeil paradoxal est

diminuée chez les patients atteints de la maladie d’Alzheimer comparés aux sujets sains de même

âge, conduisant à une diminution globale de la durée du sommeil paradoxal (254 , 255). La durée du

sommeil lent est aussi diminuée dans la maladie d’Alzheimer (256 , 257).

III.1.2) Dans les modèles murins de la MA

Les études sur les modèles murins de la MA montrent que le processus d’amyloïdogenèse dans le

cerveau entraine une perturbation de l’architecture du sommeil, un effet qui souvent précède

l’apparition des plaques amyloïdes. Tout d’abord, une augmentation de la fragmentation des cycles

veille-sommeil a été observée chez les souris 5xFAD (258), modèle présentant 5 mutations

retrouvées dans les formes familiales de la MA. De plus, la durée totale de l’état d’éveil augmente et

celles du sommeil lent (90, 259) et du sommeil paradoxal diminuent (90 , 167 , 260). D’autre part,

l’activité nocturne des souris peut être altérée (261). Dans certains cas, ces perturbations du sommeil

ont été reversées par l’immunothérapie anti-Aβ, démontrant un rôle causal du peptide amyloïde

(167, 262 ). Chez les souris Tg2576, seule l’étude de Wisor a décrit les altérations du cycle veille-

sommeil entre les âges de 5 et 17 mois. Les souris Tg2576 ont présenté une légère augmentation de

la période circadienne par rapport à celle des souris NTg, sur la base de l’activité en roue d’exercice,

et ce dès l’âge de 5 mois. Les durées totales du sommeil lent et du sommeil paradoxal n’étaient pas

modifiées chez les Tg2576 comparées aux NTg, ni la répartition de ces phases entre la phase lumière

et obscurité, entre les âges de 8 et 17 mois. Enfin, la durée du sommeil lent en pourcentage d’une

journée de 24h augmentait significativement avec l’âge, indépendamment du génotype. A l’âge de

55

22 mois, certaines souris femelles présentaient une diminution de la durée du sommeil paradoxal,

abolie par l’immunisation anti Aβ (167).

Compte tenu de la différence entre l’homme et la souris en terme d’architecture du cycle veille-

sommeil, les modèles murins de la MA présentent certaines altérations observées chez les patients

atteints de la maladie d’Alzheimer, et ces études permettent de suggérer un rôle causal du peptide

amyloïde dans ces altérations.

III.2) Altération des oscillations cérébrales dans la MA

III.2.1) Chez l’homme

L’analyse des oscillations EEG à l’état de repos chez des sujets sains montre que la puissance des

oscillations alpha et delta diminue au cours du vieillissement (263). En revanche, les patients atteints

de la maladie d’Alzheimer montrent un ralentissement de l’EEG c’est-à-dire une augmentation de la

puissance des oscillations plus lentes, thêta (précocement) et delta (tardivement), et une diminution

de la puissance des oscillations plus rapides (alpha et beta) (264 , 265 , 266 , 267), tendance

retrouvée dans les formes familiales de la MA (268 , 269). D’autre part, il est possible d’observer une

augmentation (270) ou une diminution (271) de l’activité des oscillations gamma chez les patients

atteints de la MA par rapport aux sujets sains.

Ce « ralentissement de l’EEG » pourrait être dû à une dégénérescence des neurones cholinergiques

(21), en particulier du télencéphale basal qui innervent le cortex et l’hippocampe. En effet, ces

neurones cholinergiques assurent le maintien d’une désynchronisation de l’EEG et l’apparition de

rythmes plus rapides (>20 Hz) (272). Si le tonus cholinergique est pharmacologiquement abaissé par

l’administration de scopolamine, un antagoniste des récepteurs muscariniques, il se produit un

ralentissement de l’EEG similaire à celui observé dans la MA (273 , 274). Inversement, les

médicaments anticholinesterasiques atténuent ce ralentissement de l’EEG (275).

D’autres anomalies des signaux EEG sont observées dans la MA tels qu’une diminution de la

complexité et de la cohérence (276). La cohérence du signal EEG entre plusieurs électrodes traduit la

connexion fonctionnelle entre différentes régions corticales. Une diminution de la cohérence dans

les bandes de fréquence alpha et bêta a été observée chez les patients atteints de la MA, due

probablement à la neurodégénérescence de longs tractus cortico-corticaux reliant les différentes

régions corticales entre elles (276).

56

III.2.2) Dans les modèles murins de la MA

Dans les modèles murins de la MA, les données ne concordent pas toujours avec les observations

recueillies chez l’homme et sont différentes entre les modèles murins eux-mêmes (Tableau 3).

Une altération du couplage thêta-gamma (θ/ϒ) est également rapportée dans les modèles murins de

la MA. Mesuré sur des préparations hippocampiques isolées, le couplage θ/ϒ est altéré chez les

souris TgCRND8, à un âge précédant l’apparition des troubles mnésiques (277). Cette altération

apparait chez un sous-groupe de souris, uniquement pour le gamma rapide (120–250 Hz). Chez les

souris APP23 de 4 mois, une altération du couplage entre thêta (4-12Hz) et gamma (25-100Hz) a été

mise en évidence in vivo dans l’hippocampe (Ittner 2014). En ce qui concerne les souris Tg2576,

Wisor a montré une augmentation des oscillations thêta et delta à l’âge de 17 mois. Il a de plus noté

une augmentation progressive entre 8 et 17 mois du rapport thêta/delta (167). L’absence de perte

neuronale cholinergique dans la plupart des modèles murins de la MA (278) pourrait expliquer les

différences d’altérations oscillatoires entre les patients atteints de la MA et les modèles murins. Ces

divergences entre les modèles murins pourraient aussi bien être dues au(x) différences de

transgène(s) ou de fond génétique ou à des différences de cinétique de l’altération des structures

rythmogènes ou génératrices de courant.

57

58

III.3) L’épilepsie dans la MA

Depuis les années 1950, de nombreuses études se sont intéressées à l’incidence des crises

d’épilepsie dans la MA et aux facteurs associés à la survenue de ces crises. Face à la variabilité des

résultats récoltés et les problèmes méthodologiques liés à l’anamnèse des crises, la mise en évidence

de crises d’épilepsie chez les modèles murins de la MA a vraiment permis d’asseoir le lien entre

l’épilepsie et la MA, grâce notamment aux travaux de Palop et Mucke à la fin des années 2000. A

l’heure actuelle, les études cliniques montrent un regain d’intérêt pour les pistes de recherches sur le

lien entre l’épilepsie et la MA, et cherchent même à vérifier chez l’homme les hypothèses

échafaudées chez l’animal.

III.3.1) Données épidémiologiques sur les crises d’épilepsie dans la MA

Comment en est-on arrivé à soupçonner un lien entre l’épilepsie et la maladie d’Alzheimer ?

L’épilepsie et la maladie d’Alzheimer sont toutes deux des maladies dont l’incidence augmente avec

l’âge (285) et il n’est donc pas rare de les voir associées dans la population âgée. D’autre part,

l’épilepsie peut apparaître secondairement à diverses affections cérébrales comme les traumatismes

crâniens ou les tumeurs cérébrales. Les maladies neurodégénératives dont la maladie d’Alzheimer

sont la cause présumée de 3,5 à 6,5% des cas prévalents d’épilepsie (286 , 287). Dans ce contexte,

les crises d’épilepsie sont supposées être la résultante de la perte neuronale observée dans ces

maladies (288).

III.3.1.1) Prévalence des crises d’épilepsie dans les formes sporadique et familiale de la

MA

Dans les formes sporadiques de la MA, 10 à 22% des patients atteints de la MA ont présenté au

moins une crise d’épilepsie spontanée (289). Cette proportion devient plutôt inférieure à 5% si l’on

considère des cohortes plus larges (290 , 291). De façon intéressante, cette incidence des crises

d’épilepsie chez les patients atteints de la MA est significativement supérieure à celle d’une

population saine appariée pour l’âge (292). Les crises d’épilepsie peuvent survenir à n’importe quel

stade de la MA (293 , 294 , 295 , 296 , 297). Elles peuvent notamment apparaître très précocement

(297). Dans l’étude rétrospective de Vossel sur les patients d’un centre Mémoire et Vieillissement de

San Francisco, 5 % des patients ayant un MCI amnésique ont présenté des crises d’épilepsie non

imputables à d’autres maladies neurologiques. Ainsi, bien que les crises d’épilepsie restent un

évènement rare, elles sont plus fréquentes chez les patients atteints de la forme sporadique de la

MA que dans la population générale.

59

Dans les formes familiales de la MA, la prévalence des crises d’épilepsie spontanées est bien plus

élevée que dans les formes sporadiques. Par exemple, 37 à 58 % des patients ayant la mutation

E280A de la préséniline 1 ont présenté une crise d’épilepsie (298) et c’est le cas de 30% des patients

porteurs de mutations de la préséniline 2 (299). Des crises d’épilepsie ont été décrites chez 57% des

individus appartenant à 5 familles porteuses de duplications de l’APP (300). Une étude prospective

réalisée sur des patients atteints du syndrome de Down a révélé que 84 % d’entre eux ont présenté

des crises d’épilepsie (301). Cette maladie plus connue sous le nom de trisomie 21 est caractérisée

par la présence de trois chromosomes 21 portant chacun une copie du gène de l’APP. Ces études

suggèrent donc que la survenue de crises d’épilepsie serait fortement reliée à la physiopathologie

amyloïde de la maladie d’Alzheimer, car les crises sont plus fréquentes dans les cas familiaux de la

MA où les mutations génétiques jouent un rôle incontestable dans l’amyloïdopathie.

III.3.1.2) Type de crises et prévalence des anomalies épileptiformes

Les crises d’épilepsie chez les patients atteints de la MA peuvent être partielles simples ou

complexes, ressemblant parfois à des symptômes de la MA comme les épisodes d’amnésie ou les

troubles du langage (297), ou elles peuvent être généralisées et dans ce cas, elles sont le plus

souvent tonico-cloniques (302). Elles sont bien traitées par le lévétiracétam et la lamotrigine (40 à 50

% de guérison et de répondeurs partiels) mais peu par la phénytoine (20% des patients sans crises)

(297). Certaines études rapportent des anomalies épileptiformes chez 16 à 38 % des patients atteints

de la MA ayant présenté au moins une crise d’épilepsie (290) et pour lesquels un EEG a été réalisé.

D’après Amatniek et al, la présence de pointes interictales est associée à un risque 73 fois plus élevé

de présenter une crise d’épilepsie (292). Aussi, 40% des patients atteints d’une forme précoce non

génétique de la MA ont présenté des anomalies épileptiformes sur l’EEG (Keith Vossel,

communication personnelle). Sur une large cohorte de 1674 patients consultant dans une clinique

spécialisée dans les troubles de mémoire, des anomalies épileptiformes ont été retrouvées chez 3%

des personnes atteintes de démence dont 60 % n’avaient jamais présenté de crises d’épilepsie

cliniques (303). La prévalence des anomalies épileptiformes est donc variable chez les patients

atteints de la MA et leur présence peut être aspécifique. De plus, des limitations techniques rendent

difficile la détection de ces anomalies épileptiformes. Un EEG de routine de 30 minutes est trop court

et détecte des anomalies épileptiformes chez seulement 29 à 55% des patients consultant pour une

épilepsie (304). De plus, si la source des pointes interictales est profonde, elles ne seront que

faiblement ou pas détectées sur l’EEG de surface. Donc contrairement aux modèles murins de la MA

où les anomalies épileptiformes sont très facilement détectées, elles sont difficilement et

variablement détectées chez l’homme par l’EEG de routine et ne sont pas associées

systématiquement à la survenue de crises.

60

III.3.1.3) Problèmes méthodologiques des études sur l’épilepsie dans la MA

Outre la faiblesse des effectifs, certaines études présentent des biais de sélection des patients :

diagnostic de MA incertain, présence d’autres causes d’épilepsie, prise de médicaments augmentant

la susceptibilité aux crises d’épilepsie ou hétérogénéité de la sévérité/stade de la MA. D’autre part,

le diagnostic de crise d’épilepsie spontanée, souvent basé sur des données cliniques parfois

lacunaires provenant de questionnaires, peut être erroné, en l’absence d’EEG de confirmation qui est

rarement obtenu dans ces études. La prévalence des types de crises peut aussi avoir été biaisée car

certaines crises d’épilepsie partielles complexes telles que le délire, l’agressivité, le manque

d’attention ou les problèmes de mémoire peuvent être confondues avec des symptômes de la MA.

En revanche, la forte prévalence des crises convulsives pourrait tenir au simple fait qu’elles soient

plus visibles et spécifiques symptomatologiquement (302).

Dans leur ensemble, ces études révèlent donc que les crises d’épilepsie sont un symptôme peu

fréquent de la MA mais dont l’incidence est significativement supérieure à celle de la population

saine. L’épilepsie peut s’observer dès les premiers stades de la MA mais est difficile à détecter.

III.3.2) Le phénotype épileptique décrit chez les souris modèles de la MA

III.3.2.1) Susceptibilité aux crises induites

L’administration d’agents pharmacologiques qui bloquent l’inhibition neuronale, comme les

antagonistes des récepteurs GABAa tels que le pentylenetetrazole, ou exacerbent l’excitation

neuronale, comme les agonistes des récepteurs glutamatergiques au kaïnate, a permis de mettre en

évidence de façon indirecte un déséquilibre entre inhibition et excitation neuronale dans les modèles

murins de la MA. Ces agents pharmacologiques ont provoqué des crises d’épilepsie chez les souris NTg

et modèles de la MA, dont la sévérité était plus élevée chez les souris transgéniques (TgCRND8,

hAPPJ20, hAPPJ9, APP inducible, Tg2576 sur un fond C57Bl6 pur) (305 , 306 , 307 , 308 , 309). Il est

aussi possible de déclencher des crises d’épilepsie en appliquant des stimulations électriques dans

l’amygdale (« kindling »). Les souris Tg2576 ont nécessité moins de stimulations électriques pour

déclencher des crises tonico-cloniques que chez les souris NTg (310) et présentent donc une

susceptibilité accrue aux crises d’épilepsie.

III.3.2.2) Fréquence des crises d’épilepsie chez les souris modèles de la MA

Les crises d’épilepsie chez les souris modèles de la MA ont initialement été observées

comportementalement lors du phénotypage des lignées de souris transgéniques (309, 311 , 312 ,

313 ). Par exemple, sur une cohorte de 17 souris APP23 femelles de 24 mois, 7 souris ont présenté

61

une crise tonico-clonique et 4 un myoclonus (la même souris ayant pu présenter les deux

symptômes), lors d’une batterie de tests phénotypiques SHIRPA (311). Sur un ensemble de lignées

porteuses de différentes mutations de l’APP exprimées sur un fond génétique FVB/N, Hsiao et al.

rapportent que 6 souris transgéniques sur 181 ont présenté des crises tonico-cloniques pendant un

test comportemental de néophobie « corner test » (313). Des crises d’épilepsie spontanées ont

également été observées chez environ 3% des souris Tg2576 présentant un fond génétique C57Bl6

pur dont la mortalité atteint les 40 % à l’âge de 2 mois (309). Chez ces mêmes souris, des

comportements répétitifs type hyperactivité ou sauts myocloniques ont été observés surtout chez

des souris âgées (de 6 mois). En résumé, l’occurrence des crises comportementales est variable d’un

modèle à l’autre. Ces crises apparaissent généralement chez les souris âgées, sauf dans les modèles

présentant une mortalité élevée (313).

Un phénotype épileptique a été mis en évidence chez de nombreux modèles murins de la MA, par

l’utilisation d’enregistrements EEG. Les crises d’épilepsie ont été enregistrées par EEG in vivo chez les

souris hAPPJ20 hAPPJ9, APPswexPS1dE9 et APP/TTA mais sont généralement rares chez les souris

modèles de la MA. Des enregistrements électroencéphalographiques de 24 heures ont permis de

mettre en évidence des crises d’épilepsie chez 5 à 10 % des souris hAPPJ20 âgées de 5 à 7 mois (282)

et chez 6 % des souris APPswexPS1dE9 mâles de 4 mois (314). Des enregistrements continus de deux

semaines de souris APPswexPS1dE9 âgées de 3 mois ont permis de détecter des crises d’épilepsie chez

25% des souris (203). Il semble donc que les crises d’épilepsie surviennent dans une proportion

importante de souris mais à une faible fréquence, nécessitant des enregistrements EEG prolongés pour

en détecter dans une proportion substantielle de souris.

III.3.2.3) Type de crises

En associant la capture vidéo aux enregistrements EEG, Palop a rapporté la survenue de crises

électroencéphalographiques non convulsives chez les souris hAPPJ20 pendant lesquelles les souris

restaient immobiles (306). Cette observation suggère que de nombreuses crises d’épilepsie pourraient

passer inaperçues au niveau comportemental chez les souris modèles de la MA, d’où le faible nombre

de crises relevées lors des phénotypages comportementaux de lignées transgéniques. Des crises

tonico-cloniques généralisées et des myoclonus ont aussi été décrits chez la plupart des souris

modèles de la MA (311 , 313). De plus, Minkeviciene et son équipe a enregistré par couplage video-

EEG des crises d’épilepsie généralisées chez 38 % des souris APPswexPS1dE9 âgées de 3 mois (203).

62

III.3.2.4) Anomalies épileptiformes

Des pointes interictales ont été détectées chez la totalité des souris hAPPJ20 (306), APPswexPS1dE9

(314), APP/TTA (308) sur des enregistrements EEG de 24h. Dans l’étude de Minkeviciene, sur une

cohorte de 20 souris APPswexPS1dE9 âgées de 3-4 mois, seules 13 souris ont présenté des pointes

interictales parmi lesquelles 10 ont présenté des crises d’épilepsie sur la durée du suivi et 3 n’en n’ont

pas présenté (203). Comme les pointes interictales sont observées pendant l’épileptogenèse qui

précède l’occurrence des crises dans les modèles rongeurs d’épilepsie (243), il est donc possible que

les souris APPswexPS1dE9 ne présentant pas de crise d’épilepsie mais une activité interictale soient en

phase d’épileptogenèse ou simplement qu’aucune crise d’épilepsie ne soit survenue pendant la durée

du suivi.

Chez les souris APP23 et APP/TTA, une corrélation inverse entre l’activité locomotrice de l’animal et la

survenue de pointes a été soulignée (283, 308 ). Chez les souris hAPPJ20, il existe une relation entre

l’apparition des pointes (282) et la diminution de l’amplitude des oscillations gamma, son

augmentation pendant une activité exploratoire étant associée à une absence de pointes (282).

Les pointes interictales ont été enregistrées au niveau de divers cortex chez les hAPPJ20 mais aussi

dans l’hippocampe, parfois de façon unilatérale. De même, les souris APP23 montrent des pointes

interictales en bouffées dans l’hippocampe.

En conclusion, les pointes interictales sont le témoin le plus évident de l’hypersynchronie neuronale

chez les modèles murins de la MA. Leur localisation et la variation de leur fréquence en fonction de

l’état physiologique de l’animal pourraient nous permettre de déterminer les mécanismes de cette

hypersynchronie. Le rôle de l’hippocampe pourrait être primordial dans l’apparition de

l’hypersynchronie neuronale, notamment via les remodelages cellulaires et moléculaires que nous

allons présenter au paragraphe suivant.

III.3.2.5) Marqueurs protéiques d’épilepsie

Plusieurs modifications cellulaires et protéiques semblables à celles observées dans les modèles

d’épilepsie du lobe temporal ont pu être observées chez les souris modèles de la MA.

Tout d’abord, on observe chez les souris modèles de la MA la présence d’un marqueur anatomique

caractéristique des crises d’épilepsie chroniques : l’expression du neuropeptide Y dans les fibres

moussues de l’hippocampe (en orange sur la figure 17). Une telle expression a été décrite dans les

modèles hAPPJ20, Tg2576 et APPswexPS1dE9, (46, 203 , 306 , 315 , 316 , 317 ) (Figure 16).

63

Figure 16. Altérations de l’expression du NPY et de la calbindine chez les souris modèles de la MA Dans le gyrus denté, expression de la calbindine dans les cellules granulaires (haut) et du NPY dans les fibres moussues (mf) (bas) chez une souris NTg (gauche) et une souris modèle de la MA (APP,droite). gcl : couche granulaire (soma des cellules granulaires), ml : couche moléculaire (dendrites des cellules granulaires). (315)

La calbindine est une protéine qui régule l’influx calcique et l’excitabilité neuronale, notamment dans

les cellules granulaires du gyrus denté. Une baisse d’expression de la calbindine dans ces cellules a

été rapportée chez les souris Tg2576 à partir de l’âge de 6 mois (46, 315 ), les hAPPJ20 à l’âge de 5 à

7 mois (306 , 316 , 318) et les APPswexPS1dE9 de 4 mois (203) (Figure 16). Chez les patients atteints de

la MA, des modifications d’expression du NPY dans l’hippocampe n’ont pas été rapportées mais une

diminution de l’expression de la calbindine a été décrite au niveau du cortex temporal (319 , 320).

D’autre part, un développement des fibres moussues dans la couche supragranulaire du gyrus denté

a été observé chez les souris APPswexPS1dE9 de 4 mois (203), les souris hAPPJ20 de 5-7 mois et les

souris Tg2576 femelles de 12 à 14 mois (310). Chez les hAPPJ20, il a été montré que ces fibres

moussues collatérales projettent sur les interneurones GABAergiques en panier exprimant la

parvalbumine (Figure 17 centrale, en bleu), favorisant l’inhibition exercée sur les cellules granulaires.

D’autres altérations moléculaires en lien avec l’épilepsie ont été décrites plus largement par Palop en

2007 sur les souris hAPPJ20 (306). Contrairement aux souris NTg (Figure 17, gauche), les souris

hAPPJ20 (Figure 17, au centre) présentent une pousse axonale des interneurones GABAergiques

hilaires exprimant la somatostatine et le neuropeptide Y au niveau de la couche moléculaire (Figure

17 centrale, en vert), inhibant les cellules granulaires au niveau dendritique. Dans le gyrus denté des

souris hAPPJ20, l’expression des récepteurs Y1 du NPY est diminuée et celle des récepteurs Y2

augmentée, modifications favorisant le rôle inhibiteur du NPY (215).

Ces altérations peuvent représenter des mécanismes compensateurs inhibiteurs déclenchés par une

augmentation anormale de l’activité neuronale dans les régions corticales projetant sur le gyrus denté

64

ou du gyrus denté lui-même. En effet, l’enregistrement de courants miniatures post-synaptiques

inhibiteurs par patch-clamp montre une augmentation de leur fréquence au niveau des cellules

granulaires du gyrus denté, chez les souris hAPPJ20 par rapport aux contrôles (306).

Les modèles d’épilepsie (Figure 17, à droite) montrent des altérations similaires et possèdent en plus,

des altérations épileptogéniques qui favorisent l’excitation des cellules granulaires, comme la perte

des interneurones hilaires SOM/NPY + (vert clair) et les fibres moussues récurrentes (orange) projetant

sur les dendrites des cellules granulaires.

En conclusion, les modifications protéiques et cellulaires de l’hippocampe différent entre les modèles

d’épilepsie et les modèles de la MA, suggérant que le phénomène d’hypersynchronie neuronale

auquel contribuent ces remodelages n’est pas le même dans ces deux conditions pathologiques.

Figure 17. Altérations cellulaires et moléculaires au niveau du gyrus denté hippocampique chez les souris hAPPJ20 et les modèles d’épilepsie (306). CB : calbindine, PV : parvalbumine, SOM : somatostatine, NPY : neuropeptide Y. FAD : modèle murin de la forme familiale de la maladie d’Alzheimer. Orange : expression du NPY dans les cellules granulaires, bleu : interneurone en panier exprimant la parvalbumine, Vert : interneurone hilaire.

III.3.3) Mécanismes cellulaires de l’hypersynchronie neuronale dans la MA

La présence de crises d’épilepsie et de pointes interictales peut avoir pour origine deux composantes

indépendantes : une altération de l’excitabilité neuronale basée sur les propriétés membranaires des

cellules excitatrices et une altération de la fonction des interneurones qui synchronisent les cellules

excitatrices entre elles.

III.3.3.1) Altération de l’excitabilité neuronale chez les souris modèles de la MA

Divers travaux rapportent une altération de l’excitabilité neuronale dans différents modèles de la

MA. Les cellules pyramidales du cortex et les cellules granulaires du gyrus denté présentent un

65

potentiel membranaire de repos plus élevé, favorisant le déclenchement des potentiels d’action,

chez les souris APPswexPS1dE9 (Figure 18) (202, 203 ). Chez les souris PDAPP, il a été montré que les

cellules pyramidales de CA1, une fois dépolarisées, émettent des potentiels d’action plus rapides et

plus courts (321). Suite à une stimulation de la matière blanche, Duffy et son équipe ont montré que

les potentiels de champs évoqués au niveau des différentes couches du cortex entorhinal ne sont pas

uniques mais répétés suggérant une hyperexcitabilité neuronale chez les souris Tg2576 âgées de 2 à

4 mois (92).

Figure 18. Hyperexcitabilité des cellules pyramidales du cortex chez les souris APPswexPS1dE9 Une injection de courant par palier dans le corps cellulaire des cellules pyramidales des couches 2/3 corticales conduit à la génération prématurée de potentiels d’action chez les souris APPswexPS1dE9 pour un palier de courant inférieur à celui nécessaire à la décharge des neurones chez les souris sauvages. Les différents traits correspondent aux réponses électriques mesurées pour les différents paliers de courant injecté (en bas de la figure) (203)

Chez les souris hAPPJ20, une hyperexcitabilité dendritique a été mesurée au niveau des cellules

pyramidales de CA1 et serait due à une déplétion des canaux Kv4.2 dendritiques. Tau pourrait jouer

un rôle dans cette déplétion (322). De façon intéressante, une étude réalisée chez des souris

APP/PS1 (APPswe et mutation M146V de la PS1) a montré grâce à des outils computationnels que la

dégénérescence dendritique observée dans les cellules pyramidales de la région CA1 chez ces souris

(notamment une diminution de la longueur des dendrites et du nombre de ramifications) pouvait

être responsable de l’augmentation de l’excitabilité neuronale (323).

D’autre part, cette altération de l’excitabilité neuronale des souris APPswexPS1dE9 pourrait être due,

du moins en partie, à une perturbation du métabolisme énergétique des neurones. Zilberter et son

équipe ont montré que les propriétés membranaires des cellules granulaires du gyrus denté se

normalisent chez les souris APPswexPS1dE9 lorsque la production énergétique est restaurée par une

66

supplémentation en substrats énergétiques directement oxydables par la mitochondrie (202). In vivo,

cette supplémentation a aussi supprimé les pointes interictales observées sur l’EEG. En effet, ces

substrats permettent d’éviter l’utilisation du glucose dont le transport est perturbé par le peptide

amyloïde (324 , 325). Cette étude montre donc que l’hyperexcitabilité neuronale et l’activité

épileptiforme EEG qui en résulte chez les souris APPswexPS1dE9 pourraient être dues à un déficit

cellulaire énergétique. Actuellement, de nombreuses pistes de recherche suggèrent que dans la

forme tardive de la MA, la perturbation du métabolisme neuronal du glucose serait due à une

insulinorésistance comme dans le diabète de type II pour les tissus non neuronaux (pour revue

(326).

III.3.3.2) Altération des interneurones

Une pathologie interneuronale (mortalité ou dystrophie neuritique) a été mise en évidence dans

différents modèles de la MA. Chez les souris APPSwex PS1A246E, Popovic et al ont montré une

diminution de l’immunoréactivité de la calbindine dans les trois sous-couches de la couche

moléculaire du gyrus denté mais n’ont pas mesuré de perte interneuronale (327). Une diminution du

nombre des interneurones exprimant la calrétinine a été observée chez les souris PS1/APP dans les

régions CA1, CA2 et CA3 dès l’âge de 4 mois (35 à 45 %) (328) et chez les souris APP(SL)/PS1 KI dans

le gyrus denté et le hile (37-52%) (329). Une diminution du nombre des interneurones à

somatostatine dans l’hippocampe a aussi été observée dans le stratum oriens chez les souris Tg2576

à 5,5 mois (330), les souris PS1/APP à 6 mois (Ramos) et dans la région CA1 à l’âge de 4 mois chez les

souris βAPP751SwedLondon /PS1M146L (331). Une perte des interneurons à parvalbumine a été

décrite chez les souris APP(SL)/PS1 KI (40-50%) dans la région CA1-2 (329). Dans le modèle hAPPJ20,

une diminution du nombre d’axones et des contacts synaptiques des interneurones septaux sur les

interneurones hippocampiques, sans perte neuronale septale, a été observée à l’âge de 8 mois. Ces

altérations ont été associée à une diminution de la puissance des oscillations thêta et gamma (105).

D’autre part, chez des souris exprimant l’allèle E4 de l’ApoE, qui est un allèle de susceptibilité pour la

MA, il existe une perte des interneurones hilaires reliée aux déficits de mémoire spatiale (332 , 333).

En conclusion, d’un point de vue neuroanatomique, plusieurs modèles murins de la MA présentent

un déficit numérique des interneurones dans l’hippocampe.

L’un des premiers travaux évoquant une altération de l’inhibition neuronale dans un modèle murin

de la MA, fut le travail de Busche qui enregistra les courants calciques de cellules corticales (couche

L2/3), reflet de leurs potentiels d’action, chez la souris APPSwe x PS45 (334). Par rapport aux souris

contrôles, 50 % des cellules enregistrées chez les souris transgéniques présentaient une altération de

leur activité spontanée, étant soit silencieuses soit hyperactives. Cette hyperactivité était due à un

67

déficit de l’inhibition car l’administration d’un agoniste des récepteurs GABA faisait disparaitre

l’hyperactivité neuronale (334).

Plus tard, une dysfonction des interneurones à parvalbumine fut mise en évidence chez les souris

hAPP20 (282). Chez ces souris, la puissance des oscillations gamma était plus basse que celle des

souris NTg et les pointes interictales survenaient uniquement pendant les périodes de faible

puissance des oscillations gamma (282). Les oscillations gamma sont générées par une classe

particulière d’interneurones que sont les cellules en panier exprimant la parvalbumine (PV). Or,

l’amplitude des potentiels d’action (PA) initiés par ces interneurones était diminuée. De façon

intéressante, la quantité des canaux sodiques Nav1.1, présents majoritairement sur ces

interneurones à parvalbumine et impliqués dans la propagation des PA (335), était diminuée dans le

cortex pariétal des souris hAPPJ20. Verret et al. a démontré que le déficit en canaux Nav1.1 serait à

l’origine de l’altération des oscillations gamma et de l’activité épileptiforme. En effet, l’inhibition des

canaux sodiques voltage dépendant a aggravé l’activité épileptique des souris hAPPJ20. En revanche,

la surexpression de ces canaux Nav1.1 a normalisé l’amplitude des oscillations gamma, diminué le

nombre de pointes interictales et amélioré les performances mnésiques des souris hAPPJ20. L’étude

de Verret et al. est la première à mettre en cause la dysfonction des interneurones à parvalbumine

dans les altérations oscillatoires, épileptiformes et mnésiques dans des souris modèles de la MA,

ouvrant ainsi des perspectives thérapeutiques, telles que la greffe d’interneurones dans le cortex

pour traiter les troubles de mémoire dans la MA (336). D’une façon similaire, une diminution de la

quantité de canaux Nav1.1 a aussi été décrite chez les patients atteints de la MA (282). En revanche,

un déficit global de ces canaux n’a pas été montré au niveau du cortex pariétal des souris Tg2576 à

l’âge de 5-7 mois (315).

Chez les souris APPswexPS1dE9 âgées de 12 à 16 mois, l’imagerie par fluorochrome sensible au voltage

a montré qu’une stimulation à 40 Hz de la voie perforante entrainait l’activation d’un plus grand

nombre de cellules granulaires (337) que chez les souris contrôles. Cette hypersynchronie des

cellules du gyrus denté était associée à une altération des interneurones inhibiteurs qui ne

parvenaient pas à produire de trains de potentiels d’action en réponse à une injection de courant.

L’étude de Hazra (2013) comme celle de Verret (282) montre que l’hypersynchronie neuronale peut

être due à une altération de l’inhibition interneuronale.

D’autres mécanismes pourraient expliquer l’hypersynchronie neuronale. Chez les souris APP/PS1 de

6-8 mois, une hyperactivité des astrocytes a été observée (338). Or, les astrocytes libèrent du

glutamate ou des cytokines pro-inflammatoires, qui peuvent influencer la synchronie ou l’excitabilité

neuronale (339).

68

III.3.3.3) Réponse aux antiépileptiques

La réponse de différents modèles murins de la MA à l’administration d’antiépileptiques peut

apporter un éclairage sur les mécanismes de l’hypersynchronie neuronale dans ces modèles. Chez les

souris hAPPJ20, l’effet aigu de différents traitements antiépileptiques a été évalué sur la fréquence

des pointes interictales (316). La phénytoïne (100 mg/ kg en injection aiguë), un bloqueur de canaux

sodiques, et le pregabalin, un bloqueur de canaux calciques dépendants du voltage, ont entrainé tous

les deux une augmentation de la fréquence des pointes (316). Le vigabatrin, gabapentin, acide

valproïque et ethosuccimide n’ont pas eu d’effet sur cette fréquence (316). Seul le lévétiracétam a

diminué la fréquence des pointes interictales (316). Cette molécule est un inhibiteur de la protéine

SV2A (340) qui facilite l’exocytose des vésicules à la membrane (341 , 342) et donc la libération de

glutamate dans la fente synaptique. Chez ces souris, il existe une diminution de la quantité de canaux

sodiques Nav1.1 dans le cortex pariétal (282) qui pourrait expliquer l’effet aggravateur de la

phénytoine (282). En revanche, dans le modèle murin APPswexPS1dE9 de la MA, la phénytoïne (10

mg/kg, deux fois par jour) a diminué la fréquence des décharges interictales chez ces souris. Or,

aucune diminution de la quantité des canaux sodiques Nav1.1 n’a été mise en évidence dans le

cortex temporal ventral et l’hippocampe chez ces souris (314).

En conclusion, les différences de réponses aux antiépileptiques des modèles murins de la MA

suggèrent des origines physiopathologiques différentes de l’hypersynchronie neuronale chez ces

souris.

III.3.3.4) Quels acteurs de la physiopathologie de la MA pourraient être en cause dans

l’altération de l’activité neuronale ?

Figure 19. Activité des neurones et leur localisation par rapport aux plaques amyloïdes dans le cortex frontal des souris APP23xPS45 Photographie au microscope biphotonique (objectif

x10) de la couche 2/3 du cortex frontal d’une souris APP23xPS45. Les aires bleues diffuses représentent les plaques amyloïdes. Chaque point représente une cellule dont les courants calciques sont enregistrés (le code couleur est sous la photographie). Les cercles en pointillés représentent l’aire à proximité des plaques (<60 µm). On voit nettement que les cellules rouges, hyperactives, ne sont retrouvées qu’à proximité des plaques. (334)

69

Les premiers travaux mettant en évidence un lien entre l’amyloïdopathie et l’hyperactivité neuronale

furent les travaux de Busche. Les cellules hyperactives dans le cortex des souris APPSwe x PS45

n’étaient retrouvées qu’à proximité des plaques amyloïdes (<60µm) et les autres cellules étaient

distribuées dans tout le cortex (Figure 19). De plus, chez des souris jeunes d’1 mois ½ à 2 mois sans

dépôts amyloïdes, de telles cellules hyperactives n’étaient pas observées (334). Plus tard, Busche et

son équipe montrèrent, également par imagerie calcique in vivo, la présence de neurones

pyramidaux hyperactifs dans la région CA1 de l’hippocampe chez des souris APPswexPS1G384A avant

l’apparition des plaques. Or, l’application locale de formes solubles du peptide amyloïde à des souris

saines provoque une hyperactivité neuronale de ces cellules de CA1 (343), suggérant que le peptide

amyloïde soluble et non pas les plaques amyloïdes est à l’origine de l’hyperactivité neuronale. En

accord avec ces données, Minkeviciene montra que l’incubation de coupes d’hippocampe de souris

APPswexPS1dE9 dans un milieu contenant du peptide amyloïde protofibrillaire augmentait le potentiel

de membrane de repos des cellules pyramidales des couches L2/3 du cortex, les rapprochant donc du

potentiel à atteindre pour déclencher un potentiel d’action (203). D’autre part, Liu et al. ont rapporté

que l’exposition de cultures de neurones hippocampiques à des concentrations pathologiques de

peptide amyloïde augmente l’expression de récepteurs nicotiniques α7 qui seraient impliqués dans

l’hyperexcitabilité neuronale de ces neurones (344). Or, le peptide amyloïde est sécrété en fonction

de l’activité neuronale (345). En fonction de sa concentration synaptique, il facilite la transmission

synaptique par son action présynaptique (faible concentration) ou freine cette transmission par son

action postsynaptique (forte concentration). Ainsi, l’effet du peptide amyloïde soluble pourrait varier

en fonction de sa concentration synaptique et le type de synapse (excitatrice ou inhibitrice),

conduisant à une activité aberrante des réseaux neuronaux dans un contexte d’amyloïdopathie

(346).

Mais le peptide amyloïde ne serait pas le seul agent causal de l’hyperexcitabilité neuronale chez les

souris modèles de la MA. Les souris qui surexpriment le domaine intracellulaire de l’APP (AICD)

présentent des pointes interictales et des crises d’épilepsie et développent avec l’âge une expression

ectopique du NPY dans les fibres moussues (347 , 348). Ces observations ne sont pas retrouvées chez

des souris produisant de grandes quantités de peptide amyloïde mais ayant une mutation de l’AICD

(347).

La beta et la gamma sécrétases sont responsables du clivage du domaine intracellulaire de la sous

unité β des canaux Nav1.1 et de l’expression à la membrane des sous-unités α de ces canaux. Les

canaux Nav1.1 sont alors fonctionnels et vont réguler l’excitabilité neuronale (349). La fonction ou la

quantité de ces deux enzymes étant altérées dans la MA (2, 3, 4 , 5 , 315 , 350 ), il pourrait en résulter

70

une diminution du nombre de canaux Nav1.1 fonctionnels présents à la membrane et donc une

altération de l’inhibition interneuronale comme le montre l’étude de Verret (282).

L’APP elle-même pourrait jouer un rôle dans l’hypersynchronie neuronale. Chez les souris APP/TTA,

l’expression de l’APP est sous le contrôle d’un promoteur sensible à la doxycycline. Born a montré

que l’administration de doxycycline pendant 4 semaines chez des souris âgées de 8 mois supprime

l’expression de l’APP et entraine une diminution progressive de la fréquence des pointes interictales

chez ces souris (308). En revanche, l’administration d’un inhibiteur de ϒ-sécrétase pendant 4

semaines, qui diminue les taux des peptides Aβ1-42 et Aβ1-40 solubles, sans modifier la synthèse d’APP,

n’a eu aucun effet sur le taux de pointes interctales quand les souris sont âgées de 9 mois (308).

D’autre part, les auteurs ont montré que si les souris expriment l’APP dès la naissance, une activité

épileptiforme est visible dès l’âge de 3 mois. En revanche, si l’administration de doxycycline retarde

l’expression de l’APP jusqu’à la 6ème première semaine de vie, les décharges épileptiformes

n’apparaitront qu’après 6 mois d’expression de l’APP. Cette expérience suggère un rôle crucial de

l’APP mutée pendant les premières semaines de vie correspondant à la corticogenèse, dans

l’apparition précoce d’une hypersynchronie neuronale (308). En effet, l’APP est fortement exprimée

pendant le développement cérébral (particulièrement entre la 2° et la 6° semaine de vie) et reste

exprimée à l’âge adulte. Elle est impliquée dans la neurogenèse, le développement neuritique ou la

formation des synapses (36). De plus, son expression est proéminente dans les cellules

GABAergiques. Le KO conditionnel du gène de l’APP dans les interneurones entraine une diminution

du tonus GABAergique ainsi qu’une altération de la transmission synaptique inhibitrice aux cellules

granulaires de l’hippocampe (351), suggérant que l’APP joue un rôle important dans la fonction

inhibitrice des interneurones. Il reste à déterminer si les mutations de l’APP retrouvées dans les

formes familiales de la MA compromettent ou non le rôle de l’APP dans la fonction interneuronale,

expliquant ou non son rôle dans l’hypersynchronie neuronale.

Quant à la protéine tau, son KO diminue la susceptibilité aux crises d’épilepsie induites par le PTZ

chez les souris hAPPJ20 et réduit le phénotype épileptique des souris modèles du syndrome

épileptique de Dravet, en améliorant dans les deux cas les performances mnésiques des souris (62,

352 ). De plus, un modèle murin de démence frontotemporale qui surexprime une forme mutée de la

protéine Tau présente des crises d’épilepsie spontanées (353). La protéine tau pourrait donc

contribuer à l’hypersynchronie neuronale dans les modèles murins de la MA, bien qu’il n’existe à ce

jour aucune étude témoignant d’une hypersynchronie neuronale chez les modèles de la MA

présentant des mutations de Tau isolées.

71

III.3.4) Lien entre l’hypersynchronie neuronale et troubles cognitifs dans la MA

Chez l’homme, certaines études mettent en relation la survenue de crises d’épilepsie et les

caractéristiques de la démence. Selon la méta-analyse de Friedman, la proportion de patients

épileptiques est plus élevée chez les patients atteints de la MA institutionnalisés, supposant une

démence sévère (de 9 à 64%) (295 , 354 , 355) que chez les patients présentant une démence

modérée (1,6 à 16%) (291, 292 , 296 ). Friedman fait alors l’hypothèse que la survenue de crises

d’épilepsie pourrait être associée à un stade plus tardif de la MA (302). De plus, il semble qu’une

démence plus précoce soit associée à un risque accru de crises d’épilepsie (291 , 292 , 297). Par

exemple, dans l’étude de Vossel, les patients MCI ou Alzheimer qui étaient aussi épileptiques ont

présenté un déclin cognitif plus précoce, respectivement 6,8 et 5,5 ans avant les patients non

épileptiques (297). Enfin, des études indiquent que les crises d’épilepsie chez les patients atteints de

la MA pourraient précéder la détérioration des fonctions cognitives (296 , 356). Plus récemment,

Bakker a montré que le lévétiracétam, un antiépileptique, améliore les performances mnésiques de

patients atteints d’un MCI amnésique (aMCI), associé à une diminution de l’hyperactivité

hippocampique (357). Dans cette étude, les patients aMCI présentaient un déficit mnésique dans

l’encodage de deux objets différents mais similaires (séparation de patrons), associé à une

hyperactivité BOLD (blood-oxygen-level dependent) de la région gyrus denté-CA3 en IRM

fonctionnelle. Les auteurs ont montré qu’un traitement par lévétiracetam permet de prévenir

l’hyperactivité de cette région hippocampique et d’améliorer les performances mnésiques dans cette

même tâche de mémoire (357). Cette étude souligne que l’activité anormalement élevée d’une

structure mnésique peut empêcher son fonctionnement normal et entrainer des troubles de

mémoire. Cette étude fait écho à l’hypothèse de Palop en 2007 selon laquelle l’activité

hippocampique aberrante et/ou les remodelages cellulaires qu’elle entraine pourraient participer

aux troubles mnésiques des souris modèles de la MA (ici hAPPJ20) (306).

Chez les souris modèles de la MA, un petit nombre de travaux suggèrent la participation de

l’hypersynchronie neuronale dans les troubles mnésiques liés à la MA. Initialement, une diminution

de l’expression de la calbindine dans les cellules granulaires du gyrus denté a été observée chez les

souris hAPPJ20, altération moléculaire également retrouvée dans les modèles d’épilepsie. Ces souris

présentaient aussi une diminution du nombre de cellules c-fos positives dans le gyrus denté. De

façon surprenante, la diminution de ces deux protéines a été corrélée positivement à de mauvaises

performances mnésiques dans le test de la piscine de Morris, reflétées par la latence à atteindre la

plateforme dont les souris devaient apprendre la localisation (318). Avec la découverte du phénotype

épileptique des souris hAPPJ20 quelques années plus tard (306), Palop et Mucke ont posé

l’hypothèse que les remodelages du réseau hippocampique liés à l’épilepsie, tels que la baisse de la

72

calbindine (CB) ou l’expression du NPY dans les fibres moussues, pouvaient altérer le fonctionnement

normal de cette structure chez ces souris, favorisant in fine l’apparition de troubles mnésiques (346).

Puis, une étude des effets du lévétiracétam sur les performances mnésiques des souris hAPPJ20 a été

menée (316), faisant écho à l’étude de Bakker, à la même période. Des souris hAPPJ20 et leurs

congénères NTg ont été traités pendant un mois par lévétiracétam. Les souris transgéniques traitées

ont présenté une diminution de 50 % de la fréquence des pointes interictales par rapport aux

enregistrements de ligne de base et les modifications d’expression du NPY, de la calbindine et de c-

fos liées aux crises d’épilepsie ont disparu. De façon intéressante, les souris hAPPJ20 traitées ont

présenté de meilleures performances mnésiques dans le test de la piscine de morris, de la

reconnaissance d’objet et de la familiarisation au contexte que les souris transgéniques traitées par

du NaCl. De plus, ce traitement a supprimé les anomalies comportementales telles que

l’hyperactivité et la désinhibition comportementale. Ces effets du lévétiracétam étaient dépendants

de la dose et 35 jours après la fin du traitement, les anomalies comportementales et les altérations

moléculaires liées à l’épilepsie ont réapparu (316).

Cette amélioration des performances mnésiques suite à la suppression de l’hypersynchronie

neuronale peut suggérer une contribution de cette hypersynchronie aux troubles mnésiques de la

MA. Cependant, on ne peut exclure que d’autres effets du lévétiracétam sur la synapse ne soient à

l’origine de l’amélioration mnésique.

Enfin, des données non publiées semblent indiquer le rôle des crises d’épilepsie dans l’apparition des

troubles mnésiques chez de jeunes souris Tg2576 (358). Les souris Tg2576 et leurs congénères NTg

âgées de 2 mois ont subi 4 protocoles de stimulations électriques pro-convulsivantes s’étendant sur

14 jours. A cet âge, les souris Tg2576 ne présentent pas encore de déficits mnésiques. Un jour après

la fin de ces protocoles, les performances mnésiques des souris ont été testées dans le paradigme de

conditionnement de peur au contexte. De façon intéressante, seules les souris Tg2576 ont présenté

un déficit mnésique dans ce test contrairement aux souris NTg soumis à ces mêmes protocoles

proconvulsivants. Ces expériences montrent donc que les crises d’épilepsie induites dans un contexte

de pathologie amyloïde peuvent entrainer des déficits mnésiques et suggèrent fortement que les

crises d’épilepsie survenant naturellement chez les souris modèles de la MA peuvent contribuer à la

dysfonction mnésique.

73

IV) Le concept de réserve cognitive et l’enrichissement environnemental

IV.1) Historique et études épidémiologiques

Les effets bénéfiques des stimulations environnementales sur le fonctionnement cérébral ont été

fortuitement mis en évidence par Donald Hebb en 1947, lorsqu’il observa que les rats domestiques

qui jouaient avec ses enfants résolvaient mieux les tâches comportementales que les rats hébergés

en cage de laboratoire (359). Plus tard, ces effets cognitifs vont être expliqués par des modifications

anatomiques telles qu’une augmentation du poids du cortex cérébral (360), notamment dûe au

développement accru de l’arborisation dendritique et à une augmentation de la densité d’épines

dendritiques (361) ainsi qu’à l’augmentation du nombre de cellules gliales (362). En montrant

l’impact négatif de la privation maternelle sur le développement émotionnel, sexuel et social des

macaques isolés, Harry Harlow montra que, outre les stimulations cognitives, les stimulations

sociales sont nécessaires au bon développement cérébral du jeune individu (363). L’effet bénéfique

de la socialité est en dehors du champ d’investigation de ma thèse et ne sera pas abordé davantage.

Ces stimulations environnementales chez l’homme ont également un effet protecteur sur les

fonctions cognitives dans les pathologies neurodégénératives (la MA en particulier). Initialement,

l’étude de Katzman réalisée sur 137 examens post-mortem a révélé la présence de plaques amyloïdes

chez des patients non déments, montrant l’inadéquation entre le niveau d’atteinte cérébrale et les

performances cognitives de l’individu (43). Quels facteurs peuvent donc moduler le lien entre

atteinte cérébrale et fonction cognitive ? En 1994, sur une cohorte de 593 d’individus non déments,

Stern a montré que le risque de développer la maladie d’Alzheimer est diminué par 2 chez les

personnes ayant fait plus de huit ans d’études supérieures (364). La pratique d’activités de loisirs et

la réussite professionnelle ont aussi été associées à un plus faible risque de développer la MA (364,

365), comme l’ont aussi montré les études de la cohorte PAQUID (366). Or, la corrélation inverse

entre le niveau de performances cognitives et la surface totale occupée par les plaques amyloïdes est

très faible chez les individus ayant un niveau d’éducation et une intelligence verbale supérieure

(367). Ces études montrent qu’un mode de vie cognitivement stimulant peut conférer une protection

contre la détérioration cognitive liée à l’atteinte neuropathologique de la MA, expliquant ainsi

l’inadéquation entre atteintes cérébrale et cognitive. Mais quels sont les substrats cérébraux

responsables de cette résilience à l’expression clinique de l’atteinte cérébrale ?

74

IV.2) Concepts de réserve cérébrale et de réserve cognitive

A la fin des années 1980, les différences interindividuelles de résistance à la pathologie étaient

expliquées par la composante passive de la réserve, souvent appelée réserve cérébrale. L’existence

d’une réserve cérébrale implique que l’atteinte neuropathologique deviendrait symptomatique au-

delà d’une certaine quantité de détérioration cérébrale, identique pour tous les individus. Ainsi, la

taille du cerveau, le nombre de neurones et de synapses seraient des facteurs cruciaux permettant

d’expliquer que certains individus maintiennent de bonnes performances cognitives malgré les

atteintes neuropathologiques (43, 368). Plus récemment, la notion de réserve cognitive, composante

active, est venue compléter ce concept en suggérant qu'au cours de la vie adulte, il est possible de

développer des ressources cérébrales qui vont réduire le risque d'atteinte cognitive. Ainsi, un

individu avec une forte réserve cognitive serait capable d'endurer un niveau élevé d'atteinte

cérébrale avant d'atteindre le seuil au-delà duquel l'expression clinique de cette atteinte devient

mesurable (Figure 20). Ce maintien des performances mnésiques malgré l’atteinte

neuropathologique résulterait à la fois d’un fonctionnement cérébral plus efficace et de meilleures

flexibilités et capacités cognitives mais également de l’utilisation de réseaux cérébraux alternatifs

compensatoires. Ceci est illustré dans le cadre de la maladie d’Alzheimer par de récentes études

d’imagerie fonctionnelle réalisées chez l’homme montrant que, lors de la réalisation d’une tâche

mnésique, le recrutement des réseaux cérébraux est modulé par la réserve cognitive des individus.

Ainsi, les personnes à forte réserve cognitive recruteraient davantage les réseaux cérébraux

normalement impliqués et solliciteraient également des réseaux alternatifs, afin d'assurer des

performances cognitives normales (369).

Figure 20. Illustration théorique de la façon dont la réserve cognitive pourrait agir sur le déclin cognitif associé à la progression de la MA. D’après cette hypothèse, les personnes ayant développé une plus grande réserve cognitive (ligne rouge) maintiennent des performances mnésiques plus longtemps et leur démence est diagnostiquée à un stade plus avancé de la pathologie cérébrale. Une fois diagnostiquées, les personnes à forte réserve cognitive présentent un déclin cognitif plus rapide, considérant que la détérioration cognitive maximale est atteinte pour un même niveau d’atteinte cérébrale, quelle que soit la réserve de l’individu. D’après (370).

75

IV.3) Modélisation de la réserve cognitive chez l’animal

Dans l'objectif d'identifier le(s) substrat(s) neurobiologique(s) de la réserve cognitive,

l’expérimentation animale a tenté de reproduire l’équivalent de cette réserve, grâce à des protocoles

d’enrichissement environnemental. Ceci consiste à héberger des groupes d'animaux dans un large

espace contenant une multitude d’objets fréquemment renouvelés et que les animaux sont libres

d'explorer (Figure 21). Ce protocole a été appliqué à différentes espèces animales (souris, rat, chien)

mais nous nous concentrerons sur les études dédiées aux rongeurs. Dans la plupart de ces études, les

protocoles d’enrichissement environnemental ne sont pas standardisés et différent notamment sur

le nombre d’animaux des groupes d’enrichissement, la nature des objets, la durée quotidienne et

totale de l’enrichissement. Ces variations peuvent expliquer les différences entre les effets cognitifs

observés, par exemple, la présence de roue d’exercice augmente l’exercice physique dont l’effet sur

la neurogenèse a été montré (371 , 372). Récemment, des cages d’enrichissement environnemental

standardisées ou cages Marlau® (Viewpoint, Lyon) ont été commercialisées afin de répondre au

besoin d’uniformiser les protocoles pour pouvoir comparer les études entre elles (373). Les effets

directs de l’enrichissement environnemental sont expliqués dans la Figure 21.

Figure 21. L’environnement enrichi et les zones cérébrales sollicitées par ses différentes composantes. Cet environnement induit une activation neuronale et une plasticité dans diverses régions cérébrales. Les stimulations visuelles et somatosensorielles favorisent la plasticité des cortex sensoriels concernés (orange et rouge). L’exploration de l’environnement, la reconnaissance des objets et la modulation de l’attention par la nouveauté constituent des stimulations cognitives qui vont activer notamment l’hippocampe (bleu) et le cortex entorhinal. De plus, l’exploration implique une activité motrice accrue qui sollicite le cortex moteur et le cervelet (vert). Il s’agit d’un enrichissement en stimulations multi-sensorielles en comparaison avec les conditions d’élevage standard des animaux (374).

76

IV.4) Effets cellulaires et moléculaires de l’EE

Il a été rapporté que l'EE conduisait à une augmentation de la taille et du poids du cerveau, un

épaississement du cortex et de l'hippocampe, un élargissement des corps cellulaires corticaux, une

augmentation de la quantité d'ADN, d'ARN, et de protéines (360 , 375). Ces modifications induites

par l’EE proviennent d’une stimulation de la plasticité cérébrale. En effet, l’EE augmente la

neurogenèse hippocampique adulte (376 , 377) et la synaptogenèse (378, 379). Cet effet sur la

synaptogenèse pourrait provenir d’une expression accrue de protéines synaptiques induite par l’EE,

comme la synaptophysine et la PSD-95 (postsynaptic density-95 protein), protéines des vésicules

présynaptiques et postsynaptiques respectivement (380). Enfin, l’EE augmente la potentialisation à

long terme (381, 382), processus activité-dépendant qui renforce la transmission synaptique. Cet

effet pourrait être lié à une augmentation des taux extracellulaires de BDNF (facteur neurotrophique

dérivé du cerveau) (383 , 384) ou de l'expression de récepteurs au glutamate, tel que le récepteur

AMPA, observée chez les animaux enrichis (385). Récemment, un autre mécanisme de plasticité

également influencé par l’enrichissement environnemental a été mis en évidence. Il a été montré

que le statut de différenciation des interneurones exprimant la parvalbumine influence la plasticité

neuronale des neurones cibles qu’ils inhibent. Notamment, la différenciation des interneurones à

parvalbumine se traduit par l’expression accrue de la parvalbumine et la formation d’une matrice

extracellulaire périsomatique. Cette matrice périsomatique des interneurones favorise la stabilisation

des synapses des neurones excitateurs et favorise l’établissement d’une mémoire à long-terme. En

revanche, l’enrichissement environnemental favorise un statut de faible différentiation, augmentant

ainsi la plasticité neuronale et soutenant de nouveaux apprentissages (386).

Dans leur ensemble, les processus de plasticité induits par l’enrichissement environnemental

expliquent d’une part l’augmentation du volume neuronal qui sous-tend la réserve cérébrale et

d’autre part, l’adaptabilité et l’efficacité accrues des réseaux neuronaux à l’origine de la réserve

cognitive.

IV.5) Effets de l’EE sur la mémoire chez les modèles murins de la MA

Chez les souris saines, l'enrichissement améliore l'apprentissage et la mémoire (379, 387), réduit le

déclin mnésique des animaux âgés (Morse 2015), diminue l'anxiété et augmente l'activité

exploratoire (388 , 389). Cette amélioration de l'apprentissage et de la mémoire induite par l’EE

pourrait être la conséquence de ses effets cellulaires sur la plasticité synaptique, notamment la

restructuration des réseaux, la modification des connections synaptiques et la neurogenèse

hippocampique, abordés au paragraphe précédent.

77

Dans le contexte de la MA, l’enrichissement environnemental permet aussi d’atténuer les déficits

mnésiques des souris modèles (390-395). Cependant, certaines études n’ont pas rapporté

d’amélioration des performances mnésiques après un enrichissement environnemental (396, 397).

Dans l’étude de Cotel, l’absence d’effet est expliquée par l’agressivité du modèle APP/PS1 KI qui

présente une mort neuronale dans l’hippocampe que les souris aient été hébergées en conditions

standards ou enrichies (397), alors que la neurodégénérescence est rarement observée dans la

plupart des autres modèles de la MA (398). Si toutefois un effet pro-mnésique de l’EE est observé, il

semble dépendre de la durée de l’enrichissement et de l’âge auquel il est débuté. En effet, dans la

plupart des études, les protocoles d’EE ayant un effet mnésique bénéfique durent plusieurs mois (> 4

mois) (390-395). D’une façon similaire, il a été montré qu’un EE de 6 mois débuté avant l’âge médian

(14 mois) améliore les performances mnésiques des souris NMRI (Naval Médical Research Institute)

âgées (>17 mois), effet non observé si l’EE est deux fois plus court et qu’il est débuté chez des souris

déjà âgées (17 mois)(399). D’autre part, une amélioration mnésique durable a été observée chez les

souris Tg2576 après un enrichissement court (<2 mois) et transitoire, mais qui était débuté à l’âge de

3 mois (317, 350), âge auquel les souris ne présentent pas encore de troubles mnésiques ou

d’altérations cellulaires majeures (91, 92, 94). Ces études montrent donc l’importance de la précocité

ou de la durée de l’EE pour obtenir des effets cognitifs bénéfiques.

Outre l’amélioration mnésique observée après l’EE chez les souris modèles de la MA, des effets

variables de l’EE sur l’amyloïdopathie (surface des plaques amyloïdes, taux solubles des peptides

amyloïdes) ont été décrits, suggérant que les effets bénéfiques de l’EE sur la mémoire ne sont pas

sous-tendus par une perturbation des processus amyloïdogéniques (390). Une étude récente semble

corroborer cette hypothèse, montrant que l’incubation de coupes d’hippocampe en présence

d’oligomère du peptide amyloide entraîne un déficit de potentialisation à long-terme (LTP) des

cellules pyramidales de CA1 chez les animaux élevés en conditions standards, déficit non observé si

les animaux avaient préalablement été enrichis (400). Ce maintien d’une LTP hippocampique

normale en présence d’oligomères amyloïdes chez les animaux enrichis reposerait sur l’activation des

récepteurs β2 adrénergiques (400). Dans leur ensemble, ces études suggèrent que les effets

mnésiques bénéfiques de l’enrichissement environnemental chez les modèles murins de la MA ne

reposent pas sur la perturbation de l’amyloidogenèse mais sur la mise en place de mécanismes

compensateurs, contournant les effets délétères du peptide amyloïde.

78

IV.6) Effets de l’EE sur les crises d’épilepsie

L’enrichissement environnemental a aussi des effets bénéfiques sur de nombreux modèles animaux

de pathologies comme la maladie de Huntington, la maladie de Parkinson, la sclérose amyotrophique

latérale, le syndrome de Down ou de l’X fragile ou d’autres formes d’atteintes cérébrales dont

l’épilepsie (374, 401). Dans les modèles animaux d’épilepsie, les rats hébergés en milieu enrichi

avant de subir des crises pharmacologiquement ou électriquement induites ont développé par la

suite moins de crises spontanées que les rats ayant été hébergés en conditions standards (384, 402).

Dans un modèle d’épilepsie génétique, il a été montré que l’enrichissement environnemental réalisé

dès la naissance supprime les crises d’épilepsie après 2 mois d’EE (403). L’EE entraine aussi une

augmentation de la survie des nouveaux neurones (402) ou une diminution de la mortalité neuronale

induite par les crises notamment dans les régions CA3 et CA1 hippocampiques (384) ou des

interneurones hilaires (403). L’EE augmente également l’expression des neurotrophines telles que

BDNF et GNDF dans l’hippocampe (384). Young et al. suggère que la suppression des crises et la

neuroprotection induites par l’EE pourraient provenir de l’influence des neurotrophines sur

l’expression de récepteurs glutamatergiques donc sur l’excitabilité neuronale (404) et de leur rôle

dans la survie cellulaire (405). En revanche, les rats déjà épileptiques ou expérimentant un status

epilepticus préalablement à l’enrichissement vont présenter des pointes interictales à une fréquence

similaire à celle des animaux non enrichis (406, 407). Ces études semblent montrer qu’un

enrichissement environnemental débuté avant le début de l’épileptogenèse pourrait réduire le

phénotype épileptique davantage qu’un EE débuté pendant ou après le développement de

l’épilepsie. D’autre part, les effets d’un enrichissement environnemental sur deux souches

différentes de rats épileptiques ont été évalués. Ces deux souches présentent des anomalies

interictales de nature différente, sous-tendant des origines physiopathologiques distinctes. Or, le

même EE réalisé sur ces deux souches de rats a induit des effets différents sur le nombre et la durée

de ces anomalies interictales (408). Cette étude suggère que les effets de l’EE pourraient également

dépendre de l’origine physiopathologique du phénotype épileptique.

79

OBJECTIFS

80

81

OBJECTIFS

L’incidence des crises d’épilepsie est accrue chez les patients atteints de la MA, en particulier dans la

forme génétique. Les modèles murins de la MA, exprimant les mutations identifiées dans les formes

génétiques humaines, présentent également une susceptibilité aux crises d’épilepsie induites

pharmacologiquement ainsi que des crises d’épilepsie spontanées et des pointes interictales sur les

enregistrements EEG. L’activité neuronale aberrante induit des modifications protéiques dans

l’hippocampe chez ces souris, telles que l’expression du NPY dans les fibres moussues. Or, un

traitement antiépileptique supprime l’hypersynchronie neuronale et les remodelages

hippocampiques qu’elle induit tout en améliorant les performances mnésiques des souris hAPPJ20,

suggérant fortement l’existence d’un lien causal entre l’hypersynchronie neuronale et les troubles

mnésiques chez ces souris.

Cependant, l’hypersynchronie neuronale a toujours été évaluée à un âge où les souris modèles de la

MA présentaient déjà des troubles mnésiques, en particulier dans des modèles présentant une

progression très rapide de l’amyloïdogenèse et du déclin mnésique. Au début de cette thèse, nous ne

savions donc pas si l’hypersynchronie neuronale apparaissait avant ou après les premiers troubles

mnésiques et donc sa contribution potentielle au déclin mnésique chez les souris modèles de la MA.

Nous possédons au laboratoire un modèle murin de la MA, les souris Tg2576, qui développe

progressivement des atteintes neuroanatomiques et des troubles mnésiques, mais pour lequel la

présence d’une hypersynchronie neuronale n’avait jamais été montrée. Nous nous attendions à ce

qu’une hypersynchronie neuronale existe également dans ce modèle. Nous avions fait l’hypothèse

que si ce phénotype survenait avant ou en même temps que les premiers troubles mnésiques, cette

hypersynchronie neuronale pourrait contribuer à l’initiation du déclin mnésique chez les souris

Tg2576. Mais si cette hypersynchronie apparaissait à un âge où les déficits mnésiques deviennent

robustes, dans ce cas, elle pourrait participer à leur aggravation.

De plus, notre équipe a montré qu’un enrichissement environnemental précoce, réalisé entre l’âge

de 3 et 5,5 mois, améliore les performances mnésiques des souris Tg2576 plusieurs mois après la fin

de l’enrichissement. D’autre part, l’enrichissement environnemental permet de réduire le phénotype

épileptique des animaux modèles d’épilepsie. Nous avions donc fait l’hypothèse que si

l’hypersynchronie neuronale des souris Tg2576 contribuait aux troubles mnésiques dans ce modèle,

l’amélioration mnésique conférée par cet enrichissement pouvait provenir d’une réduction ou d’une

suppression de l’hypersynchronie neuronale de ces souris.

82

Ainsi, les deux principaux objectifs de cette thèse ont été :

1) De mettre en évidence une hypersynchronie neuronale chez les souris Tg2576 et de situer

son apparition par rapport aux premiers troubles mnésiques chez ces souris (Chapitre I).

2) De déterminer si un protocole d’enrichissement environnemental ayant amélioré les

performances mnésiques des souris Tg2576, pouvait réduire l’hypersynchronie neuronale

chez ces souris (Chapitre II).

En réalisant des enregistrements EEG de 24 h chez les souris Tg2576, nous avons remarqué que les

pointes interictales n’étaient pas réparties de façon homogène sur le nycthémère et que leur

fréquence était particulièrement élevée pendant les périodes où les oscillations thêta étaient

régulières et l’activité électromyographique quasiment nulle, correspondant très certainement à des

épisodes de sommeil paradoxal. Nous avons donc décidé de déterminer la répartition des pointes

interictales en fonction des états de vigilance.

De plus les souris hAPPJ20 présentent une diminution globale de la puissance des oscillations gamma

par rapport aux souris non transgéniques. De façon intéressante, les pointes interictales apparaissent

pendant les périodes où l’amplitude des oscillations gamma est la plus basse et une manipulation

génétique restaurant la puissance de ces oscillations réduit la fréquence des pointes interictales. Afin

d’expliquer les différences de distribution des pointes en fonction du cycle veille-sommeil chez les

souris Tg2576, nous avions fait l’hypothèse qu’en sommeil paradoxal, une altération de la puissance

des oscillations gamma pouvait expliquer l’occurrence préférentielle des pointes interictales dans cet

état de vigilance.

Les objectifs secondaires de ma thèse ont donc été :

3) De déterminer la répartition des pointes interictales en fonction des états de vigilance

(Chapitre III)

4) De mesurer la puissance des oscillations sur une large bande de fréquence chez les souris

Tg2576, dans les différents états de vigilance mais aussi juste avant l’apparition des pointes

(Chapitre IV)

Enfin, de nombreuses études suggèrent l’implication des oscillations EEG dans les processus

mnésiques. De plus, chez les souris hAPPJ20, la normalisation de la puissance des oscillations gamma

est associée à une amélioration de leurs performances mnésiques. Nous avions donc émis

l’hypothèse que l’EE pouvait améliorer les performances mnésiques des souris Tg2576 en corrigeant

l’altération de la puissance des oscillations observée dans cette lignée de souris.

83

Notre dernier objectif était donc :

5) De déterminer l’effet de l’enrichissement environnemental sur la puissance des oscillations des

souris Tg2576 (Chapitre V)

84

85

MATERIELS ET METHODES

86

87

MATERIELS ET METHODES Certaines parties de ce chapitre « Matériels et Méthodes » sont volontairement très détaillées et

vulgarisées pour servir de support à tout nouvel expérimentateur, novice dans les domaines abordés,

et expliquent l’intérêt de certaines étapes pour en comprendre l’importance et permettre d’éviter

certains problèmes.

I) Animaux

Les souris modèles de la maladie d’Alzheimer utilisées dans cette étude proviennent de la lignée

Tg2576 décrite initialement par Karen Hsiao (68). Ces souris ont un fond génétique C57B6/SJL et

présentent une forme mutée de la protéine précurseur du peptide amyloïde (APP) retrouvée dans

une famille suédoise (mutation Swedish) qui porte sur deux acides aminés : Lys670-Asn, Met671-Leu.

Cette protéine mutée s’exprime sous le contrôle du promoteur de la protéine prion de hamster. La

protéine prion s’exprime dès la naissance de façon tissu-spécifique avec une expression maximale

dans le cerveau, intermédiaire dans le cœur et les poumons et basse dans la rate (409 , 410). Cette

lignée est entretenue dans le laboratoire depuis plusieurs années par Hélène Halley par croisement

de souris Tg2576 mâles avec des souris C57B6/SJL F1 femelles provenant de l’élevage de Charles

River. Dans notre étude, des souris Tg2576 et leurs congénères non-transgéniques mâles âgées de

1,5, 3 et 6 mois et femelles âgées de 3 à 6 mois sont utilisés. Les animaux sont hébergés par cage de

3 à 6 dans une animalerie dont la température est maintenue constante (environ 23°C). Les

conditions d’éclairage sont programmées en cycles jour/nuit de 12 h/12 h (éclairage de 8 h à 20 h).

Toutes les expériences sont menées en stricte conformité avec les recommandations du Conseil

Européen des Communautés (86/609/CEE), du Comité National Français (87/848) et des

recommandations du comité local (C 31-555-11, Direction départementale de la protection des

populations). Une autorisation visant à minimiser les souffrances des animaux a été obtenue pour

réaliser l’ensemble de ces travaux (FRBT-01).

88

II) Enrichissement environnemental

L’enrichissement environnemental dure 10 semaines et commence à partir de l’âge de 3 mois.

L’hébergement est réalisé dans une cage de grande dimension (150 x 80 x 80 cm) par groupes de 7 à

12 souris femelles NTg et Tg2576 en essayant d’équilibrer la proportion de souris des deux

génotypes. Le sol est tapissé de sciure standard puis divers objets sont disposés dans la cage: les

objets doivent être de taille, texture (bois, plastique, métal, verre), couleur et forme différentes

(Figure 22). L’environnement créé doit être tridimensionnel par l’emploi de tubes ou de ponts entre

différentes plateformes pour favoriser l’exploration. L’alimentation est identique à celle de l’élevage

standard à la différence que la nourriture est placée dans un ou plusieurs récipients disposés dans

différents endroits de la cage. Enfin, des petits morceaux de papier essuie-tout hygiènique sont

éparpillés dans la cage. Deux fois par semaine (lundi et mercredi par exemple), deux nouveaux objets

de petite taille sont placés dans la cage, et deux objets préexistants sont déplacés, la nourriture ou le

biberon d’eau sont déplacés. Une fois par semaine (vendredi par exemple), l’intégralité des objets est

changée, l’eau et la nourriture renouvelées et la sciure est remplacée aux deux tiers. Le maintien de

sciure sale permet d’éviter un excès d’agressivité chez les animaux Tg2576 probablement grâce à la

conservation de repères olfactifs territoriaux importants pour le maintien d’une hiérarchie sociale.

D’une semaine à l’autre, les objets, la configuration tridimensionnelle globale de l’environnement et

l’emplacement de la nourriture et de la boisson sont modifiés le plus possible afin de favoriser la

nouveauté. En fin d’utilisation, les objets sont lavés à l’eau. La sécurité de l’environnement est

vérifiée régulièrement (stabilité des objets, absence d’objets contondants ou coupants). Cet EE ne

comprend pas de roue d’exercice pour éviter d’induire une disparité d’activité entre les animaux.

Figure 22. Conditions d’hébergement (Chapitre II) Gauche : Hébergement standard de laboratoire, Droit : Environnement enrichi

89

III) Evaluation comportementale de la susceptibilité aux crises d’épilepsie induites par le pentylenetetrazole (PTZ)

Pour mettre en évidence la présence d’une excitation neuronale excessive chez les souris Tg2576,

nous utilisons le pentylenetetrazole, un antagoniste des récepteurs GABAa qui va provoquer une

levée des contrôles inhibiteurs. Cet agent pharmacologique est classiquement utilisé pour induire de

façon aiguë des crises d’épilepsie chez le rongeur et tester l’effet de certaines drogues sur ces crises

(411) ou pour générer un modèle d’épilepsie (412).

Le PTZ est injecté par voie intra-péritonéale, à une dose de 40 mg/kg (IP 0,1ml pour 10g). Cette dose

a été éprouvée dans de précédentes études et n’entraine pas de crises d’épilepsie létales chez les

animaux non transgéniques (306). Après injection de l’agent proconvulsivant, les souris sont placées

dans une cage en Plexiglas de 21x15x18 cm et filmées individuellement pendant 20 minutes. La

sévérité de leurs crises d’épilepsie est évaluée selon une échelle comportementale (306):

0 = comportement normal (la souris explore la cage, pas de problème de locomotion)

1 = immobilité (la souris est immobile pendant plus de 10 secondes, souvent elle s’abaisse à ras du

sol)

2 = spasmes (contractions isolées ou répétées très brèves du corps entier)

3 = extension de la queue (la queue se raidit et s’élève plus ou moins pour se courber au-dessus du

dos de l’animal dans les cas les plus sévères)

4 = clonus des pattes avant (la souris est généralement sur les pattes arrières et ses pattes avant font

des rotations autour d’un axe horizontal, attention à ne pas confondre avec le toilettage du museau)

5 = clonus généralisé (la souris perd l’équilibre et les pattes avant et arrière réalisent le mouvement

rotatoire décrit ci-dessus)

6 = la souris court et fait des bonds de façon anarchique dans la cage

7 = extension tonique: les pattes arrières et avant se contractent et se déploient intégralement de

sorte que tout le corps de la souris est dans un axe horizontal.

8 = mort.

Après les 20 minutes d’observation, les animaux sont anesthésiés et perfusés comme décrit ci-

dessous. Le score d’épilepsie déterminé in fine correspond au score de la crise la plus sévère

observée pendant les 20 minutes. Ces scores sont déterminés en aveugle pour le génotype ou les

conditions d’hébergement par deux observateurs expérimentés.

90

IV) Immunohistochimie du neuropeptide Y dans l’hippocampe

IV.1) Perfusion intracardiaque

Afin de procéder à la détection par immunohistochimie d’antigènes cibles, les tissus cérébraux sont

fixés au paraformadéhyde (PFA) afin d’arrêter l’action des enzymes de dégradation protéique en cas

de mort cellulaire. Pour cela, les animaux sont profondément anesthésiés par une injection intra-

péritonéale de pentobarbital sodique (150mg/kg). Ils sont ensuite perfusés par voie intracardiaque

avec 20 ml de solution de rinçage (chlorure de sodium 0,9% conservée à 4°C mais maintenue à

température ambiante avant la perfusion). Les cerveaux sont prélevés et post-fixés dans une solution

de PFA 4 % pendant 48h à 4°C, puis transférés dans une solution de tampon phosphate (PB) 0,1M

contenant 30 % de saccharose et 0,1 % d’azide de sodium pendant au moins deux jours à 4°C (jusqu’à

ce que le cerveau tombe au fond du tube), afin de déshydrater les tissus grâce à la forte osmolarité

de la solution sucrée. L’azide de sodium permet d’éviter la contamination microbienne et donc de

conserver quelques mois les cerveaux dans la solution de sucrose. Cette déshydratation est

essentielle pour éviter, lors de la congélation des cerveaux, le changement de volume de l’eau

résiduelle ce qui endommagerait les tissus.

IV.2) Obtention et conservation des coupes histologiques

Pour la congélation, les cerveaux fixés sont plongés 3 minutes dans un tube contenant de

l’isopentane liquide dont la température est stabilisée entre -30 et -40°C. Les cerveaux congelés sont

ensuite entièrement sectionnés au cryostat (Leica®) dans une enceinte maintenue a –21°C, en

coupes frontales sériées de 30 μm d’épaisseur, depuis le cortex frontal jusqu’à la fin de

l’hippocampe. Les coupes flottantes sont recueillies dans une solution de PB 0,1M à pH =7,4

contenant 0,9 % de NaCl (PBS) et rincées deux fois pendant 15 min à température ambiante sur

agitateur. Elles sont ensuite conservées à -20°C dans une solution cryoprotectrice à base d’éthylène

glycol (30 %) et de glycérol (30 %) dans du PB 0.1M.

91

IV.3) Immunohistochimie

Figure 23. Principe général de l’immunohistochimie en visible. L’antigène est reconnu par l’anticorps primaire qui se fixe sur lui. L’anticorps secondaire biotinylé dirigé contre l’espèce dans laquelle les anticorps primaires ont été conçus se fixe sur le primaire. Le complexe Avidine Biotine (ABC) portant la Peroxydase du Raifort (HRP) se lie alors aux molécules de biotine pour amplifier le signal. Le peroxyde d’hydrogène, au contact de la HRP, induit la formation d’un précipité foncé de diaminobenzidine (DAB), marquant ainsi l’emplacement de l’antigène (cellule entière, dendrites ou noyaux).

Avant le premier traitement et entre deux incubations, les coupes sont rincées avec une solution de

PB 0,1M à pH =7,4 contenant 0,9 % de NaCl (PBS) et 0,25 % de Triton X-100 (PBST). Puis les coupes

sont incubées avec une solution de PBS contenant 10 % de méthanol et 3 % d’ H2O2 afin d’inactiver

les peroxydases endogènes. Puis les coupes sont incubées dans une solution bloquante de PBST

contenant 0,1 % d’azide de sodium et 5 % de sérum de chèvre (Normal Goat Serum ou NGS) (l’espèce

servant à fabriquer l’anticorps secondaire). Cette solution vise à bloquer les sites antigéniques

aspécifiques et donc à diminuer le bruit de fond au moment de la révélation. Puis, les coupes sont

incubées pendant une nuit dans une solution d’anticorps monoclonaux de lapin anti-NPY (dilution

1/5000, Sigma Aldrich) dilués dans une solution de PBST-azide-NGS5% (Figure 23). Le lendemain, les

coupes sont incubées pendant 90 min en présence de l’anticorps secondaire polyclonal biotinylé de

chèvre dirigé contre les IgGs de lapin (dilution 1/250 dans le PBST, Vector®), puis 90 min dans une

solution d’avidine-biotine (ABC dilution 1/400 dans du PBST, Vector®). L’immunomarquage de la

protéine NPY est enfin révélé grâce à l’utilisation de la 3,3 diaminobenzidine tétrahydrochloride

(DAB, Sigma Aldrich, à 0,025% dans une solution de Tris-HCl 0.05M ; pH=7,6) en présence d’H₂O₂

(0,003%) colorant ainsi les cellules immunoréactives en marron.

Le signal coloré de cette réaction n’évolue pas de façon linéaire avec le temps. La cinétique de la

réaction doit donc être contrôlée sous microscope pour déterminer la durée pour laquelle la

coloration de sites aspécifiques reste faible par rapport à celles des sites spécifiques (rapport signal /

bruit). Les sites spécifiques sont les neurones du noyau arqué alors que les dendrites des cellules

pyramidales de la région CA1 peuvent être considérées comme zone de marquage aspécifique. Afin

92

d’uniformiser entre les animaux le S/B, la réaction est arrêtée à niveau de marquage cortical similaire

pour tous les animaux (Fig 24, voir encadré sur les photos). La réaction est arrêtée par deux rinçages

dans une solution de PBST-azide (0,1%) qui inactive la réaction enzymatique. Après plusieurs

rinçages, les coupes sont montées sur des lames gélatinées suivant l’axe rostrocaudal, puis séchées à

température ambiante pendant 48h. Les coupes sont alors immergées dans des bains contenant les

solutions suivantes : éthanol 100 % (2x10min) pour déshydrater les tissus, toluène (2x10min), le

solvant de la colle de montage (résine Eukitt®). Les lames sont finalement recouvertes d’une lamelle

à l’aide d’une colle Eukitt® en faisant attention de n’introduire aucune bulle dans les zones d’intérêt

car elles véhiculent des micro-organismes qui peuvent se développer sous la forme d’un mouchetage

noir visible sur les coupes. Pour cette même raison, il faut mettre à plat des lames pendant le

séchage complet de la colle (1 à 2 semaines) pour éviter d’introduire des bulles.

IV.4) Interprétation de l’immunohistochimie NPY

Des exemples d’immunomarquages du NPY obtenus au cours de cette thèse sont représentés à la

Figure 24. Sur ces photos, la zone des fibres moussues est indiquée par une flèche noire. La photo A

représente une expression du NPY normale, c'est-à-dire uniquement interneuronale dans le hile, la

région CA3 et CA1 de l’hippocampe. Dans la photo A, le statut de l’expression du NPY dans les fibres

moussues est qualifié de NPY négatif. Dans les photos B à D, en plus d’une expression

interneuronale, le NPY apparait dans les fibres moussues et le marquage forme un croissant

caractéristique s’étendant du hile au stratum lucidum situé sous la région CA3. Comme le montre le

marquage des photos B à D, l’intensité du marquage dans les fibres moussues est variable et peut

être parfois très faible comme sur la photo B voire encore moins prononcé. En dépit de cette

variabilité du marquage NPY dans les fibres moussues, le statut d’expression du NPY dans les fibres

moussues est qualifié de NPY positif sur les photos B à D.

Dans nos études, ce statut positif ou négatif du NPY dans les fibres moussues est déterminé par

observation sous microscope à l’objectif X4 et ce, par deux investigateurs expérimentés ne

connaissant ni le génotype ni les conditions d’hébergement. La proportion d’animaux avec un statut

NPY positif dans les fibres moussues est déterminée pour chaque groupe expérimental.

93

Figure 24. Les différentes expressions du NPY dans l’hippocampe : interneuronale et dans les fibres moussues.

Photographies de coupes coronales d’hippocampe immunomarquées pour le NPY. Les encadrés noirs indiquent la zone corticale prise comme contrôle du bruit de fond et permettent d’uniformiser l’intensité de la réaction immunohistochimique entre les différents animaux. Les flèches noires montrent la zone des fibres moussues. Photo A : Expression interneuronale exclusive du NPY. Photo B à D : expression du NPY interneuronale et dans les fibres moussues. DG : gyrus denté, CA1 et CA3 : Corne d’Ammon 1 et 3, gcl : couche des cellules granulaires (corps cellulaires), ml : couche moléculaire (dendrites des cellules granulaires)

V) Enregistrements électro-encéphalographiques (EEG) in vivo

V.1) Fabrication des électrodes

Les électrodes utilisées dans l’ensemble de ces études sont constituées de deux électrodes EEG, une

vis de référence et une électrode musculaire. Les électrodes d’EEG sont constituées d’un fil d’argent

99.99% de pureté de 0,125 mm de diamètre recouvert d’une gaine isolante de téflon de 0,026 mm

d’épaisseur. Le fil mesure entre 1 et 2 cm, dont la gaine est enlevée (dénudée) sur 0,5 cm pour la

soudure et sur 0,5 mm pour la partie affleurant le cerveau (la longueur finale de l’électrode est

ajustée au dernier moment pendant l’implantation pour éviter de tordre les électrodes si elles sont

trop longues ou de faire mal à la souris si elles sont trop courtes). L’électrode de référence est un fil

d’argent de 0,5 mm de diamètre sans gaine (un diamètre inférieur à celui-ci est cependant préférable

pour éviter une trop grande rigidité de l’électrode) soudée à une vis (diamètre: 0,75 mm). L’électrode

musculaire est un fil de tungstène de 0,05 mm de diamètre, avec une gaine de téflon de 0,075 mm

d’épaisseur. Elle mesure 2,5 cm et est dénudée sur 0,5 cm. Toutes ces électrodes sont soudées à un

94

contact en acier inoxydable cylindrique, plaqué or, de 1 mm de diamètre et 7 mm de longueur

(PlasticsOne®). L’impédance des électrodes, mesure de l’opposition d’un circuit (ici l’ensemble

électrode + contact) au passage d’un courant, est vérifiée avant l’implantation. Plus l’impédance est

basse, plus l’électrode est conductrice. Les électrodes EEG et EMG fabriquées comme décrit ci-dessus

ont une impédance comprise environ entre 10 et 4 kOhm, l’électrode de référence entre 1 et 3

KOhm (plus conductrice).

V.2) Anesthésie / Chirurgie

V.2.1) Anesthésie à l’hydrate de chloral

Au cours d’expériences préliminaires visant à calibrer et optimiser l’enregistrement EEG in vivo, nous

avons anesthésié les souris Tg2576 et NTg avec un mélange d’hydrate de chloral (Prolabo®,

400mg/kg) et de xylasine (Rompun®, 15mg/kg). Les souris ont été anesthésiées avec la dose

habituellement utilisée au laboratoire pour anesthésier les souris C57BL6 (ci-dessus) mais souvent

avec un supplément de 10 à 20 % de la dose normale car l’anesthésie n’était pas efficace (sensibilité

au pincement de la queue ou de la patte). Sur une cohorte de 53 souris anesthésiées avec une dose

normale plus 10 à 20% de la dose, entre fin janvier et mi-mars 2013, 21 souris dont 14 souris Tg2576

et 7 souris NTg sont mortes dans les jours suivants l’opération. 7 d’entre elles ont montré clairement

des problèmes respiratoires pendant la chirurgie ou ont présenté des poumons sanglants à

l’autopsie, signe de détresse respiratoire. Ce mode d’anesthésie a donc été abandonné sur cette

lignée de souris.

V.2.2) Anesthésie gazeuse

Les souris présentées dans cette étude sont toutes anesthésiées par anesthésie gazeuse au

vetoflurane (Virbac®, Carros, France).

Lors de l'induction de l'anesthésie gazeuse puis de son maintien tout au long de la chirurgie, la

profondeur de celle-ci est contrôlée selon les critères d'immobilité, d'inconscience, de régularité de

la respiration et de relaxation musculaire. L'absence de réponse réflexe est vérifiée toutes les 5-10

minutes. Le débit du gaz anesthésique est augmenté ou diminué en fonction de la profondeur de

l’anesthésie, tout au long de la chirurgie ce qui permet d’adapter à l’individu, en temps réel, la force

de l’anesthésie, contrairement aux anesthésies par injection IP. Du fait de cette adaptabilité, moins

de 5% de l’ensemble des animaux utilisés dans mes études sont décédés des suites d’une anesthésie

gazeuse.

95

Les souris sont d’abord placées 3 minutes dans la chambre d’induction sans gaz anesthésiant avec un

débit d’air et d’oxygène de 1ml/min chacun, afin d’habituer l’animal à la cage et diminuer son stress

au moment d’induire l’anesthésie. L’induction est réalisée avec une concentration en gaz

anesthésiant de 4 % jusqu’à ce que l’animal soit immobile et respire régulièrement (environ 3

minutes). Puis la souris est transférée de la chambre d’induction au masque de l’appareil

stéréotaxique Stoelting®. Le débit des gaz air et oxygène est baissé à 0,2ml/min. La concentration de

vétoflurane a été maintenue à 3% dans les premières minutes pour aider le maintien de l’anesthésie

au moment du placement dans le cadre stéréotaxique. Puis lorsque l’anesthésie de l’animal est

stabilisée, la concentration est baissée à 1,5%. Une couverture chauffante est positionnée sous

l’animal pour éviter l’hypothermie et dès lors, la température corporelle est régulièrement surveillée.

Pour éviter le dessèchement des yeux, un gel oculaire (Ocrygel®) est appliqué. Avant de pratiquer

l'incision de la peau du crâne, l'absence de réflexe (pincement d'un orteil) est vérifiée. Une injection

de lidocaïne (7mg/Kg) en sous-cutané est faite avant d’inciser la peau.

Après incision de la peau, des poids ont servi à écarter les chairs autour du crâne. Afin d’augmenter

l’adhérence au crâne du cimentage des électrodes, le périoste est retiré par grattage et de fines

entailles sont faites dans l’os, à l’aide d’une lame de scalpel. Puis deux petites perforations du crâne

sont réalisées avec des fraises de 0,5 mm au niveau de l’os pariétal droit et gauche et une perforation

osseuse de 0,75 mm de diamètre au niveau du cervelet pour la vis de référence (plus petite que le

diamètre de la vis). En effet, la vis doit s’imbriquer fermement dans l’os pour assurer la solidité du

montage mais aussi éviter les artefacts de mouvement. Ces perforations sont situées dans des zones

éloignées des principaux vaisseaux de la surface du cerveau pour éviter les saignements excessifs.

Figure 25. Emplacement des électrodes EEG (noir) et vis de référence (rouge). Les électrodes d’enregistrement sont placées en miroir par rapport à la suture centrale, au niveau du cortex pariétal. La vis de référence est placée au centre de l’os occipital.

Les deux électrodes d’EEG sont donc placées dans la zone subdurale au niveau des cortex pariétaux

droit et gauche (voir Figure 25), la vis de référence est positionnée au niveau de l’os occipital et une

électrode musculaire est insérée entre les muscles du cou. Chacune de ces quatre électrodes est

insérée par son contact plaqué or dans un connecteur multicanaux (cylindre de 6mm de diamètre et

7mm de haut). Du ciment dentaire Superbond® est appliqué à la base des électrodes subdurales et

sur les ¾ de la surface du crâne afin de créer un ancrage solide des électrodes. Puis un cimentage à

96

base de methylmethacrylate Duralay® a permis de recouvrir l’ensemble des éléctrodes et de

solidariser le connecteur multicanaux au crâne formant une sorte de casque (Figure 26).

Figure 26. Photographie d’une souris après la chirurgie

La partie rouge correspond à la partie cimentée du casque et la partie blanche au connecteur à 6 canaux.

Un casque doit idéalement être le moins haut et le plus droit possible pour diminuer au maximum les

forces exercées par le câble d’enregistrement sur le casque (effet de levier) ce qui pourrait participer

aux artefacts de mouvement. Ce casque doit également être le plus lisse possible pour éviter que

l’animal ne se blesse sur d’éventuelles arêtes. Une fois le ciment sec, les sutures sont réalisées avec

un fil résorbable aseptique pour refermer le site.

Apres l’opération, l’animal est isolé dans une cage propre avec du papier et maintenu au chaud en

faisant attention à sa déshydratation. Les animaux sont surveillés jusqu'à leur réveil complet

(déplacements spontanés dans la cage, prise d'eau et de nourriture). Lorsque l’animal présente un

comportement moteur et exploratoire normal, il est immédiatement remis avec ses congénères pour

éviter un isolement trop prolongé. Le jour de la chirurgie puis une fois par jour durant la semaine

suivant la chirurgie, les critères physiques, comportementaux et physiologiques permettant

d’estimer la souffrance de l’animal sont relevés ainsi que les tremblements et pertes d’équilibre qui

pourraient être induits par l’opération. Si l’animal montre des signes de souffrances quels qu’ils

soient, il est immédiatement sacrifié.

V.3) Enregistrements EEG

Les souris sont enregistrées dans des cages en Plexiglas transparent de dimension 21x20x25cm dont

le sol est recouvert de sciure, avec un accès à l’eau (biberon) et à la nourriture (3 à 4 croquettes)

(Figure 27). Chaque cage a été placée dans une cage de Faraday de 40,5x40,5x50,5 cm connectée à la

terre pour éviter la pollution du signal EEG par du bruit électrique 50 Hz. Chaque souris est

connectée par un câble souple à un commutateur (PlasticsOne®) c'est-à-dire un connecteur tournant

fixé en haut à l’intérieur d’une cage de faraday (Figure 27) maintenant l’intégrité du circuit électrique

97

Figure 27. Photographie du dispositif d’enregistrement EEG. La cage d’enregistrement est placée dans une cage de

Faraday. La souris est connectée par un câble souple (rouge), relié au commutateur (blanc, fixé en haut à l’intérieur de la cage de Faraday. A côté de la cage de Faraday, sont disposés l’amplificateur (dessous) et la carte d’acquisition (au-dessus). 5 souris placées chacune dans un dispositif d’enregistrement avec cage de Faraday comme ci-contre peuvent être enregistrées en même temps.

malgré la rotation du câble accompagnant les déplacements de l’animal. Puis un câble relie le

commutateur (à l’extérieur de la cage de Faraday) à l’amplificateur AM system 3600. L’amplificateur

(Figure 27, avec un écran bleu), qui amplifie le voltage du signal physiologique de la souris, est lui-

même connecté par des câbles BNC à la carte d’acquisition CED Power 1401 mk II. La carte

d’acquisition (rouge sur la Figure 27) est reliée par câble USB à l’ordinateur, transformant ainsi le

signal analogique en signal numérique.

L’extrémité du câble souple connecté à la souris est munie d’un amplificateur opérationnel d’un gain

de 1 (suiveur de tension) dont le but est d’augmenter le courant en tout début de chaine afin de

minimiser l’impact des charges électriques externes liées au mouvement du câble et donc limiter les

artefacts sur le tracé EEG.

De l’amplificateur opérationnel partent 6 fils de cuivre gainés respectivement connectés aux 4

électrodes de la souris (2 EEG, 1 vis de référence et 1 EMG) et aux deux bornes de l’alimentation de

l’amplificateur opérationnel (piles montées en série et placées sur le dessus de chaque cage de

Faraday).

Au niveau de chaque cage de Faraday, le câble reliant le commutateur à l’amplificateur AM system

est sous-divisé en trois câbles : chacun des 3 câbles se compose d’un fil conducteur du signal d’une

électrode (2 EEG et une EMG) entouré d’un tressage métallique qui est relié à la sortie du

commutateur correspondant à la vis de référence. Au niveau de l’amplificateur, pour chacun des

trois câbles donc, le signal de la référence est soustrait à celui de l’électrode et filtré entre 0,3 et 100

Hz pour les EEG et entre 3 Hz et 20 kHz pour l’EMG. Le gain de l’amplificateur est de 1000. Le signal

EEG est échantillonné à 1KHz si 4 souris (12 électrodes) sont traitées simultanément, et 200 Hz pour

5 souris, limitation due à la carte d’acquisition. Le logiciel Spike II a servi d’interface pour visualiser

les tracés EEG mais aussi pour réaliser les analyses du signal présentées dans ce travail de thèse.

98

V.4) Analyse du signal EEG

V.4.1) Détermination des états de vigilance sur la base de l’EEG de souris

Les 4 états comportementaux du cycle veille-sommeil peuvent être identifiés sur un tracé

électroencéphalographique en fonction des caractéristiques des oscillations et de l’activité de

l’électrode musculaire (EMG) (Figure 28).

Figure 28. Tracés EEG des différents états de vigilance. L’éveil (A et B) se compose de périodes actives (A), quand l’animal explore, caractérisées par des oscillations de fréquence de 5 à 10 Hz (oscillations thêta) et de périodes d’éveil calme (B) (immobilité) avec des oscillations de fréquence plus basse (1-3 Hz). Pendant l’éveil, l’électrode musculaire (EMG) présente une activité qui dépend des mouvements de l’animal. Le sommeil lent (en C, SL) est un état de synchronisation neuronale caractérisé par des oscillations de grande amplitude (grand nombre de neurones synchrones) et de basse fréquence 0,5 à 2 Hz, l’EMG est pratiquement plat. Enfin, le sommeil paradoxal (en D, SP) est caractérisé par une atonie musculaire (EMG plat) et la prédominance des oscillations thêta. Echelle 1mV/ 0,5s pour EMG et 0,5 mV/0,5 s pour EEG.

99

Sur la base de ces critères, la phase du cycle (éveil, sommeil lent (SL) ou sommeil paradoxal (SP))

est déterminée pour chaque épisode de 5 secondes du tracé EEG, et ce, sur toute la durée des

enregistrements en utilisant un script Matlab « SlipAnalysis » développé par Julien Carponcy et

Nicolas Fraize de l’équipe SLEEP du Centre de Recherches en Neurosciences de Lyon, pour

réaliser diverses analyses du signal EEG en fonction des états de vigilance.

Grâce à ce script, la durée totale de chaque état de vigilance est calculée. De plus, la durée

moyenne des épisodes d’éveil, sommeil lent et paradoxal est calculée afin de comparer la

fragmentation des états de vigilance chez les souris Tg2576 et NTg.

V.4.2) Détection des pointes interictales

Une pointe interictale est une déflection positive ou négative durant moins de 50 ms et dont

l’amplitude est supérieure à deux fois la ligne de base du signal EEG (203). Pour détecter les pointes

interictales, nous déterminons un seuil correspondant à deux fois la ligne de base, et détectons

toutes les déflections qui dépassent ce seuil. Sur nos tracés électroencéphalographiques, il est arrivé

que nous observions des artefacts de deux types : des artefacts de basse fréquence (<1Hz) de très

grande amplitude (jusqu’à +5mV) et des artefacts musculaires pour lesquels le signal de l’EMG est

visible sur le tracé de l’EEG. Les déflections détectées par la méthode de seuillage peuvent donc être

des pointes interictales ou des artefacts de mouvements. Dans ce contexte, l’expérimentateur

sélectionne les déflections qui possèdent la forme caractéristique d’une pointe et durent moins de

50 ms. Les artefacts de mouvements durant plus longtemps que les pointes et coïncidant, le plus

souvent, avec la présence d’une forte activité électromyographique sont facilement détectés et

éliminés. Voici l’exemple d’une pointe interictale et d’un artefact de mouvement pouvant ressembler

aux pointes (Figure 29).

D’un point de vue technique, nous avons mesuré l’amplitude de la ligne de base sur 3 périodes de 5

secondes de sommeil lent (quand les oscillations sont les plus amples). La différence entre

l’amplitude maximale (positive) et minimale (négative) du signal est mesurée pour chacune des 3

périodes puis la moyenne des trois différences est calculée. La valeur négative de cette moyenne est

utilisée comme seuil de détection des pointes. La fonction Memory buffer de Spike II permet ensuite

de créer une voie ne contenant que les évènements dépassant la valeur seuil précédemment

calculée. Puis un script créé à ma demande par l’équipe de Spike II m’a permis de faire défiler un à un

ces évènements, encadrés par deux curseurs, et des raccourcis clavier simples permettent de décider

si oui ou non je désire supprimer ou garder l’évènement encadré par les deux curseurs.

La distance entre ces deux curseurs est fixée à 50 ms par l’expérimentateur pour vérifier l’adéquation

avec les critères temporels des pointes interictales.

100

Figure 29. Les différents types de déflections de l’EEG : artefact ou pointe interictale A gauche : un artefact de mouvement de durée plus longue qu’une pointe interictale, pas très aigu, pendant une période d’éveil, l’activité EMG s’accentue juste au moment de l’artefact (flèche noire). A droite : pointe interictale durant moins de 50 ms de forme typique (flèche noire). Echelle (barres) : 0,5 s, 1mV.

Au moment de la détection/sélection manuelle des pointes interictales, nous attribuons à

chaque pointe un état de vigilance et le nombre de pointes par état est déterminé. Connaissant

la durée totale de l’éveil, du sommeil lent et du sommeil paradoxal, la fréquence des pointes par

minute est déduite.

V.4.3) Analyse spectrale des états de vigilance

Afin d’étudier la puissance des différentes oscillations du signal EEG, nous avons décomposé le signal

par une transformée de Fourier rapide afin de générer des spectres de puissances.

Le spectre de puissance est défini par plusieurs paramètres :

- la gamme de fréquence qu’il couvre (qui dépend de l’échantillonnage de l’enregistrement

EEG). Par exemple, pour un échantillonnage de 1KHz (1000 points par seconde), la fréquence

maximale analysable sur le spectre de puissance est 500 Hz (résolution d’échantillonnage / 2)

- la taille de la FFT (Fast Fourier Transform ou transformée de Fourier rapide). La FFT va

déterminer le nombre total de valeurs individuelles de puissance (bins) que le spectre

contiendra et donc par conséquent la résolution de fréquence. Par exemple, pour un

échantillonnage de 1KHz, le spectre de puissance est réalisé entre 0 et 500Hz et une taille de

FFT de 8192 signifie que le spectre contient 4096 bins et donc une valeur de puissance tous

les 0,122 Hz. Il est important de choisir cette résolution de fréquence en fonction de

l’étendue de la gamme de fréquence analysée. Par exemple, pour étudier les puissances

dans la gamme de fréquence thêta entre 5 et 10 Hz, il vaut mieux utiliser une résolution de

101

fréquence inférieure à 0,5 Hz pour une meilleure précision alors qu’une résolution

supérieure au Hz est suffisante si la gamme de fréquence analysée est large comme les

fréquences gamma entre 30 et 100Hz.

- Cette taille de FFT déterminera également la période minimale sur laquelle le spectre peut

être réalisé (dans l’exemple précédent, une FFT de 8192 implique un segment minimal

d’analyse de 8,192 secondes).

Dans nos études, l’analyse du spectre de puissance est réalisée entre 0 et 100 Hz car cette gamme de

fréquence recouvre la plupart des oscillations physiologiques classiquement retrouvées pendant les

trois états de vigilance.

Ce spectre est réalisé sur 10 minutes de chacun des états de vigilance suivants : éveil actif, éveil

calme, sommeil lent et sommeil paradoxal. Ces dix minutes sont obtenues à partir de segments de

différentes durées allant de 7 à 550 secondes avec une moyenne de 81,3+/- 54,8 sec. Les segments

analysés sont choisis selon les critères présentés à la Figure 28, en dehors des périodes de transition

d’état (sommeil lent/paradoxal ou sommeil/éveil) et ne doivent pas contenir de pointes interictales

détectées par la méthode de seuillage précédemment décrite.

La fréquence d’échantillonnage étant de 1 KHz pour les EEG mâles (4 souris enregistrées

simultanément) et de 200 Hz pour les EEG femelles (5 souris en simultané), et voulant un segment

minimal d’analyse d’environ 10 secondes, le spectre de puissance est donc réalisé entre 0 et 100Hz

(maximum possible pour les femelles) avec une taille de FFT de 8192 pour les mâles (segment

minimal d’analyse de 8,192 secondes, résolution de 0,122 Hz) et une taille de FFT de 2048 pour les

femelles (segment minimal d’analyse de 10,24 secondes, résolution de 0,09766 Hz). Les valeurs pour

les fréquences inférieures à 1 Hz et entre 49,3 et 50,3 Hz sont retirées pour éviter des valeurs

artefactuelles dues au bruit éléctrique ou aux artefacts de basse fréquence.

V.4.4) Spectre de puissance avant les pointes interictales

Afin de rechercher les caractéristiques oscillatoires favorisant l’apparition des pointes interictales et

l’impact de celle-ci sur les oscillations, un spectre de puissance réalisé sur les 10 secondes précédant

et suivant la pointe est réalisé. Tout d’abord, une sélection des pointes interictales est réalisée : dans

les 10 secondes précédant et suivant la pointe, il ne doit y avoir aucune transition d’état de vigilance

et aucune autre pointe détectée par la méthode de seuillage (deux fois la ligne de base). Deux voies

d’évènements (de pointes) sont créées : une pour les pointes de sommeil lent, une pour les pointes

de sommeil paradoxal. Le temps de la pointe est considéré comme le moment où elle dépasse le

seuil de deux fois la ligne de base donc où elle est détectée. Un spectre de puissance est réalisé grâce

au script développé à ma demande par Simon Gray de l’équipe de Spike II (Power spectra triggered)

102

sur les intervalles de temps suivants (négatif/positif : antérieur/ultérieur au temps de la pointe) : [-

10 ; -8], [-8 ;-6], [-6 ;-4], [-4 ;-2], [-2 ;-0.05], [0,05 ;2], [2;4], [4;6], [6;8],[8;10] secondes. Le spectre

étant réalisé sur une durée minimale de 1,95 secondes, une taille de FFT de 1024 (durée minimale

d’analyse : 1,024 s, résolution 0,9766 Hz) est utilisée. L’analyse spectrale est réalisée entre 0 et 100

Hz.

VI) Analyses statistiques et illustrations

L’analyse statistique des résultats est réalisée à l’aide du logiciel PrismR 5.0 (GraphPad Software).

Pour les comparaisons de proportions, un test de Fischer exact (Chi 2) a été utilisé. Dans le cas où le

tableau de contingence contient deux colonnes (ici deux génotypes différents) et plusieurs lignes

(différents âges), un test Chi 2 de tendance est réalisé. Pour comparer des données ordinales (PTZ),

nous avons utilisé le test de Kruskal-Wallis suivi de tests post-hoc de Dunn. En ce qui concerne les

comparaisons de variables continues, nous avons utilisé le test de Student ou l’ANOVA lorsque les

valeurs suivaient une distribution normale (vérifiée à l’aide du test de D'Agostino & Pearson) ou des

tests non paramétriques appropriés (tests de Mann et Whitney ou de Wilcoxon) lorsque ce n’était

pas le cas.

En cas de variable ordinale discrète, une représentation en boîte à moustache est utilisée

comprenant la médiane, le premier et le troisième interquartiles, ainsi que les valeurs minimale et

maximale (score d’épilepsie après injection de PTZ). En cas de variable continue, les résultats sont

représentés en moyenne +/- l’erreur type de la moyenne (SEM). Sur les représentations graphiques,

les différences significatives sont notées *, **, ou *** lorsque le niveau de confiance correspond à

des p-values de p<0,05, p<0,01, ou p<0,001 respectivement.

103

RESULTATS

104

105

CHAPITRE I : Apparition précoce de l’hypersynchronie neuronale

chez les souris Tg2576

106

107

CHAPITRE I : Apparition précoce de l’hypersynchronie neuronale chez les souris Tg2576

I.1) Introduction

L’hyperactivité des réseaux neuronaux corticaux et hippocampiques semblent être un évènement

précoce dans la physiopathologie de la MA. De nombreux modèles murins de la MA présentent une

hypersynchronie des réseaux neuronaux qui se traduit par une susceptibilité accrue aux crises

d’épilepsie induites pharmacologiquement, par la présence de crises d’épilepsie

électroencéphalographiques associées à l’occurrence de pointes interictales et par l’expression

anormale du neuropeptide Y dans les fibres moussues, un marqueur de crises d’épilepsie chroniques.

Cette activité neuronale aberrante contribuerait aux troubles mnésiques, mais son antériorité par

rapport aux troubles mnésiques n’a jamais été démontrée dans les modèles murins de la MA. Les

premiers troubles mnésiques visibles chez la souris Tg2576, modèle de la MA ont été décrits à l’âge de

3 mois. Nous avons donc cherché à mettre en évidence une hypersynchronie neuronale chez les souris

Tg2576 mâles et leurs congénères non transgéniques à l’âge de 1,5, 3 et 6 mois, soit avant, au moment

et après l’apparition des troubles mnésiques. Dès l’âge de 1 mois ½, les souris Tg2576 possèdent une

susceptibilité accrue aux crises d’épilepsie induites par l’injection systémique d’un antagoniste des

récepteurs GABAa. Les enregistrements EEG révèlent la présence de pointes interictales chez les souris

Tg2576. Et certaines de ces souris présentent une expression ectopique du neuropeptide Y dans les

fibres moussues, dont l’incidence semble augmenter avec l’âge dans la population des souris Tg2576.

Nos données indiquent que l’hypersynchronie neuronale apparait très tôt chez les souris Tg2576,

avant les premiers déficits mnésiques documentés.

108

I.2) Manuscrit publié

RESEARCH ARTICLE

Early Onset of Hypersynchronous NetworkActivity and Expression of a Marker ofChronic Seizures in the Tg2576 Mouse Modelof Alzheimer’s DiseaseCharlotte Bezzina1,2, Laure Verret1,2, Cécile Juan1,2, Jessica Remaud1,2, Hélène Halley1,2,Claire Rampon1,2☯, Lionel Dahan1,2☯*

1 Université de Toulouse; UPS; Centre de Recherches sur la Cognition Animale; 118 route de Narbonne,F-31062, Toulouse, Cedex 09, France, 2 CNRS, Centre de Recherches sur la Cognition Animale, F-31062,Toulouse, France

☯ These authors contributed equally to this work.* lionel.dahan@univ-tlse3.fr

AbstractCortical and hippocampal hypersynchrony of neuronal networks seems to be an early event

in Alzheimer’s disease pathogenesis. Many mouse models of the disease also present neu-

ronal network hypersynchrony, as evidenced by higher susceptibility to pharmacologically-

induced seizures, electroencephalographic seizures accompanied by spontaneous interic-

tal spikes and expression of markers of chronic seizures such as neuropeptide Y ectopic ex-

pression in mossy fibers. This network hypersynchrony is thought to contribute to memory

deficits, but whether it precedes the onset of memory deficits or not in mouse models re-

mains unknown. The earliest memory impairments in the Tg2576 mouse model of Alzhei-

mer’s disease have been observed at 3 months of age. We thus assessed network

hypersynchrony in Tg2576 and non-transgenic male mice at 1.5, 3 and 6 months of age. As

soon as 1.5 months of age, Tg2576 mice presented higher seizure susceptibility to systemic

injection of a GABAA receptor antagonist. They also displayed spontaneous interictal spikes

on EEG recordings. Some Tg2576 mice presented hippocampal ectopic expression of neu-

ropeptide Y which incidence seems to increase with age among the Tg2576 population.

Our data reveal that network hypersynchrony appears very early in Tg2576 mice, before

any demonstrated memory impairments.

IntroductionAlzheimer’s disease (AD) is a neurodegenerative disease characterized by several cognitive andbehavioral troubles attacking particularly memory functions. Most of AD patients develop de-tectable symptoms after 65 year-old (sporadic cases). However, in familial forms of the diseaserepresenting less than 1% of AD cases, severe cognitive and memory deficits develop earlier,

PLOSONE | DOI:10.1371/journal.pone.0119910 March 13, 2015 1 / 14

OPEN ACCESS

Citation: Bezzina C, Verret L, Juan C, Remaud J,Halley H, Rampon C, et al. (2015) Early Onset ofHypersynchronous Network Activity and Expressionof a Marker of Chronic Seizures in the Tg2576 MouseModel of Alzheimer’s Disease. PLoS ONE 10(3):e0119910. doi:10.1371/journal.pone.0119910

Academic Editor: Yann Herault, IGBMC/ICS,FRANCE

Received: August 19, 2014

Accepted: January 17, 2015

Published: March 13, 2015

Copyright: © 2015 Bezzina et al. This is an openaccess article distributed under the terms of theCreative Commons Attribution License, which permitsunrestricted use, distribution, and reproduction in anymedium, provided the original author and source arecredited.

Data Availability Statement: All relevant data arewithin the paper.

Funding: The authors acknowledge the support ofthe Agence Nationale pour la Recherche (ANR-10-05-MALZ to CR); the Centre National de laRecherche Scientifique (CNRS, PEPS to LD), theUniversity of Toulouse. C.Bezzina was supported bythe Agence Régionale de Santé and J. Remaud wassupported by the French Ministry of Research. Thefunders had no role in study design, data collectionand analysis, decision to publish, or preparation ofthe manuscript.

due to the presence of mutated forms of the Amyloid Precursor Protein (APP) or Presenilin(PS-1 or PS-2) genes [1,2,3,4]. Transgenic mouse models of AD, that overexpress at least oneof these human mutated genes, reproduce the amyloidopathy and some anatomical and behav-ioral abnormalities found in AD patients [5], and thereby help to provide insights into themechanisms underlying memory deficits.

Recently, new hypothesis have emerged about the contribution of network hypersynchronyin memory dysfunction in AD. Multiple lines of evidence point out an increased incidence ofspontaneous seizures in patients with AD. In sporadic AD, an estimated 10 to 22% of patientsexhibit unprovoked seizures [6,7,8]. In familial forms of AD or diseases in which APP gene isduplicated, 30 to 60% of patients develop seizures [9,10,11]. In patients diagnosed for both epi-lepsy and AD (or amnestic Mild Cognitively Impairment, aMCI), seizure onset preceded or co-incided with the diagnosis of the disease in 83% of patients, suggesting an early onset ofepilepsy in AD [12]. Using fMRI during a task involving the hippocampus, Bakker and col-leagues showed that aMCI subjects displayed hippocampal hyperactivity [13]. Interestingly, inthe same study, the antiepileptic drug levetiracetam reduced hippocampal hyperactivity andimproved memory performances, suggesting a causal link between network hyperactivity andmemory deficits [13].

Similar to human pathology, several mouse models of AD present a combination of featuresrevealing network hypersynchrony and epilepsy. Initially, sporadic spontaneous seizures or be-havioral stereotypies were fortuitously observed during behavioral phenotyping of AD trans-genic lines [14,15]. Pro-convulsant agents that exacerbate neuronal excitation (kainate) orsuppress inhibitory control (GABAA receptor antagonist pentylenetetrazole, PTZ) triggermore severe seizures in several AD transgenic mice (TgCRND8, hAPPJ20, hAPPJ9) than intheir respective non-transgenic (NTg) littermates [16,17,18,19]. Although very infrequent,spontaneous seizures in AD mice have also been objectively evidenced by using electroenceph-alographic (EEG) recordings [17,20,21,22]. Typically, chronic EEG recordings over very longperiod of time are required for observing a significant occurrence of seizures. For instance, 25%of APPswexPS1dE9 mice present seizures when recorded for 2 weeks [20], and about 10% ofhAPPJ20 mice display seizures when recorded for 24 hours [23]. However, the vast majority—if not all—of the recorded hAPPJ20 and APPswexPS1dE9 mice show interictal spikes consistingof frequent high-voltage sharp events [17,20].

Aside from electroencephalographic markers of neuronal network hypersynchrony, neuro-peptide Y (NPY) expression pattern has been proposed as a marker for chronic seizures. NPYis an inhibitory neuromodulator normally expressed by a subset of hippocampal interneurons,which can be expressed ectopically in mossy fibers after chronic seizures in animal models ofepilepsy [24]. Such ectopic expression of NPY has been reported in Tg2576 [25,26,27],hAPPJ20 [17,28], and APPswexPS1dE9 mice [20], arguing for the existence of epilepsy in theseAD models. Interestingly, chronic administration of the antiepileptic drug levetiracetam sup-presses epileptiform activity and improves memory performances in hAPPJ20 mice, but alsonormalizes the expression of NPY in the mossy fibers [28].

In AD mouse models, neuropathological processes and memory deficits progress with age.So far, the presence of network hypersynchrony has been assessed when mice were old enoughto exhibit memory deficits. We thus do not know if this abnormal brain activity occurs before,concomitantly or after the onset of memory dysfunction in AD mouse models. Learning andmemory deficits have been extensively described at different ages in Tg2576 mice, which ex-press a human APP (hAPP) gene carrying the double Swedish mutation (HuAPP696swe) [29].No memory disorder has been reported at 1.5–2 months [30,31,32], while a few studies haveevidenced impairments at 3 months [30,33,34,35], and most of authors agree on clear memorydeficits after 6 months [32,36,37,38,39]. Interestingly, network hypersynchrony has not been

Early Epilepsy in Tg2576 Mice

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0119910 March 13, 2015 2 / 14

Competing Interests: The authors have declaredthat no competing interests exist.

evaluated before 6 months of age in Tg2576 mice. We thus gauged network hypersynchrony ofTg2576 mice at different ages (1.5, 3 and 6 months old) by assessing their seizure susceptibilityto PTZ, and evaluating their spontaneous epileptiform activity through EEG recordings andhippocampal expression pattern of NPY. We show that Tg2576 mice display aberrant networkactivity as early as 1.5 month-old, that is to say before the onset of memory deficits.

Methods

Ethics statementAll experiments were performed in strict accordance with the policies of the European Union(86/609/EEC), the French National Committee of Ethics (87/848), and the local committee'srecommendations (C 31–555–11, Direction départementale de la protection des populations)for the care and use of laboratory animals. Animal facility of the CRCA is fully accredited bythe French Direction of Veterinary Services (C 31–555–11, Feb 9, 2011) and animal surgeryand experimentation conducted in this study were authorized by the French Direction of Vet-erinary Services (#31–11555521, 2002). All efforts were made to improve animals’ welfare andminimize animals’ suffering.

Mouse LineExperiments were performed on male mice from the transgenic line Tg2576 [15,29] from ourin-house colony [25,26,40], at 1.5, 3 and 6 months of age. Tg2576 mice overexpress a doublemutant form of human APP695 (Lys670-Asn, Met671-Leu [K670N, M671L]), driven by ahamster prion protein promoter. Tg2576 males were bred with C57B6/SJL F1 females (CharlesRiver, L’Arbresle, France) and the offspring was genotyped for the hAPP transgene using DNAobtained from postweaning tail biopsies. Polymerase chain reaction products were analyzed toconfirm the presence of hAPP DNA sequence in offspring. Mice were maintained on a 12hours light/12 hours dark cycle with free access to food and water.

PTZ injectionSeizure susceptibility was assessed by behavioral scoring of the severity of seizures inducedpharmacologically (NTg 1.5 month-old (mo): n = 16, 3 mo: n = 15 and 6 mo: n = 16; Tg2576 1.5mo: n = 15, 3 mo: n = 16 and 6 mo: n = 11). Mice received a single i.p injection of PTZ at 40mg/kg (PTZ, Sigma Aldrich, St Louis, MO, USA). Some mice accidentally received a lowerPTZ dose and thus were excluded of the study (Tg2576 3 mo: n = 1 and 6 mo: n = 1). Afterdrug administration, each mouse was placed in a new cage and its behavior was videotaped for20 minutes. Mice were sacrificed immediately after (as described below) in order to minimizesuffering. Two mice were excluded because they presented a liver hypertrophy at autopsy thatmight have resulted in modifications of the drug pharmacokinetics (NTg 6 mo: n = 2).

Seizure severity scoringTwo investigators blind to the experimental conditions quantified the maximal seizure severityduring the 20 minutes recording session, according to a published scale [17]. Seizure severityscores were as follows: 0 = normal exploratory behavior, 1 = immobility, 2 = generalizedspasm, tremble, or twitch, 3 = tail extension, 4 = forelimb clonus, 5 = generalized clonic activi-ty, 6 = bouncing or running seizures, 7 = full tonic extension, 8 = death. If seizure severity wasnot clear-cut, an intermediate score was given. Given the ordinal nature of the seizure severityscale, we performed non-parametric statistical tests. Kruskal-Wallis test was used, followed byDunn’s post-hoc tests to assess genotype effect in each group of age.

Early Epilepsy in Tg2576 Mice

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0119910 March 13, 2015 3 / 14

Implantation of EEG electrodesTg2576 mice and non-transgenic littermates free from any pharmacological treatment wereused for EEG recordings (NTg 1.5 mo: n = 12, 3 mo: n = 10 and 6 mo: n = 8; Tg2576 1.5 mo:n = 10, 3 mo: n = 13 and 6 mo: n = 7). Mice were anesthetized with isoflurane (2%), an incisionwas performed on the scalp and a local anesthetic (lidocaine 5%) was applied on it. Body tem-perature was maintained throughout the surgery using a mouse heating pad (Ugo Basile,Gemonio, Italy). A veterinary ophthalmic gel (Ocrygel, Laboratoire TVM, Lempdes, France)was applied on the eyes to avoid dryness. Then, the skull was drilled and two silver electrodeswere placed bilaterally over the parietal cortices, and one screw was positioned through the oc-cipital bone over the cerebellum to serve as reference and ground electrode. One EMG elec-trode was placed in neck muscles. Electrodes were fixed to the skull with dental cement andplugged into a miniature connector (PlasticsOne, Roanoke, NC, USA). Then, lidocaine was ap-plied on the flesh before suturing the skin. The animals were then allowed to recover for atleast 1 week during which their health status was checked every day.

EEG recordingsOne to 5 days before the recording session, mice were habituated to the recording chamberwhich consisted of a Plexiglas chamber (21x20x25cm) with available food and water, placedin a Faraday cage. They were first placed in the recording chamber for 15 minutes withoutbeing connected to the EEG recording system through the cable and brought back to theirhome cage for at least 15 minutes. They were then placed again in the recording chamber andconnected with the EEG cable for 2.5 hours under the supervision of an experimenter. On therecording day, mice EEG were monitored during 2.5 hours. For this purpose, they were con-nected with a six-channel cable (PlasticsOne) and head-staged with a home-made tension fol-lower. This cable was connected to a multichannel commutator (PlasticsOne) that allowsmice to freely move. EEG and EMG signals were amplified and band-pass filtered (for EEG:0.3–100 Hz; for EMG: 3 Hz-20 kHz) using a AM system 3500 amplifier (A-M system, Sequim,WA, USA) and sampled at 1kHz (Power 1401 mk-II, CED, Cambridge, UK). EEG recordingswere analyzed using Spike 2 V7.11 software. After EEG recordings, mice were sacrificed asdescribed below.

Detection of epileptiform abnormalities on EEG tracesEach digitized EEG file was screened for epileptiform activity by an investigator blind to experi-mental conditions. Epileptiform activity is described as the occurrence of interictal spikes, de-fined as sharp (2 to 50 ms) positive and/or negative deflections with amplitudes exceedingtwice the baseline EEG recording [20]. Specifically, all EEG deflections that reached a two-foldbaseline threshold were automatically detected using Spike 2 software. Were considered asinterictal spikes only the events matching both morphological and temporal criteria (2 to50 ms). Then, for each mouse, an average of the spike waveform was calculated and the spikeduration was measured between the start of the negative deflection and the peak of the positivedeflection. Epileptiform activity quantification consisted in counting the number of interictalspikes per minute during the last hour of recordings, when mice have become habituated to therecording setup. We excluded four animals because of movements artifacts on EEG traces(NTg 1.5 mo: n = 2, 3 mo: n = 1 and 6 mo: n = 1). Statistical analysis of the frequency of interic-tal spikes (spikes/minute) was performed using a two-way ANOVA, followed by a Bonferronipost-hoc test.

Early Epilepsy in Tg2576 Mice

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0119910 March 13, 2015 4 / 14

Tissue processing and NPY immunohistochemistryMice that underwent PTZ or EEG experiments were deeply anesthetized using pentobarbitaland transcardially perfused with 0.9% saline solution (NTg 1.5 mo: n = 20, 3 mo: n = 25 and 6mo: n = 24; Tg2576 1.5 mo: n = 19, 3 mo: n = 29 and 6 mo: n = 18). The brains were post-fixedfor 2 days in 4% paraformaldehyde and transferred into 30% sucrose in 0.1 M phosphate buffercontaining 0.1% sodium azide before being cut into 30μm thick cryostat coronal sections. Thesections were then stored at -20°C in a cryoprotectant solution until use. Free-floating brainsections were rinsed in phosphate-buffered saline containing 0.25% Triton X-100 (PBST). Sec-tions were quenched 15 minutes for endogenous peroxidases with 3% H2O2 in 10% methanol/phosphate-buffered saline, then they were incubated overnight in primary antibody rabbitanti-NPY (1:5,000; Sigma Aldrich, St Louis, MO, USA) in PBST containing 0.1% sodium azidewith 5% normal goat serum. The next day, the sections were incubated for 90 minutes in bioti-nylated goat anti-rabbit antiserum (1:250; Vector Labs, Burlingame, CA, USA) in PBST, fol-lowed by 90 minutes in avidin-biotin-peroxidase complex (1:400; ABC kit, Vector Labs) inPBST. The peroxidase immunolabeling was developed in 0.05 M Tris-HCl buffer (pH 7.6) con-taining 0.025% 3,3’-diaminobenzindine-4 HCl (DAB; Sigma Aldrich), 0.003% H2O2 and 0.06%nickel ammonium sulfate. The reaction was stopped by extensive rinses in PBST containing0.1% sodium azide. The sections were mounted onto subbed slides, dehydrated through alco-hols, and coverslipped.

Qualitative assessment of NPY ectopic expression and statisticalanalysisNPY ectopic expression was visually assessed by two independent observers blinded to themouse genotype. The presence of ectopic expression was revealed by a strong immunoreactivityin the hilus and stratum lucidum regions, where mossy fibers extend their axonal processes.Twenty four out of 135 mice were excluded for the following reasons: 2 had hypertrophied liver(NTg, 6 mo: n = 2), 13 for cryostat cutting problems (Tg2576: 1.5 mo: n = 1, 3 mo: n = 4, 6mo:n = 3; NTg: 3 mo: n = 2, 6mo: n = 3), 7 for sample conservation issues (Tg2576: 1.5 mo: n = 1, 3mo: n = 2, 6mo: n = 3; NTg: 6mo: n = 1), 2 mice died prior to sacrifice (Tg2576,3 mo: n = 2). Theproportion of animals showing NPY ectopic expression was compared between non-transgenicand transgenic animals, at each age using the Fisher exact test. The proportion of Tg2576 miceshowing NPY ectopic expression at different ages was compared using the Chi square testfor trend.

All statistical analysis were performed using the Prism 5 software (GraphPad Software Inc.,La Jolla, CA, USA).

Results

Tg2576 mice show higher susceptibility to pharmacologically-inducedseizures from early age onFirst, we determined seizure susceptibility of Tg2576 mice and their NTg littermates at ages of1.5, 3 and 6 months. Injection of the GABAA receptor antagonist PTZ, at the dose of 40 mg/kg,induced more severe seizures in Tg2576 mice than in NTg littermates at 1.5 and 6 months ofage (Fig. 1A, Kruskal-Wallis: p<0.0001, Dunn’s post hoc tests: p<0.05 for NTg vs Tg2576 at1.5 and 6 month-old). At 3 months of age, the difference in seizure severity between NTg andTg2576 mice did not reach statistical significance as NTg mice showed higher seizure suscepti-bility than at 1.5 months of age (Dunn’s post hoc test: p<0.01; Fig. 1A). Some Tg2576 animalsshowed lethal seizures, whilst this was never observed among NTg animals (Fig. 1B). In

Early Epilepsy in Tg2576 Mice

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0119910 March 13, 2015 5 / 14

summary, as early as 1.5 months of age, Tg2576 mice exhibit a higher susceptibility to pharma-cological seizures than NTg littermates.

Tg2576 mice exhibit spontaneous epileptiform activity as young as 1.5months of ageThen, we examined to which extent such susceptibility might be associated to spontaneouselectroencephalographic (EEG) abnormalities in Tg2576 mice. We recorded cortical EEG inTg2576 and NTg mice at 1.5, 3 and 6 months of age. During the recording session, we did notobserve any electroencephalographic seizures in NTg nor in Tg2576 mice. Since spontaneousseizures are relatively rare events in other mouse models of Alzheimer’s disease [20, 23] andgiven our recording time window, this was highly expected. Nevertheless, interictal spikes wereobserved in most of Tg2576 mice (63% of mice, regardless of their age). These events lasted21.2 ± 2.6 ms and displayed the characteristic shape of interictal spikes [20] (Fig. 2A). In NTgmice, only 1 mouse out of 26 displayed spikes at a very low frequency (0.01 spike/minute)(Fig. 2B). Spike frequency was significantly influenced by the genotype but not by the age ofthe animals (Fig. 2B, two-way ANOVA; transgene effect: p = 0.013; age effect: p = 0.4091; inter-action: p = 0.3865). These results clearly show that spontaneous epileptiform activity is alreadypresent in Tg2576 mice as early as 1.5 months of age.

Ectopic expression of NPY in the mossy fibers of young Tg2576 miceTo assess the occurrence of chronic seizures in Tg2576 mice, we looked for NPY ectopic ex-pression in mossy fibers of the dentate gyrus by using NPY immunohistochemistry (Fig. 3).While never observed in the mossy fibers of NTg animals, NPY ectopic expression was foundin a significant proportion of Tg2576 animals (Table 1, Chi square test for genotypes, regard-less of the age: p = 0.0002). NPY ectopic expression was observed as young as 1.5 month of age.The proportion of mice showing NPY ectopic expression was significantly higher in Tg2576than in NTg littermates at 3 and 6 months of age but not at 1.5 months of age (Table 1). Al-though not statistically significant in this sample, the proportion of Tg2576 mice showing NPYectopic expression seemed to increase with age (Table 1, Chi square test for trend: p = 0.16).

Fig 1. Tg2576mice show high susceptibility to pharmacologically-induced seizures from early age on. (A) Seizure severity score of 1.5, 3 and 6month-old Tg2576 male mice and non-transgenic (NTg) age-matched littermates. Whiskers boxes represent the interquartile distribution. Number of mice ineach group is indicated below the boxes. Tg2576 mice exhibit more severe seizures than NTg at 1.5 and 6 months of age (Dunn’s tests: p<0.05 for Tg2576vs NTg at 1.5 and 6 month-old). (B) Proportion of animals that died during PTZ-induced seizures in 1.5, 3 and 6 month-old Tg2576 and NTgmice. Note thatonly transgenic animals exhibit lethal seizures. Numbers over the horizontal axis indicate the number of mice used in each experimental group.

doi:10.1371/journal.pone.0119910.g001

Early Epilepsy in Tg2576 Mice

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0119910 March 13, 2015 6 / 14

These results suggest that chronic seizures occur at very early stages in the course of the disease,and that their incidence likely increases with age among the Tg2576 population.

DiscussionThis study reports that at 1.5, 3 and 6 months of age, Tg2576 mice exhibit high susceptibility topharmacologically-induced seizures, EEG epileptiform activity and NPY ectopic expression inmossy fibers, this later marker of chronic seizures showing an increased incidence with age.Our work provides the first evidence that such network dysfunction precedes the onset ofmemory deficits.

A few studies have previously assessed network hypersynchrony in the Tg2576 mouse line.To date, there is no data concerning the sensitivity of Tg2576 mice to convulsive agents, excepta study showing an increased sensitivity to PTZ in Tg2576 mice bred on a pure C57bl/6 back-ground, which exhibit an unusually high mortality rate (40% died before they reached 2months of age) and thus cannot be considered as a typical Tg2576 line [41]. In the originalTg2576 line, EEG abnormalities were reported at 5–7 months of age but were not clearly de-scribed. The authors related longer durations of “higher frequency brain activity” (6 to 10 Hz),which they interpret as an increased synchrony, but did not report any obvious spike or seizure[27]. Thus, our data constitute the first clear demonstration of higher sensitivity to convulsiveagents and occurrence of spontaneous interictal spikes in this mouse line. Ectopic expressionof NPY in the mossy fibers has often been associated with epileptic activity in the hippocampusor with the occurrence of a generalized seizure in the days before sacrifice and can thus be usedas a marker for chronic seizures [24,42]. Ectopic expression of NPY in the Tg2576 mice was ev-idenced at 5–7 months of age [27] and previous data from our group showed that the propor-tion of mice presenting this marker of chronic seizures increases with age (11% at 3 months,60% at 18 months) [25]. Our present data confirm this observation and further point out that

Fig 2. Tg2576mice exhibit spontaneous epileptiform activity as young as 1.5 months of age. (A) Representative electroencephalographic (EEG)traces from non-transgenic (NTg) (top) and Tg2576 (bottom) mice from left and right parietal cortices. Note that only transgenic animals displayed sharp,high-voltage spikes that characterize epileptiform activity (inset). (B) Quantitative analysis of the frequency of interictal spikes (mean ± SEM). Two-wayANOVA shows a significant genotype effect (p = 0.013) but no age effect (p = 0.4091) and no interaction (p = 0.3865). Numbers over the horizontal axisindicate the number of mice used in each experimental group.

doi:10.1371/journal.pone.0119910.g002

Early Epilepsy in Tg2576 Mice

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0119910 March 13, 2015 7 / 14

Fig 3. Ectopic expression of NPY in the mossy fibers of young Tg2576mice. Photographs of the dorsal hippocampus immunostained for NPY in 1.5, 3and 6 month-old non-transgenic (NTg) and Tg2576 mice. Left: In NTg animals, NPY staining is visible in the soma of hilar interneurons. Their axons display afaint staining visible in the molecular layer (ml), where these axons form synapses onto the dendrites of granular cells. Right: Typical ectopic NPY expressionin the mossy fibers (in hilus and stratum lucidum) of a Tg2576 mouse. CA1 and 3, Cornu Ammonis 1 and 3, GCL: Granular Cell Layer, mf: mossy fibers, ml:molecular layer. Scale bar: 200 μm.

doi:10.1371/journal.pone.0119910.g003

Early Epilepsy in Tg2576 Mice

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0119910 March 13, 2015 8 / 14

this marker can already be observed as soon as 1.5 months of age. Altogether, our data stronglysuggest that Tg2576 mice present a precocious epileptic phenotype. Interestingly, previouswork showed that Tg2576 exhibit normal memory performances at 1.5–2 months of age[30,31], memory deficits appearing in this mouse line between 3 and 6 months of age[30,31,32]. Thus, network hypersynchrony and expression of markers of chronic seizuresoccur before the onset of memory deficits in Tg2576 mice.

Network hypersynchrony and hyperexcitability have been described in other mouse modelsof AD. In the TgCRND8 line, seizure susceptibility to PTZ was evidenced at 6–8 weeks of age[16] when these mice already present memory deficits [43]. In APPSwexPS1dE9 mice, electroen-cephalographic seizures and epileptiform activity were found at 3–4 months of age [20], corre-sponding to the earliest description of memory deficits in this mouse line [44]. In hAPPJ20mice, susceptibility to pharmacological seizures, spontaneous seizures, interictal spikes andNPY ectopic expression were described at 4–7 months of age [17,18,23,28], when mice alreadyexhibit memory deficits from 2–3 months of age [45]. Thus, although it has never been as-sessed, network hypersynchrony might also happen before the onset of memory deficits inthese models. Interestingly, this is also supported by data from human cases suggesting that ep-ileptic events can precede the onset of memory impairments in AD and aMCI [12].

Several hypotheses can be proposed to explain the precocity of epileptic activity in Tg2576mice. The Tg2576 mouse model expresses a mutated form of hAPP inducing an excessiveproduction of Aβ1–42 peptide and its accumulation into amyloid plaques [46]. In theAPPswexPS1G384A mice model, neurons located in the vicinity of amyloid plaques were re-ported to be hyperactive [47]. However, Tg2576 mice are completely devoid of amyloid plaquesat 1.5 months of age [46], ruling out the possibility that plaques could be responsible for theearly onset of network hyperactivity nor hypersynchrony in these mice. Nevertheless, thebrains of new born Tg2576 mice, but not of NTg mice, already contain soluble Aβ1–42 [48]. Atthe cellular level, soluble Aβ1–42 species were suggested to play a role in neuronal hyperexcit-ability of AD mice. For instance, bath application of soluble Aβ decreases depolarizationthreshold and thus increases excitability of pyramidal cortical neurons or granule cells of thedentate gyrus [20,21] and intra-hippocampal injection of Aβ oligomers was found to increasepopulation spikes evoked by perforant path stimulation in rats [49]. However, the molecularand cellular mechanisms underlying the effects of Aβ on neuronal hyperexcitability are still un-clear. Recently, Lee et al. reported that Aβ disturb mitochondrial function in 1.5 month-oldTg2576 mice, leading to a slower decay of Ca2+ transients in granule cells of the dentate gyrus[50]. Further work is needed to determine if this increase in intracellular Ca2+ signal in granulecells could participate to network hypersynchrony in 1.5 month-old Tg2576 mice.

Interestingly, the role of Aβ in network hypersynchrony has been recently challenged. TheAPPSwe/LonxPS1M146V mouse line, which produces high amounts of Aβ, does not exhibit anyepileptiform activity even as late as 23 months of age [22]. Born and colleagues proposed that

Table 1. Proportion of mice with NPY ectopic expression among Tg2576 mice and NTg littermates.

Age (months) NTg Tg2576 Fisher exact test for NTg vs Tg2576

1.5 0/20 (0%) 2/17 (11.7%) p = 0.204

3 0/23 (0%) 4/21 (19.0%) p = 0.044

6 0/18 (0%) 4/12 (33.3%) p = 0.018

Data represent the number of animals with NPY ectopic expression in mossy fibers compared to the total

number of animals in each group. Note that only Tg2576 mice present aberrant NPY expression.

doi:10.1371/journal.pone.0119910.t001

Early Epilepsy in Tg2576 Mice

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0119910 March 13, 2015 9 / 14

mutant APP itself could be involved in network hypersynchrony. Indeed, APP is a transmem-brane protein cleaved by secretases as the β-site APP cleaving enzyme 1 (BACE1). In transgenicmodels of AD that overexpress mutant APP, excessive levels of this full-length APP may hijacka significant portion of BACE1, thus reducing its ability to process other substrates such as so-dium channels subunits. Indeed, BACE1 cleaves the Navβ2 subunit of Nav1.1 channels, whichregulates the expression of the functional α-subunits of these channels [51] that control excit-ability of parvalbumin-expressing interneurons [52]. Reduced levels of Nav1.1 channels werereported in association with impaired function of interneurons leading to network hypersyn-chrony and memory deficits in hAPPJ20 [23] and 5- to 7-month-old Tg2576 mice [27]. Towhich extent high levels of mutant APP reduce Nav1.1 levels in parvalbumin-expressing inter-neurons in young Tg2576 mice remains to be determined.

Recent studies clearly suggest a role of network hypersynchrony in memory deficits. InaMCI subjects, the antiepileptic drug levetiracetam improves memory performances [13]. InhAPPJ20 mice, one month of chronic levetiracetam treatment suppresses epileptiform activity,normalizes hippocampal NPY expression and improves memory performances [28]. The bene-ficial effect of levetiracetam on memory performances in hAPPJ20 mice may result from thesuppression of epileptiform activity or the normalization of NPY expression in the hippocam-pus or both. In a rat model of epilepsy and epileptic patients, hippocampal interictal spikes oc-curring during memory retrieval impair memory performances [53,54]. Here we reportepileptiform activity in 1.5 month- old Tg2576 mice, an age when these mice present normalmemory performances [30,31]. Thus, memory deficits may not result from hypersynchronyand epileptiform activity themselves, but rather from the consequences of their chronicity.Chronic hypersynchrony triggers seizures which incidence increases with age as reported inthe APPswexPS1dE9 model of AD (15% of mice had seizures at 3 months vs 50% at 4 months ofage) [20]. Consistent with these results, the present study and previous data from our laborato-ry [25] report an age-related increase in the incidence of NPY ectopic expression which is sig-nificant from NTg mice at 3 months and clearly rises around 6 months of age. This parallelsthe progression of memory deficits, which begin at 3 months, and progressively worsen withage [30,31,32]. Expression of NPY in granule cells decreases glutamatergic synaptic transmis-sion [55,56]. If it prevents a spread of neuronal overexcitation in a context of chronic seizures,it could also impair hippocampal function required for learning and memory processes. Thus,early network hypersynchrony induces seizures which in turn trigger neuroadaptations in thehippocampus, including NPY ectopic expression, which might cause a progressive degradationof hippocampal function explaining the age-dependent decline in memory performances inAD mice [57].

Network hypersynchrony could also cause memory impairment by altering neurogenesis.Adult hippocampal neurogenesis, a process by which new granule cells of the dentate gyrus aregenerated throughout life, contributes to learning and memory [58,59]. In AD mice, alteredneurogenesis seems to be an early event in the course of the disease [25,60]. We recently de-scribed an impairment of adult hippocampal neurogenesis at 3 months of age in Tg2576 mice[25]. At this specific age, adult-generated neurons of Tg2576 mice exhibit impaired neuronalmaturation and reduced dendritic spine density and dendritic length. Similar observationswere made in hAPPJ20 mice [61]. In Tg2576 mice and hAPPJ20, altered neurogenesis has beendescribed at the onset of memory deficits at 3 months of age, but it cannot be excluded thatsuch alterations may begin earlier. In hAPPJ20 mice, Sun and colleagues showed that the exci-tation/inhibition imbalance contributes to adult neurogenesis impairments [61]. Whether al-teration of hippocampal neurogenesis is present before memory deficits and whether it relatesto hypersynchrony in Tg2576 mice remains to be established.

Early Epilepsy in Tg2576 Mice

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0119910 March 13, 2015 10 / 14

ConclusionHere we evidence network hypersynchrony before the onset of memory deficits in Tg2576mice and an age-related increase of the incidence of ectopic NPY in the mossy fibers of Tg2576mice revealing an increasing frequency of seizures with age. This early network dysfunctioncould initiate progressive modifications of hippocampal network leading in fine to overt mem-ory dysfunction. In human, network hypersynchrony would thus potentially represent an earlydiagnosis marker to predict memory decline. However, extrapolations of these findings to spo-radic forms of the disease still remain to be investigated.

AcknowledgmentsWe thank A. Krezymon and E. DiDonato for their help and technical support. We also thankthe ABC facility and ANEXPLO for housing mice.

Author ContributionsConceived and designed the experiments: CB CR LD. Performed the experiments: CB CJ HHLD. Analyzed the data: CB LV JR CR LD. Wrote the paper: CB LV CR LD.

References1. Levy-Lahad E, WascoW, Poorkaj P, Romano DM, Oshima J, Pettingell WH, et al. Candidate gene for

the chromosome 1 familial Alzheimer's disease locus. Science. 1995; 269: 973–977. PMID: 7638622

2. Sherrington R, Rogaev EI, Liang Y, Rogaeva EA, Levesque G, IkedaM, et al. Cloning of a gene bearingmissense mutations in early-onset familial Alzheimer's disease. Nature. 1995; 375: 754–760. PMID:7596406

3. Mullan M, Crawford F, Axelman K, Houlden H, Lilius L, Winblad B, et al. A pathogenic mutation forprobable Alzheimer's disease in the APP gene at the N-terminus of beta-amyloid. Nat Genet. 1992; 1:345–347. PMID: 1302033

4. Goate A, Chartier-Harlin MC, Mullan M, Brown J, Crawford F, Fidani L, et al. Segregation of a missensemutation in the amyloid precursor protein gene with familial Alzheimer's disease. Nature. 1991; 349:704–706. PMID: 1671712

5. Higgins GA, Jacobsen H. Transgenic mouse models of Alzheimer's disease: phenotype and applica-tion. Behav Pharmacol. 2003; 14: 419–438. PMID: 14501255

6. Mendez MF, Catanzaro P, Doss RC, R AR, FreyWH, 2nd. Seizures in Alzheimer's disease: clinico-pathologic study. J Geriatr Psychiatry Neurol. 1994; 7: 230–233. PMID: 7826492

7. Forstl H, Burns A, Levy R, Cairns N, Luthert P, Lantos P. Neurologic signs in Alzheimer's disease. Re-sults of a prospective clinical and neuropathologic study. Arch Neurol. 1992; 49: 1038–1042. PMID:1417511

8. Sjogren T, Sjogren H, Lindgren AG. Morbus Alzheimer and morbus Pick; a genetic, clinical and patho-anatomical study. Acta Psychiatr Neurol Scand Suppl. 1952; 82: 1–152. PMID: 13171126

9. Mann DM, Pickering-Brown SM, Takeuchi A, Iwatsubo T. Amyloid angiopathy and variability in amyloidbeta deposition is determined by mutation position in presenilin-1-linked Alzheimer's disease. Am JPathol. 2001; 158: 2165–2175. PMID: 11395394

10. Jayadev S, Leverenz JB, Steinbart E, Stahl J, KlunkW, Yu CE, et al. Alzheimer's disease phenotypesand genotypes associated with mutations in presenilin 2. Brain. 2010; 133: 1143–1154. doi: 10.1093/brain/awq033 PMID: 20375137

11. Cabrejo L, Guyant-Marechal L, Laquerriere A, Vercelletto M, De la Fourniere F, Thomas-Anterion C,et al. Phenotype associated with APP duplication in five families. Brain. 2006; 129: 2966–2976. PMID:16959815

12. Vossel KA, Beagle AJ, Rabinovici GD, Shu H, Lee SE, Naasan G, et al. Seizures and epileptiform activ-ity in the early stages of Alzheimer disease. JAMA Neurol. 2013; 70: 1158–1166. doi: 10.1001/jamaneurol.2013.136 PMID: 23835471

13. Bakker A, Krauss GL, Albert MS, Speck CL, Jones LR, Stark CE, et al. Reduction of hippocampal hy-peractivity improves cognition in amnestic mild cognitive impairment. Neuron. 2012; 74: 467–474. doi:10.1016/j.neuron.2012.03.023 PMID: 22578498

Early Epilepsy in Tg2576 Mice

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0119910 March 13, 2015 11 / 14

14. Lalonde R, Dumont M, Staufenbiel M, Strazielle C. Neurobehavioral characterization of APP23 trans-genic mice with the SHIRPA primary screen. Behav Brain Res. 2005; 157: 91–98. PMID: 15617775

15. Hsiao KK, Borchelt DR, Olson K, Johannsdottir R, Kitt C, Yunis W, et al. Age-related CNS disorder andearly death in transgenic FVB/Nmice overexpressing Alzheimer amyloid precursor proteins. Neuron.1995; 15: 1203–1218. PMID: 7576662

16. Del Vecchio RA, Gold LH, Novick SJ, Wong G, Hyde LA. Increased seizure threshold and severity inyoung transgenic CRND8mice. Neurosci Lett. 2004; 367: 164–167. PMID: 15331144

17. Palop JJ, Chin J, Roberson ED, Wang J, Thwin MT, Bien-Ly N, et al. Aberrant excitatory neuronal activ-ity and compensatory remodeling of inhibitory hippocampal circuits in mousemodels of Alzheimer's dis-ease. Neuron. 2007; 55: 697–711. PMID: 17785178

18. Roberson ED, Scearce-Levie K, Palop JJ, Yan F, Cheng IH, Wu T, et al. Reducing endogenous tauameliorates amyloid beta-induced deficits in an Alzheimer's disease mouse model. Science. 2007;316: 750–754. PMID: 17478722

19. Roberson ED, Halabisky B, Yoo JW, Yao J, Chin J, Yan F, et al. Amyloid-beta/Fyn-induced synaptic,network, and cognitive impairments depend on tau levels in multiple mouse models of Alzheimer's dis-ease. J Neurosci. 2011; 31: 700–711. doi: 10.1523/JNEUROSCI.4152-10.2011 PMID: 21228179

20. Minkeviciene R, Rheims S, Dobszay MB, Zilberter M, Hartikainen J, Fulop L, et al. Amyloid beta-in-duced neuronal hyperexcitability triggers progressive epilepsy. J Neurosci. 2009; 29: 3453–3462. doi:10.1523/JNEUROSCI.5215-08.2009 PMID: 19295151

21. Zilberter M, Ivanov A, Ziyatdinova S, Mukhtarov M, Malkov A, Alpar A, et al. Dietary energy substratesreverse early neuronal hyperactivity in a mouse model of Alzheimer's disease. J Neurochem. 2013;125: 157–171. doi: 10.1111/jnc.12127 PMID: 23241062

22. Born HA, Kim JY, Savjani RR, Das P, Dabaghian YA, Guo Q, et al. Genetic Suppression of TransgenicAPP Rescues Hypersynchronous Network Activity in a Mouse Model of Alzheimer's Disease. J Neu-rosci. 2014; 34: 3826–3840. doi: 10.1523/JNEUROSCI.5171-13.2014 PMID: 24623762

23. Verret L, Mann EO, Hang GB, Barth AM, Cobos I, Ho K, et al. Inhibitory interneuron deficit links alterednetwork activity and cognitive dysfunction in Alzheimer model. Cell. 2012; 149: 708–721. doi: 10.1016/j.cell.2012.02.046 PMID: 22541439

24. Vezzani A, Schwarzer C, Lothman EW,Williamson J, Sperk G. Functional changes in somatostatinand neuropeptide Y containing neurons in the rat hippocampus in chronic models of limbic seizures.Epilepsy Res. 1996; 26: 267–279. PMID: 8985706

25. Krezymon A, Richetin K, Halley H, Roybon L, Lassalle JM, Frances B, et al. Modifications of hippocam-pal circuits and early disruption of adult neurogenesis in the tg2576 mouse model of Alzheimer's dis-ease. PLoS One. 2013; 8: e76497. doi: 10.1371/journal.pone.0076497 PMID: 24086745

26. Verret L, Krezymon A, Halley H, Trouche S, Zerwas M, Lazouret M, et al. Transient enriched housingbefore amyloidosis onset sustains cognitive improvement in Tg2576 mice. Neurobiol Aging. 2013; 34:211–225. doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2012.05.013 PMID: 22727275

27. Corbett BF, Leiser SC, Ling HP, Nagy R, Breysse N, Zhang X, et al. Sodium channel cleavage is asso-ciated with aberrant neuronal activity and cognitive deficits in a mouse model of Alzheimer's disease. JNeurosci. 2013; 33: 7020–7026. doi: 10.1523/JNEUROSCI.2325-12.2013 PMID: 23595759

28. Sanchez PE, Zhu L, Verret L, Vossel KA, Orr AG, Cirrito JR, et al. Levetiracetam suppresses neuronalnetwork dysfunction and reverses synaptic and cognitive deficits in an Alzheimer's disease model.Proc Natl Acad Sci U S A. 2012; 109: E2895–2903. doi: 10.1073/pnas.1121081109 PMID: 22869752

29. Hsiao K, Chapman P, Nilsen S, Eckman C, Harigaya Y, Younkin S, et al. Correlative memory deficits,Abeta elevation, and amyloid plaques in transgenic mice. Science. 1996; 274: 99–102. PMID: 8810256

30. D'Amelio M, Cavallucci V, Middei S, Marchetti C, Pacioni S, Ferri A, et al. Caspase-3 triggers early syn-aptic dysfunction in a mouse model of Alzheimer's disease. Nat Neurosci. 2011; 14: 69–76. doi: 10.1038/nn.2709 PMID: 21151119

31. Jacobsen JS, Wu CC, Redwine JM, Comery TA, Arias R, Bowlby M, et al. Early-onset behavioral andsynaptic deficits in a mouse model of Alzheimer's disease. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006; 103:5161–5166. PMID: 16549764

32. Stewart S, Cacucci F, Lever C. Which memory task for my mouse? A systematic review of spatial mem-ory performance in the Tg2576 Alzheimer's mouse model. J Alzheimers Dis. 2011; 26: 105–126. doi:10.3233/JAD-2011-0066 PMID: 21971455

33. Duffy AM, Morales-Corraliza J, Bermudes-Hernandez KM, Schaner MJ, Magagna-Poveda A, MathewsPM, et al. Enthorinal cortical defects in Tg2576 mice are present as early as 2–4 months of age. Neuro-biol Aging. 2015; 36: 134–148. doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2014.07.001 PMID: 25109765

Early Epilepsy in Tg2576 Mice

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0119910 March 13, 2015 12 / 14

34. King DL, Arendash GW, Crawford F, Sterk T, Menendez J, Mullan MJ. Progressive and gender-dependent cognitive impairment in the APP(SW) transgenic mouse model for Alzheimer's disease.Behav Brain Res. 1999; 103: 145–162. PMID: 10513583

35. Holcomb L, Gordon MN, McGowan E, Yu X, Benkovic S, Jantzen P, et al. Accelerated Alzheimer-typephenotype in transgenic mice carrying both mutant amyloid precursor protein and presenilin 1 trans-genes. Nat Med. 1998; 4: 97–100. PMID: 9427614

36. Perez-Cruz C, Nolte MW, van Gaalen MM, Rustay NR, Termont A, Tanghe A, et al. Reduced spinedensity in specific regions of CA1 pyramidal neurons in two transgenic mouse models of Alzheimer'sdisease. J Neurosci. 2011; 31: 3926–3934. doi: 10.1523/JNEUROSCI.6142-10.2011 PMID: 21389247

37. WestermanMA, Cooper-Blacketer D, Mariash A, Kotilinek L, Kawarabayashi T, Younkin LH, et al. Therelationship between Abeta and memory in the Tg2576 mouse model of Alzheimer's disease. J Neu-rosci. 2002; 22: 1858–1867. PMID: 11880515

38. Lesne S, Koh MT, Kotilinek L, Kayed R, Glabe CG, Yang A, et al. A specific amyloid-beta protein as-sembly in the brain impairs memory. Nature. 2006; 440: 352–357. PMID: 16541076

39. Mouri A, Noda Y, Hara H, Mizoguchi H, Tabira T, Nabeshima T. Oral vaccination with a viral vector con-taining Abeta cDNA attenuates age-related Abeta accumulation and memory deficits without causinginflammation in a mouse Alzheimer model. FASEB J. 2007; 21: 2135–2148. PMID: 17341681

40. Lassalle JM, Halley H, Daumas S, Verret L, Frances B. Effects of the genetic background on cognitiveperformances of TG2576 mice. Behav Brain Res. 2008; 191: 104–110. doi: 10.1016/j.bbr.2008.03.017PMID: 18433892

41. Westmark CJ, Westmark PR, Beard AM, Hildebrandt SM, Malter JS. Seizure susceptibility and mortali-ty in mice that over-express amyloid precursor protein. Int J Clin Exp Pathol. 2008; 1: 157–168. PMID:18784809

42. Sperk G, Marksteiner J, Gruber B, Bellmann R, Mahata M, Ortler M. Functional changes in neuropep-tide Y- and somatostatin-containing neurons induced by limbic seizures in the rat. Neuroscience. 1992;50: 831–846. PMID: 1360155

43. Francis BM, Kim J, Barakat ME, Fraenkl S, Yucel YH, Peng S, et al. Object recognition memory andBDNF expression are reduced in young TgCRND8mice. Neurobiol Aging. 2012; 33: 555–563. doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2010.04.003 PMID: 20447730

44. Vegh MJ, Heldring CM, KamphuisW, Hijazi S, Timmerman AJ, Li K, et al. Reducing hippocampal extra-cellular matrix reverses early memory deficits in a mouse model of Alzheimer’s disease. Acta Neuro-pathol Commun. 2014; 2: 76. doi: 10.1186/s40478-014-0076-z PMID: 24974208

45. Harris JA, Devidze N, Halabisky B, Lo I, Thwin MT, Yu GQ, et al. Many neuronal and behavioral impair-ments in transgenic mouse models of Alzheimer's disease are independent of caspase cleavage of theamyloid precursor protein. J Neurosci. 2010; 30: 372–381. doi: 10.1523/JNEUROSCI.5341-09.2010PMID: 20053918

46. Kawarabayashi T, Younkin LH, Saido TC, Shoji M, Ashe KH, Younkin SG. Age-dependent changes inbrain, CSF, and plasma amyloid (beta) protein in the Tg2576 transgenic mouse model of Alzheimer'sdisease. J Neurosci. 2001; 21: 372–381. PMID: 11160418

47. Busche MA, Eichhoff G, Adelsberger H, Abramowski D, Wiederhold KH, Haass C, et al. Clusters of hy-peractive neurons near amyloid plaques in a mouse model of Alzheimer's disease. Science. 2008; 321:1686–1689. doi: 10.1126/science.1162844 PMID: 18802001

48. Trushina E, Nemutlu E, Zhang S, Christensen T, Camp J, Mesa J, et al. Defects in mitochondrial dy-namics and metabolomic signatures of evolving energetic stress in mouse models of familial Alzhei-mer's disease. PLoS One. 2012; 7: e32737. doi: 10.1371/journal.pone.0032737 PMID: 22393443

49. Orban G, Volgyi K, Juhasz G, Penke B, Kekesi KA, Kardos J, et al. Different electrophysiological ac-tions of 24- and 72-hour aggregated amyloid-beta oligomers on hippocampal field population spike inboth anesthetized and awake rats. Brain Res. 2010; 1354: 227–235. doi: 10.1016/j.brainres.2010.07.061 PMID: 20659435

50. Lee SH, Kim KR, Ryu SY, Son S, Hong HS, Mook-Jung I, et al. Impaired short-term plasticity in mossyfiber synapses caused by mitochondrial dysfunction of dentate granule cells is the earliest synaptic def-icit in a mouse model of Alzheimer's disease. J Neurosci. 2012; 32: 5953–5963. doi: 10.1523/JNEUROSCI.0465-12.2012 PMID: 22539855

51. Kim DY, Carey BW,Wang H, Ingano LA, Binshtok AM, Wertz MH, et al. BACE1 regulates voltage-gated sodium channels and neuronal activity. Nat Cell Biol. 2007; 9: 755–764. PMID: 17576410

52. Ogiwara I, Miyamoto H, Morita N, Atapour N, Mazaki E, Inoue I, et al. Nav1.1 localizes to axons of par-valbumin-positive inhibitory interneurons: a circuit basis for epileptic seizures in mice carrying an Scn1agene mutation. J Neurosci. 2007; 27: 5903–5914. PMID: 17537961

Early Epilepsy in Tg2576 Mice

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0119910 March 13, 2015 13 / 14

53. Kleen JK, Scott RC, Holmes GL, Lenck-Santini PP. Hippocampal interictal spikes disrupt cognition inrats. Ann Neurol. 2010; 67: 250–257. doi: 10.1002/ana.21896 PMID: 20225290

54. Kleen JK, Scott RC, Holmes GL, Roberts DW, Rundle MM, Testorf M, et al. Hippocampal interictal epi-leptiform activity disrupts cognition in humans. Neurology. 2013; 81: 18–24. doi: 10.1212/WNL.0b013e318297ee50 PMID: 23685931

55. Klapstein GJ, Colmers WF. On the sites of presynaptic inhibition by neuropeptide Y in rat hippocampusin vitro. Hippocampus. 1993; 3: 103–111. PMID: 8395947

56. Colmers WF, Bleakman D. Effects of neuropeptide Y on the electrical properties of neurons. TrendsNeurosci. 1994; 17: 373–379. PMID: 7529442

57. Palop JJ, Mucke L. Epilepsy and cognitive impairments in Alzheimer disease. Arch Neurol. 2009; 66:435–440. doi: 10.1001/archneurol.2009.15 PMID: 19204149

58. Goodman T, Trouche S, Massou I, Verret L, Zerwas M, Roullet P, et al. Young hippocampal neuronsare critical for recent and remote spatial memory in adult mice. Neuroscience. 2010; 171: 769–778. doi:10.1016/j.neuroscience.2010.09.047 PMID: 20883747

59. Trouche S, Bontempi B, Roullet P, Rampon C. Recruitment of adult-generated neurons into functionalhippocampal networks contributes to updating and strengthening of spatial memory. Proc Natl AcadSci U S A. 2009; 106: 5919–5924. doi: 10.1073/pnas.0811054106 PMID: 19321751

60. Demars M, Hu YS, Gadadhar A, Lazarov O. Impaired neurogenesis is an early event in the etiology offamilial Alzheimer's disease in transgenic mice. J Neurosci Res. 2010; 88: 2103–2117. doi: 10.1002/jnr.22387 PMID: 20209626

61. Sun B, Halabisky B, Zhou Y, Palop JJ, Yu G, Mucke L, et al. Imbalance between GABAergic and Gluta-matergic Transmission Impairs Adult Neurogenesis in an Animal Model of Alzheimer's Disease. CellStem Cell. 2009; 5: 624–633. doi: 10.1016/j.stem.2009.10.003 PMID: 19951690

Early Epilepsy in Tg2576 Mice

PLOS ONE | DOI:10.1371/journal.pone.0119910 March 13, 2015 14 / 14

123

CHAPITRE II : Effet de l’enrichissement environnemental sur

l’hypersynchronie neuronale chez les souris Tg2576

124

125

CHAPITRE II : Effet de l’enrichissement environnemental sur l’hypersynchronie neuronale chez les souris Tg2576

II.1) Résumé

La réserve cognitive repose sur l’hypothèse qu’il est possible pour les individus atteints d’une

pathologie cérébrale de maintenir de bonnes performances cognitives grâce à une adaptation de leur

fonctionnement cérébral, notamment basé sur le recrutement accru des réseaux normalement

impliqués ou sur le développement de stratégies cognitives alternatives. Les études

épidémiologiques ont révélé que cette réserve s’élabore tout au long de la vie par le biais

d’expériences cognitivement stimulantes telles que l’éducation ou la pratique de loisirs. L’équipe a

montré précédemment que l’exposition transitoire à un environnement enrichi, survenant tôt au

cours de la vie adulte, peut durablement améliorer les performances mnésiques des souris Tg2576

modèles de la maladie d’Alzheimer. Cependant, les mécanismes sous-jacents à la formation d’une

telle réserve cognitive restent inconnus. Dans la première partie de mon travail, nous avons mis en

évidence une hypersynchronie neuronale chez les souris Tg2576, associée au remodelage des circuits

hippocampiques. L’hypersynchronie neuronale pouvant participer aux troubles mnésiques de la MA,

nous nous sommes demandés si l’amélioration durable des performances mnésiques des souris

Tg2576 après un enrichissement environnemental pouvait être associée à une réduction de cette

hypersynchronie neuronale. Dans ce but, nous avons hébergé des souris non transgéniques et

Tg2576 dans des conditions standards ou enrichies pendant 10 semaines, à partir de l’âge de 3 mois.

L’enrichissement environnemental n’a pas influencé la susceptibilité aux crises d’épilepsie induites

par le PTZ ni la fréquence des pointes interictales. D’autre part, l’enrichissement environnemental

n’a pas non plus affecté l’expression du NPY dans les fibres moussues chez les souris Tg2576, donc a

priori l’occurrence des crises d’épilepsie. De façon inattendue, nous avons aussi observé une

expression du NPY dans les fibres moussues chez un petit nombre de souris NTg. En conclusion,

l’effet durable de l’enrichissement environnemental sur les capacités mnésiques des souris Tg2576

n’est pas attribuable à une prévention de l’hypersynchronie neuronale et des crises d’épilepsie chez

ces souris.

Je vais donc ici dans une première partie présenter l’article en cours de préparation concernant les

effets de l’enrichissement environnemental sur la susceptibilité aux crises d’épilepsie induites par le

PTZ et la fréquence des pointes interictales chez les souris Tg2576. L’effet de l’EE sur l’expression du

NPY dans les fibres moussues est présenté dans une deuxième partie, les résultats n’ayant pas été

intégrés à l’article car ils sont délicats à interpréter et n’apportent pas de réponse complémentaire à

la question posée.

126

II.2) Manuscrit publié

ORIGINAL RESEARCHpublished: 23 September 2015doi: 10.3389/fnagi.2015.00178

Environmental enrichment does notinfluence hypersynchronous networkactivity in the Tg2576 mouse modelof Alzheimer’s diseaseCharlotte Bezzina 1,2, Laure Verret 1,2, Hélène Halley 1,2, Lionel Dahan 1,2†

and Claire Rampon 1,2*†

1 UMR5169 CNRS, Centre de Recherches sur la Cognition Animale, Université de Toulouse, Université Paul Sabatier,Toulouse, France, 2 CNRS, Centre de Recherches sur la Cognition Animale, Toulouse, France

Edited by:Rodrigo Orlando Kuljiš,

University of Miami Schoolof Medicine, USA

Reviewed by:Filippo Tempia,

University of Turin, ItalyKoteswara Rao Valasani,

The University of Kansas, USA

*Correspondence:Claire Rampon,

UMR5169 CNRS, Centre deRecherches sur la Cognition Animale,

Université Paul Sabatier,118 Route de Narbonne,

F-31062 Toulouse Cedex 09,France

claire.rampon@univ-tlse3.fr

†These authors have contributedequally to this work.

Received: 17 July 2015Accepted: 03 September 2015Published: 23 September 2015

Citation:Bezzina C, Verret L, Halley H,

Dahan L and Rampon C (2015)Environmental enrichment does not

influence hypersynchronous networkactivity in the Tg2576 mouse model

of Alzheimer’s disease.Front. Aging Neurosci. 7:178.

doi: 10.3389/fnagi.2015.00178

The cognitive reserve hypothesis claims that the brain can overcome pathology byreinforcing preexistent processes or by developing alternative cognitive strategies.Epidemiological studies have revealed that this reserve can be built throughout lifeexperiences as education or leisure activities. We previously showed that an earlytransient environmental enrichment (EE) durably improves memory performances inthe Tg2576 mouse model of Alzheimer’s disease (AD). Recently, we evidenced ahypersynchronous brain network activity in young adult Tg2576 mice. As aberrantoscillatory activity can contribute to memory deficits, we wondered whether the long-lasting memory improvements observed after EE were associated with a reductionof neuronal network hypersynchrony. Thus, we exposed non-transgenic (NTg) andTg2576 mice to standard or enriched housing conditions for 10 weeks, starting at 3months of age. Two weeks after EE period, Tg2576 mice presented similar seizuresusceptibility to a GABA receptor antagonist. Immediately after and 2 weeks after thisenrichment period, standard and enriched-housed Tg2576 mice did not differ withregards to the frequency of interictal spikes on their electroencephalographic (EEG)recordings. Thus, the long-lasting effect of this EE protocol on memory capacities inTg2576 mice is not mediated by a reduction of their cerebral aberrant neuronal activityat early ages.

Keywords: amyloid precursor protein, EEG, epileptiform activity, pentylenetetrazole, seizure susceptibility,Alzheimer’s disease, environmental enrichment

Introduction

Alzheimer’s disease (AD) is the first cause of dementia worldwide. AD patients present aprogressive decline of memory performances which amplitude and speed are highly variablebetween individuals. Notably, environmental factors can modulate the risk of dementia in ADand a high educational level or the practice of various leisure activities has been associatedwith a decreased risk of AD-related dementia (Stern et al., 1994; Scarmeas et al., 2001).

Abbreviations: AD, Alzheimer’s disease; APP, Amyloid precursor protein; EE, environmental enrichment; NTg, nontransgenic; PTZ, pentylenetetrazole; SH, standard housing(ed).

Frontiers in Aging Neuroscience | www.frontiersin.org 1 September 2015 | Volume 7 | Article 178

Bezzina et al. Epilepsy in enriched Tg2576 mice

The concept of cognitive reserve hypothesizes that brainadapts to overcome pathology by reinforcing the efficiency ofusual cognitive strategies and the development of alternativeones. Given the poor efficiency of current therapeuticstrategies against AD, it has become a major issue tobetter understand memory decline during the course of thepathology and to decipher the neurobiological basis of cognitivereserve.

Environmental enrichment (EE) is an experimental paradigmproviding social, sensorial and cognitive stimulations for animalsthat mimics the beneficial human lifestyle. It thus constitutesa unique tool to investigate the biological processes involvedin the establishment of the cognitive reserve. EE consistsin housing large groups of animals in a wide cage filledwith objects of different size, shape, color and material thatare regularly renewed (Sztainberg and Chen, 2010). Exposureto EE has extensively been reported to improve cognitiveperformances in wild-type mice (Rampon et al., 2000; Tanget al., 2001; Frick and Fernandez, 2003; Jankowsky et al.,2005; Berardi et al., 2007; Costa et al., 2007; Cracchioloet al., 2007; Dong et al., 2007; Gerenu et al., 2013). Inmouse models of AD, memory performances were foundto be improved immediately after long-lasting exposure toEE (more than 4 months; Jankowsky et al., 2005; Berardiet al., 2007; Costa et al., 2007; Cracchiolo et al., 2007;Dong et al., 2007). More recently, we reported that anearly and transient exposure to EE leads to a long-lastingeffect on memory function in the Tg2576 mouse model ofAD (Verret et al., 2013). Tg2576 mice, which express theSwedish double mutant form of the human Amyloid PrecursorProtein (APP), progressively develop AD-related behavioraland neuroanatomical troubles (Hsiao et al., 1996). In thismouse line, memory deficits appear around 3 months of age(Jacobsen et al., 2006; D’Amelio et al., 2011; Duffy et al.,2015) and progress slowly while amyloid plaques form later,around 10 months of age (Kawarabayashi et al., 2001). Weshowed that exposure to EE that occurs between 3 and 5.5months of age, improved memory performances of 13 month-old Tg2576 mice, while Tg2576 mice housed in standard cagesdisplayed robust memory deficits (Verret et al., 2013). Theseresults corroborate data in human revealing that education,an early-life cognitive stimulation, delays the onset of AD-type dementia in the elderly (Stern et al., 1994). Our EEprotocol is thus a suitable paradigm to study the neuralmechanisms underlying the formation of cognitive reserveduring young adulthood in mice. Interestingly, if Tg2576 miceunderwent EE after 5 months of age, we observed that thebeneficial effects on memory function were less robust acrossmemory tasks (Verret et al., 2013). We thus hypothesizedthat EE taking place at 3 months of age could disruptone or several early pathogenic events of amyloidopathy,before their deleterious effects on brain function and memoryprocessing become permanent, thereby durably limitingmemoryalterations. This hypothesis would explain why an EE exposurelater during the disease time-course was not or less efficientto rescue memory performances in Tg2576 mice (Verret et al.,2013).

Amongst early events linked to AD pathogenesis that cancontribute to memory decline, we focused here on neuronalnetwork hypersynchrony (Bakker et al., 2012; Vossel et al.,2013). Indeed, seizures are more frequent in AD patients thanin age-matched individuals and seizures can precede the onsetof memory deficits (Amatniek et al., 2006; Sanchez et al.,2012). Different lines of evidence also indicate the occurrenceof hypersynchronous network activity such as seizures amongstmousemodels of AD (Palop et al., 2007;Minkeviciene et al., 2009;Born et al., 2014; Ittner et al., 2014). Interestingly, preventingneuronal hyperactivity with the anti-epileptic drug levetiracetamwas associated with an improvement of memory performances insubjects with Mild Cognitive Impairments and in the hAPPJ20mouse model of AD (Bakker et al., 2012; Sanchez et al., 2012).Altogether these data strongly suggest that aberrant neuronalactivity can contribute to memory dysfunction in AD. Recently,we evidenced that network hypersynchrony occurs at very earlyage in Tg2576 mice (Bezzina et al., 2015). Tg2576 mice present ahigher susceptibility to pharmacologically-induced seizures thantheir non-transgenic (NTg) littermates. They also display anepileptiform activity in the form of frequent interictal spikeson their electroencephalograms (EEG), high-amplitude eventsthat typically occur between seizures in epileptic patients androdents, even if no seizure was recorded over the recording time.This network hypersynchrony was observed in Tg2576 mice assoon as 1.5 months of age that is to say before the onset ofmemory decline in this mouse line. Therefore, hypersynchronousnetwork activity could be part of the earliest pathogenic eventsleading to memory decline in Tg2576 mice, which may beprevented by EE.

Yet, EE can suppress seizures or reduce seizure susceptibilityin rat models of epilepsy (Young et al., 1999; Auvergne et al.,2002; Korbey et al., 2008; Fares et al., 2013). For instance,housing rats in enriched environment before pharmacological orelectrical induction of seizures reduced the severity of subsequentseizures (Young et al., 1999; Auvergne et al., 2002). In a geneticmouse model of epilepsy, enriched housing starting at birthtotally suppressed seizures (Manno et al., 2011).

In the present work, we examined whether an EE protocoltaking place between 3 and 5.5 months of age, that has provenlong-lasting effect on memory function in Tg2576 mice, couldreduce network hypersynchrony in these mice. To addressthis question, we performed in vivo EEG recordings to detectinterictal spikes and assessed seizure susceptibility to a GABAreceptor antagonist in Tg2576 females and their NTg littermateshoused under standard or enriched conditions.

Materials and Methods

Ethics StatementAs previously described (Bezzina et al., 2015), all experimentswere performed in strict accordance with the policies ofthe European Union (86/609/EEC), the French NationalCommittee of Ethics (87/848), and the local committee’srecommendations (C 31-555-11, Direction départementale de laprotection des populations) for the care and use of laboratoryanimals. Animal facility of the Centre de Recherches sur la

Frontiers in Aging Neuroscience | www.frontiersin.org 2 September 2015 | Volume 7 | Article 178

Bezzina et al. Epilepsy in enriched Tg2576 mice

Cognition Animale (CRCA) is fully accredited by the FrenchDirection of Veterinary Services (C 31-555-11, February 9,2011) and animal surgery and experimentation conductedin this study were authorized by the French Direction ofVeterinary Services (#31-11555521, 2002). All efforts weremade to improve the mice welfare and minimize theirsuffering.

Mouse LineAs described in Bezzina et al. (2015), experiments wereperformed on female mice from our in-house colony of thetransgenic line Tg2576 (Hsiao et al., 1995, 1996). Tg2576 miceoverexpress a double mutant form of human APP695 (Lys670-Asn, Met671-Leu [K670N, M671L]), driven by a hamster prionprotein promoter. Tg2576 males were bred with C57B6/SJL F1females (Charles River, L’Arbresle, France) and the offspring wasgenotyped for the hAPP transgene using DNA obtained frompost-weaning tail biopsies. Polymerase chain reaction productswere analyzed to confirm the presence of hAPP DNA sequencein offspring. Mice weremaintained on a 12 h light/12 h dark cyclewith free access to food and water.

Environmental EnrichmentAt 3 months of age, Tg2576 and NTg mice were arbitrarydivided in two groups. One group (SH) was housed in standardlaboratory cages, by lots of 2–5 mice, until the age of 6 months(Figure 1A, left). The other group was housed in an enrichedenvironment (EE; Figure 1A, right), as previously described(Verret et al., 2013) until mice reached the age of 5.5 months afterwhich they were returned to their standard cages until the age of6 months (Figure 1B). Whatever the housing conditions, mice

were given ad libitum access to food and water. As previouslydescribed (Verret et al., 2013), EE was composed of a large box(150 × 80 × 80 cm) containing various objects of different size,shape, color and material (wood, plastic, glass, metal), excludingrunning wheels. The configuration of the objects was modifiedand new objects were introduced every other day in order tostimulate mice exploratory behavior. Mice were exposed to theenriched environment by groups of 7–12 individuals (Figure 1A,right).

Implantation of EEG ElectrodesTg2576mice andNTg littermates were implanted with electrodesfor EEG recordings at the age of 2.5 months (Figure 1B; NTg EE:n = 10, Tg2576 EE: n = 11, NTg SH: n = 13, Tg2576 SH: n = 11) aspreviously described in details (Bezzina et al., 2015).

EEG RecordingsMice performed EEG recordings at three time-points: 3, 5.5 and6 months of age, i.e., respectively 1–5 days before, immediatelyafter, or 2 weeks after the EE period (Figure 1B). Mice werehabituated to the recording system 1–5 days before the firstrecording session (at 3 months of age). Each recording sessionlasted 24 h. Protocols and device used for habituation andEEG recordings were the same as previously detailed (Bezzinaet al., 2015). EEG and EMG signals were amplified and band-pass filtered (for EEG: 0.3–1 KHz; for EMG: 3 Hz-20 kHz)using a AM system 3500 amplifier (A-M system, Sequim,WA, USA) and sampled at 200 Hz (Power 1401 mk-II, CED,Cambridge, UK). EEG recordings were analyzed using Spike 2 V7software.

FIGURE 1 | Housing conditions and experimental plan. (A) Photographs illustrating a standard laboratory cage (left; standard housing, SH) and an enrichedenvironment (EE; right). (B) Experimental timeline depicting the mouse groups, housing conditions, enrichment period and experimental schedule. Abbreviations: SH,Standard Housing; EE, Environmental Enrichment; EEG, Electroencephalography; PTZ, Pentylenetetrazole; NTg, non-transgenic.

Frontiers in Aging Neuroscience | www.frontiersin.org 3 September 2015 | Volume 7 | Article 178

Bezzina et al. Epilepsy in enriched Tg2576 mice

Detection of Epileptiform Activity on EEG TracesInterical spikes were visually detected on EEG traces based onmetrical, morphological and temporal criteria (Bezzina et al.,2015). The number of interictal spikes per minute was quantifiedover the 24 h of recordings. One mouse died between 3 and5.5 months and was removed from the analysis for all ages(Tg2576 SH: n = 1) and we excluded another animal becauseof movements artifacts on EEG traces (NTg SH: n = 1).Statistical analysis of the frequency of interictal spikes (numberof spikes/minute) was performed using a two-way ANOVAfor repeated measures, followed by a Bonferroni post hoctest.

PTZ InjectionSeizure susceptibility was evaluated by behavioral scoring of theseverity of seizures induced by the injection of a GABAa receptorantagonist: pentylenetetrazole (PTZ, Sigma Aldrich, St Louis,MO, USA). Mice were administered with a single i.p. injectionof PTZ at 40 mg/kg (NTg EE: n = 23, Tg2576 EE: n = 23,NTg SH: n = 29, Tg2576 SH: n = 24). Two mice were excludedfrom the analysis because they received a lower PTZ dose byaccident (Tg2576 EE: n = 1, NTg EE: n = 1). After drug injection,each mouse was placed in a new cage and its behavior wasvideotaped for 20 min. Mice were sacrificed immediately after tolimit suffering.

Seizure Severity ScoringAs previously explained (Bezzina et al., 2015), the maximalseizure severity reached along the 20 min session was scoredusing an ordinal behavioral scale (Palop et al., 2007; Bezzinaet al., 2015) as follows: ‘‘0 = normal exploratory behavior,1 = immobility, 2 = generalized spasm, tremble, or twitch, 3 = tailextension, 4 = forelimb clonus, 5 = generalized clonic activity,6 = bouncing or running seizures, 7 = full tonic extension,8 = death’’. Severity scores were validated by two independentobservers blind to the experimental conditions and comparedamong all groups using Kruskal-Wallis test, followed by Dunn’spost hoc tests for side by side comparisons.

Statistical AnalysisAll statistical analysis was performed using the Prism 5 software(GraphPad Software Inc., La Jolla, CA, USA).

Results

Environmental Enrichment does not AffectEpileptiform Activity in Tg2576 MiceTomeasure the acute and durable effect of EE on the epileptiformactivity in Tg2576 mice, we performed three EEG recordingsessions of 24 h each on Tg2576 mice and their NTg littermates.For each mouse, these recordings took place: (i) 1–5 daysbefore EE (at the age of 3 months); (ii) immediately afterEE (at the age of 5.5 months); and (iii) 2 weeks after EE(at the age of 6 months; Figure 1B). As previously described(Bezzina et al., 2015), we did not observe any spike in NTgmice whatever their age or housing conditions. In Tg2576

mice, we recorded three seizures over the 22 animals. Oneseizure was recorded at 3 months of age in a Tg2576 mouse(Figure 2A) that died 2 weeks after. This Tg2576 mouse washoused in standard conditions. The two other seizures wereboth recorded in one Tg2576 mouse housed under standardconditions. One seizure occurred during the recording sessionat 5.5 months of age, the other one during the recordingsession that took place 2 weeks after. All Tg2576 mice exhibitedinterictal spikes (Figure 2B) which frequency did not varyacross recording sessions nor housing conditions (Figure 2C;two-way ANOVA for repeated measures; age effect: p = 0.99;housing effect: p = 0.73; interaction: p = 0.43). Environmentalenrichment did not modify EEG oscillations either. Indeed,for both genotypes, power spectra calculated from 1–100 Hzfor each vigilance state showed no difference between housingconditions at any frequency (two-way ANOVA, p > 0.86 forthe effect of housing conditions and for the interaction betweenfrequency and housing conditions). These results reveal thatEE at early age does not affect epileptiform activity in Tg2576mice.

Environmental Enrichment has no Lasting Effecton the Susceptibility to Pharmacologically-Induced Seizures in Tg2576 MiceOur aim was to determine whether EE has an effect onseizure susceptibility in Tg2576 mice. After the completion ofEE, one or 2 days after the last EEG recording, we assessedseizure susceptibility to the GABAA receptor antagonist PTZin NTg and Tg2576 mice housed in standard or enrichedconditions. Tg2576 females exhibited more severe seizures thanNTg females (Figure 3; Kruskal-Wallis: p = 0.0012, Dunn’spost hoc tests: p < 0.05 for NTg EE vs Tg2576 EE and forNTg SH vs Tg2576 SH). However, our data indicate thatseizure severity did not differ between Tg2576 mice housedunder standard and enriched conditions (Dunn’s post hoc test:p > 0.05 for Tg2576 SH vs Tg2576 EE). In summary, EE doesnot durably modify seizure susceptibility to PTZ in Tg2576females.

Discussion

Our work shows that EE performed between 3 and 5.5 monthsof age does not acutely affect EEG interictal spikes in the Tg2576mouse model of AD. We also show that, 2 weeks after this EEprotocol, Tg2576 mice exhibit a susceptibility to PTZ-inducedseizures and a frequency of EEG interictal spikes that were similarto those observed in animals housed in standard conditions.Altogether, these observations show that the prevention ofmemory impairments by EE in Tg2576 mice is not due to areduction of neuronal network hypersynchrony at early ages.

In a previous work, we described hypersynchronous networkactivity in Tg2576 mice at 6 months of age, in males (Bezzinaet al., 2015). Spikes were virtually absent in both males andfemales NTg mice. In 6 month-old NTg mice housed in standardconditions, PTZ-induced seizures reported here in NTg femaleswere significantly more severe than those previously reported inNTg males (1st quartile/ median/3rd quartile for females: 2/3.5/5

Frontiers in Aging Neuroscience | www.frontiersin.org 4 September 2015 | Volume 7 | Article 178

Bezzina et al. Epilepsy in enriched Tg2576 mice

FIGURE 2 | Environmental enrichment does not influence interictal spike frequency in Tg2576 females. (A) Representative electroencephalographic (EEG)trace of a seizure recorded in a Tg2576 mouse (3 months of age) housed under standard conditions. It is characterized by a high amplitude and high frequencyoscillation lasting several seconds, followed by regular low-amplitude oscillation. (B) Representative EEG traces of 6 month-old non-transgenic (NTg; top) andtransgenic (bottom) mice housed under standard (SH) and enriched conditions (EE). Note that only Tg2576 mice display frequent interictal spikes (sharp,high-amplitude events indicated by arrow heads). (C) Quantitative analysis of the frequency of interictal spikes (mean ± SEM) in Tg2576 mice housed in standardlaboratory cages (SH, n = 10) or in enriched environment (EE, n = 11), before (at 3 months), immediately after (5.5 months) and 2 weeks after the EE period (6months). NTg mice are not represented since they do not display any spike whatever the housing conditions or age. A two-way ANOVA for repeated measuresshows no effect of recording time (p = 0.99), no effect of housing conditions (p = 0.73) and no interaction (p = 0.43).

and males: 1/2/3.125, Mann and Whitney test p = 0.0138). In6 month-old Tg2576 mice housed in standard conditions, PTZ-induced seizures and the frequency of interictal spikes were notsignificantly different between Tg2576 males and females (Mannand Whitney males vs females: PTZ severity score: p = 0.77,spike frequency: p = 0.7693). The female higher sensitivity toPTZ that we observed in NTg mice could be related to thefluctuations of GABAA receptors composition along the oestruscycle and the associated seizure susceptibility (Wu et al., 2013).This gender difference in PTZ sensitivity may be more obviousin NTg than in Tg2576 mice because of a ceiling effect inTg2576 mice due to the ordinal nature of the severity scale. Insummary, we observed a network hypersynchrony in Tg2576

female mice which was very similar to what we previouslyreported in males.

Our data reveal that there is no effect of EE on epileptiformactivity in Tg2576 mice, immediately after the EE. Nevertheless,we could not exclude that EE acutely affects other parameterssuch as the frequency of seizures or their duration. However, ifEE had a robust effect on network hypersynchrony, one wouldexpect that it would have impacted the frequency of interictalspikes, which is not the case in our study.

Twoweeks after EE, both the severity of PTZ-induced seizuresand the frequency of interictal spikes were comparable betweenenriched and standard-housed Tg2576 mice. Thus, there is nonoticeable lasting effect of EE on network hypersynchrony of

Frontiers in Aging Neuroscience | www.frontiersin.org 5 September 2015 | Volume 7 | Article 178

Bezzina et al. Epilepsy in enriched Tg2576 mice

FIGURE 3 | Environmental enrichment does not modify thesusceptibility to PTZ-induced seizures in Tg2576 females. Seizureseverity score of 6 month-old Tg2576 and non-transgenic (NTg) females,housed under standard (SH) or enriched conditions (EE). Whiskers boxesrepresent the interquartile distribution. Kruskal-Wallis test reveals a significantglobal effect (p = 0.0012). ns: p = 0.05; ∗p < 0.05 for Dunn’s post hoc tests.

Tg2576 mice. These results confirmed our previous data showingthat neuropeptide Y ectopic expression in mossy fibers, a markerof chronic seizures, was present in standard-housed 13 month-old Tg2576 mice even if those mice had previously been housedin enriched environment at 3 months of age (Verret et al.,2013). Studies in rodent models of epilepsy have already assessedthe effect of EE on their epileptic phenotype. Rats housedin enriched environment before undergoing an epileptogenicprocess induced by kainate injections or electrical stimulationsdeveloped fewer seizures than standard-housed rats (Young et al.,1999; Auvergne et al., 2002). Conversely, rats that receivedlithium/pilocarpine injections to trigger epileptogenesis before1-month exposure to EE, showed similar spike rates than ratshoused in standard conditions (Rutten et al., 2002). Moreover,EE carried at very early age (from P21 to P51) in Bassoon mutantmice, which developed seizures before P14, did not suppressseizures (Morelli et al., 2014). Thus, it seems that EE needs tooccur before the induction of epileptogenesis in order to preventit. In Tg2576 mice, hypersynchronous network activity is alreadyobserved at 1.5 months of age (Bezzina et al., 2015), i.e., priorthe onset of EE in our study (3 months of age). Thus, the EEperformed in our study might occur too late to prevent networkhypersynchrony in Tg2576 mice.

Interestingly, the same EE protocol can produce differenteffects according to the origin of the epileptic phenotype.Schridde and Van Luijtelaar (2004) showed that the sameprotocol of EE increased or had no effect on the number ofepileptic discharges in two strains of epileptic rats WAG/Rijand ACI, possibly because these two kinds of epilepsy relied ondifferent physiopathological mechanisms. It is thus plausible thatnetwork hypersynchrony in Tg2576 mice is not suppressed byEE as in the aforementioned rodent models of epilepsy (Young

et al., 1999; Auvergne et al., 2002; Manno et al., 2011) because theneurobiological basis of hypersynchronous network activity aredifferent in AD and epilepsy models.

In the study by Verret et al. (2013), the same EE protocolperformed between 3 and 5.5 months of age preventedmemory impairments of 13 month-old Tg2576 mice whereasstandard-housed Tg2576 mice showed clear memory deficits.In the spatial Morris Water Maze test, the Tg2576 micepreviously enriched at 3 months of age swam preferentiallyin the target quadrant, similarly to NTg mice (Verret et al.,2013). Our work thus reveals that the beneficial long-lastingeffect of an early EE on memory performances of Tg2576mice is not mediated by a suppression of hypersynchronousnetwork activity at early ages in this mouse line. Rutten et al.(2002) reported similar results in rats that were enriched afterexperimenting a status epilepticus. Status epilepticus-inducedmemory impairments were less pronounced in enriched ratsthan in standard-housed rats, while the frequency of interictalspikes was not significantly different between these two groupsof rats (Rutten et al., 2002). We can thus hypothesize thatEE has no influence on dementia pathogenesis but rathertriggers general compensatory mechanisms to maintain memoryperformances in Tg2576 mice. Indeed, EE stimulates differentpathways regulating brain plasticity that contribute to the effectof EE on memory processes in mice. These processes includeincreased neurogenesis, increased levels of neurotrophins orincreased long-term potentiation (for review Nithianantharajahand Hannan, 2006). Gerenu et al. (2013) reported that a transientcognitive stimulation in early life (from 4–6 months of age)improved memory performances of Tg2576 mice at 15 monthsof age. They also reported an increased level of proteins involvedin synaptic plasticity and memory formation such as the PSD95postsynaptic scaffold protein, the NR1 NMDA receptor subunitand the immediate early gene Arc (Gerenu et al., 2013). Whetheran increase of such proteins is responsible for the long-lastingmemory improvement provided to Tg2576 mice by EE remainsto be investigated.

Conclusion

Environmental enrichment performed between 3 and 5.5monthsof age in Tg2576 mice does not have any detectable effecton the mice seizure susceptibility to PTZ nor on interictalspike frequency. The long-lasting effect of EE on memoryperformances of Tg2576 mice is thus not mediated by asuppression of hypersynchronous network activity at early agesin this mouse line. Such early-life EE might exert its capacity toimprove memory by interfering with other processes involved inmemory dysfunction or by triggering compensatory mechanismssuch as enhanced plasticity.

Author Contributions

Conceived and designed the experiments: CB, LV, LD, CR.Acquired data: CB, HH, LD. Analyzed and interpreted the data:CB, LV, LD, CR. Wrote the manuscript: CB, LV, LD, CR.

Frontiers in Aging Neuroscience | www.frontiersin.org 6 September 2015 | Volume 7 | Article 178

Bezzina et al. Epilepsy in enriched Tg2576 mice

Funding

ANR-10-05-MALZ: CR, LD; Agence Régionale deSanté, France: CB, Subvention de recherche Fyssen2013: LV.

Acknowledgments

We thank A. Krezymon, C. Juan and E. DiDonato for theirhelp and technical support. We also thank the ABC facility andANEXPLO Toulouse for housing mice.

References

Amatniek, J. C., Hauser, W. A., Delcastillo-Castaneda, C., Jacobs, D. M., Marder,K., Bell, K., et al. (2006). Incidence and predictors of seizures in patientswith Alzheimer’s disease. Epilepsia. 47, 867–872. doi: 10.1111/j.1528-1167.2006.00554.x

Auvergne, R., Leré, C., El Bahh, B., Arthaud, S., Lespinet, V., Rougier, A., et al.(2002). Delayed kindling epileptogenesis and increased neurogenesis in adultrats housed in an enriched environment. Brain Res. 954, 277–285. doi: 10.1016/S0006-8993(02)03355-3

Bakker, A., Krauss, G. L., Albert, M. S., Speck, C. L., Jones, L. R., Stark, C. E.,et al. (2012). Reduction of hippocampal hyperactivity improves cognition inamnestic mild cognitive impairment. Neuron. 74, 467–474. doi: 10.1016/j.neuron.2012.03.023

Berardi, N., Braschi, C., Capsoni, S., Cattaneo, A., and Maffei, L. (2007).Environmental enrichment delays the onset of memory deficits andreduces neuropathological hallmarks in a mouse model of Alzheimer-likeneurodegeneration. J. Alzheimers. Dis. 11, 359–370.

Bezzina, C., Verret, L., Juan, C., Remaud, J., Halley, H., Rampon, C., et al. (2015).Early onset of hypersynchronous network activity and expression of a markerof chronic seizures in the Tg2576 mouse model of Alzheimer’s disease. PLoSOne. 10:e0119910. doi: 10.1371/journal.pone.0119910

Born, H. A., Kim, J. Y., Savjani, R. R., Das, P., Dabaghian, Y. A., Guo, Q., et al.(2014). Genetic Suppression of Transgenic APP Rescues HypersynchronousNetwork Activity in a Mouse Model of Alzeimer’s Disease. J. Neurosci. 34,3826–3840. doi: 10.1523/JNEUROSCI.5171-13.2014

Costa, D. A., Cracchiolo, J. R., Bachstetter, A. D., Hughes, T. F., Bales, K. R., Paul,S. M., et al. (2007). Enrichment improves cognition in AD mice by amyloid-related and unrelated mechanisms. Neurobiol Aging. 28, 831–844. doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2006.04.009

Cracchiolo, J. R., Mori, T., Nazian, S. J., Tan, J., Potter, H., and Arendash, G. W.(2007). Enhanced cognitive activity--over and above social or physical activity--is required to protect Alzheimer’s mice against cognitive impairment, reduceAbeta deposition and increase synaptic immunoreactivity. Neurobiol. Learn.Mem. 88, 277–294. doi: 10.1016/j.nlm.2007.07.007

D’Amelio, M., Cavallucci, V., Middei, S., Marchetti, C., Pacioni, S., Ferri, A., et al.(2011). Caspase-3 triggers early synaptic dysfunction in a mouse model ofAlzheimer’s disease. Nat Neurosci. 14, 69–76. doi: 10.1038/nn.2709

Dong, S., Li, C., Wu, P., Tsien, J. Z., and Hu, Y. (2007). Environment enrichmentrescues the neurodegenerative phenotypes in presenilins-deficient mice. Eur. J.Neurosci. 26, 101–112. doi: 10.1111/j.1460-9568.2007.05641.x

Duffy, A. M., Morales-Corraliza, J., Bermudez-Hernandez, K. M., Schaner, M. J.,Magagna-Poveda, A., Mathews, P. M., et al. (2015). Entorhinal cortical defectsin Tg2576 mice are present as early as 2-4 months of age. Neurobiol. Aging. 36,134–148. doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2014.07.001

Fares, R. P., Belmeguenai, A., Sanchez, P. E., Kouchi, H. Y., Bodennec, J., Morales,A., et al. (2013). Standardized environmental enrichment supports enhancedbrain plasticity in healthy rats and prevents cognitive impairment in epilepticrats. PLoS One. 8:e53888. doi: 10.1371/journal.pone.0053888

Frick, K. M., and Fernandez, S. M. (2003). Enrichment enhances spatial memoryand increases synaptophysin levels in aged female mice. Neurobiol. Aging. 24,615–626. doi: 10.1016/s0197-4580(02)00138-0

Gerenu, G., Dobarro, M., Ramirez, M. J., and Gil-Bea, F. J. (2013). Early cognitivestimulation compensates for memory and pathological changes in Tg2576mice. Biochim. Biophys. Acta. 1832, 837–847. doi: 10.1016/j.bbadis.2013.02.018

Hsiao, K., Chapman, P., Nilsen, S., Eckman, C., Harigaya, Y., Younkin, S.,et al. (1996). Correlative memory deficits, Abeta elevation and amyloidplaques in transgenic mice. Science. 274, 99–102. doi: 10.1126/science.274.5284.99

Hsiao, K. K., Borchelt, D. R., Olson, K., Johannsdottir, R., Kitt, C., Yunis, W., et al.(1995). Age-related CNS disorder and early death in transgenic FVB/N miceoverexpressing Alzheimer amyloid precursor proteins. Neuron. 15, 1203–1218.doi: 10.1016/0896-6273(95)90107-8

Ittner, A. A., Gladbach, A., Bertz, J., Suh, L. S., and Ittner, L. M.(2014). p38 MAP kinase-mediated NMDA receptor-dependent suppressionof hippocampal hypersynchronicity in a mouse model of Alzheimer’sdisease. Acta. Neuropathol. Commun. 2:149. doi: 10.1186/s40478-014-0149-z

Jacobsen, J. S., Wu, C. C., Redwine, J. M., Comery, T. A., Arias, R., Bowlby, M.,et al. (2006). Early-onset behavioral and synaptic deficits in a mouse modelof Alzheimer’s disease. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 103, 5161–5166. doi: 10.1073/pnas.0600948103

Jankowsky, J. L., Melnikova, T., Fadale, D. J., Xu, G. M., Slunt, H. H., Gonzales,V., et al. (2005). Environmental enrichment mitigates cognitive deficits ina mouse model of Alzheimer’s disease. J. Neurosci. 25, 5217–5224. doi: 10.1523/JNEUROSCI.5080-04.2005

Kawarabayashi, T., Younkin, L. H., Saido, T. C., Shoji, M., Ashe, K. H., andYounkin, S. G. (2001). Age-dependent changes in brain, CSF and plasmaamyloid (beta) protein in the Tg2576 transgenic mouse model of Alzheimer’sdisease. J. Neurosci. 21, 372–381.

Korbey, S. M., Heinrichs, S. C., and Leussis, M. P. (2008). Seizure susceptibilityand locus ceruleus activation are reduced following environmental enrichmentin an animal model of epilepsy. Epilepsy Behav. 12, 30–38. doi: 10.1016/j.yebeh.2007.09.013

Manno, I., Macchi, F., Caleo, M., and Bozzi, Y. (2011). Environmental enrichmentreduces spontaneous seizures in the Q54 transgenic mouse model of temporallobe epilepsy. Epilepsia. 52, e113–e117. doi: 10.1111/j.1528-1167.2011.03166.x

Minkeviciene, R., Rheims, S., Dobszay, M. B., Zilberter, M., Hartikainen, J., Fulop,L., et al. (2009). Amyloid beta-induced neuronal hyperexcitability triggersprogressive epilepsy. J. Neurosci. 29, 3453–3462. doi: 10.1523/JNEUROSCI.5215-08.2009

Morelli, E., Ghiglieri, V., Pendolino, V., Bagetta, V., Pignataro, A., Fejtova, A.,et al. (2014). Environmental enrichment restores CA1 hippocampal LTP andreduces severity of seizures in epileptic mice. Exp. Neurol. 261, 320–327. doi: 10.1016/j.expneurol.2014.05.010

Nithianantharajah, J., and Hannan, A. J. (2006). Enriched environments,experience-dependent plasticity and disorders of the nervous system. Nat. Rev.Neurosci. 7, 697–709. doi: 10.1038/nrn1970

Palop, J. J., Chin, J., Roberson, E. D., Wang, J., Thwin, M. T., Bien-Ly, N., et al.(2007). Aberrant excitatory neuronal activity and compensatory remodelingof inhibitory hippocampal circuits in mouse models of Alzheimer’s disease.Neuron. 55, 697–711. doi: 10.1016/j.neuron.2007.07.025

Rampon, C., Tang, Y. P., Goodhouse, J., Shimizu, E., Kyin, M., and Tsien, J. Z.(2000). Enrichment induces structural changes and recovery from nonspatialmemory deficits in CA1 NMDAR1-knockout mice. Nat. Neurosci. 3, 238–244.doi: 10.1038/72945

Rutten, A., Van Albada, M., Silveira, D. C., Cha, B. H., Liu, X., Hu, Y. N., et al.(2002). Memory impairment following status epilepticus in immature rats:time-course and environmental effects. Eur. J. Neurosci. 16, 501–513. doi: 10.1046/j.1460-9568.2002.02103.x

Sanchez, P. E., Zhu, L., Verret, L., Vossel, K. A., Orr, A. G., Cirrito, J. R., et al.(2012). Levetiracetam suppresses neuronal network dysfunction and reversessynaptic and cognitive deficits in an Alzheimer’s disease model. Proc. Natl.Acad. Sci. U S A 109, E2895–E2903. doi: 10.1073/pnas.1121081109

Scarmeas, N., Levy, G., Tang, M. X., Manly, J., and Stern, Y. (2001). Influenceof leisure activity on the incidence of Alzheimer’s disease. Neurology. 57,2236–2242. doi: 10.1212/wnl.57.12.2236

Frontiers in Aging Neuroscience | www.frontiersin.org 7 September 2015 | Volume 7 | Article 178

Bezzina et al. Epilepsy in enriched Tg2576 mice

Schridde, U., and Van Luijtelaar, G. (2004). The influence of strain and housing ontwo types of spike-wave discharges in rats. Genes. Brain. Behav. 3, 1–7. doi: 10.1111/j.1601-1848.2004.00034.x

Stern, Y., Gurland, B., Tatemichi, T. K., Tang, M. X., Wilder, D., and Mayeux, R.(1994). Influence of education and occupation on the incidence of Alzheimer’sdisease. JAMA. 271, 1004–1010. doi: 10.1001/jama.1994.03510370056032

Sztainberg, Y., and Chen, A. (2010). An environmental enrichment model formice. Nat. Protoc. 5, 1535–1539. doi: 10.1038/nprot.2010.114

Tang, Y. P., Wang, H., Feng, R., Kyin, M., and Tsien, J. Z. (2001). Differentialeffects of enrichment on learning and memory function in NR2B transgenicmice. Neuropharmacology. 41, 779–790. doi: 10.1016/s0028-3908(01)00122-8

Verret, L., Krezymon, A., Halley, H., Trouche, S., Zerwas, M., Lazouret, M., et al.(2013). Transient enriched housing before amyloidosis onset sustains cognitiveimprovement in Tg2576 mice. Neurobiol. Aging. 34, 211–225. doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2012.05.013

Vossel, K. A., Beagle, A. J., Rabinovici, G. D., Shu, H., Lee, S. E., Naasan,G., et al. (2013). Seizures and epileptiform activity in the early stages ofAlzheimer disease. JAMA. Neurol. 70, 1158–1166. doi: 10.1001/jamaneurol.2013.136

Wu, X., Gangisetty, O., Carver, C. M., and Reddy, D. S. (2013). Estrouscycle regulation of extrasynaptic delta-containing GABA(A) receptor-mediatedtonic inhibition and limbic epileptogenesis. J. Pharmacol. Exp. Ther. 346,146–160. doi: 10.1124/jpet.113.203653

Young, D., Lawlor, P. A., Leone, P., Dragunow, M., and During, M. J. (1999).Environmental enrichment inhibits spontaneous apoptosis, prevents seizuresand is neuroprotective. Nat. Med. 5, 448–453. doi: 10.1038/7449

Conflict of Interest Statement: The authors declare that the research wasconducted in the absence of any commercial or financial relationships that couldbe construed as a potential conflict of interest.

Copyright © 2015 Bezzina, Verret, Halley, Dahan and Rampon. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons AttributionLicense (CC BY). The use, distribution and reproduction in other forums ispermitted, provided the original author(s) or licensor are credited and that theoriginal publication in this journal is cited, in accordance with accepted academicpractice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not complywith these terms.

Frontiers in Aging Neuroscience | www.frontiersin.org 8 September 2015 | Volume 7 | Article 178

135

II.3) Résultats complémentaires

Afin de caractériser les effets de l’enrichissement environnemental sur l’occurrence des crises

d’épilepsie chez les souris Tg2576, nous avons recherché si l’EE avait un effet sur l’expression

ectopique du NPY dans les fibres moussues, un marqueur de crises d’épilepsie chronique, chez les

souris NTg et Tg2576.

Nous avons recherché l’expression ectopique du NPY chez les souris femelles NTg et Tg2576 âgées de

6 mois, hébergées en conditions standard (SH) depuis la naissance ou transitoirement placées en

milieu enrichi (EE) entre 3 et 5,5 mois (NTg EE: n= 35, Tg2576 EE: n= 38, NTg SH: n=34, Tg2576 SH: n=

34). Les méthodes d’immunohistochimie et d’analyse des résultats sont identiques à celles utilisées

dans l’article Bezzina et al 2015, présenté dans le Chapitre I et détaillées dans la partie Méthodes de

cette thèse. Elles ne seront donc pas ré-exposées ici. Notons que 20 souris sur 141 ont été exclues

de l’analyse finale (NTg EE: n=4, Tg2576 EE: n=6, NTg SH: n=4, Tg2576 SH: n=6) pour les raisons

suivantes : 8 souris sont mortes avant la fin des expériences (NTg EE: n=2, Tg2576 EE: n=5, Tg2576

SH: n=1) et 12 souris avaient un tissu cérébral de mauvaise qualité ne permettant pas

l’immunohistochimie (NTg EE: n=2, Tg2576 EE: n=1, NTg SH: n=4, Tg2576 SH: n=5). La proportion

d’animaux exprimant le NPY dans les fibres moussues a été comparée entre les souris hébergées en

conditions standards ou enrichies, au sein de chaque groupe génotypique, en utilisant un test de Chi

2 (données catégoriques).

Chez les souris NTg, une proportion non négligeable de souris exprime le NPY dans les fibres

moussues (voir Tableau 4). Cette proportion n’est pas significativement différente entre les souris EE

et SH (voir Tableau 4). Chez les souris Tg2576, la proportion de souris exprimant le NPY dans les

fibres moussues est supérieure à celle des souris NTg, mais cette proportion n’est pas

significativement différente entre les deux génotypes (NTg vs Tg2576 : SH : p=0,43 ; EE : p=0,68) (voir

Tableau 4). De plus, comme chez les souris NTg, la proportion de souris présentant un marquage NPY

dans les fibres moussues ne diffère pas en fonction des conditions d’hébergement (voir Tableau 4).

Génotype SH EE Test de χ² (SH vs EE)

NTg 5/30 (16,6 %) 4/31 (12,9 %) 0,9820 Tg2576 10/28 (35,7 %) 8/32 (25 %) 0,8456

Tableau 4 : Proportion de souris Tg2576 and NTg exprimant le NPY dans les fibres moussues dans

les groupes standard (SH) et enrichi (EE). Les données représentent le nombre d’animaux exprimant le NPY dans les fibres moussues comparé au nombre total d’individus dans chaque groupe.

136

Discussion

Dans ce travail, nous montrons que l’enrichissement environnemental ne semble pas avoir d’effet sur

l’incidence de ce marqueur de crises d’épilepsie chroniques chez les souris NTg et Tg2576 et qu’une

sous-population des souris femelles NTg exprime le NPY dans les fibres moussues.

La présence de NPY dans les fibres moussues d’une sous-population de souris NTg, indépendamment

des conditions d’hébergement, suggère l’occurrence de crises d’épilepsie chez les souris NTg, qui

sont supposées saines. Ce résultat est donc surprenant et une telle expression n’a jamais été

observée chez les souris NTg mâles, présenté dans le Chapitre I des résultats de cette thèse

(femelles: 4/31 vs mâles: 0/18, test de Fisher exact : p<0,0001). La présence de NPY ectopique chez

les souris NTg femelles n’est pas un artéfact d’immunohistochimie, il est donc tentant de penser que

ce marquage reflète bien l’occurrence de crises. Quelles sont les explications envisageables ? On sait

que la quantité de NPY dans les fibres moussues augmente entre 6 et 24h après une injection unique

de PTZ ayant donné lieu à des crises tonico-cloniques chez le rat (score 5 de l’échelle utilisée dans les

articles du chapitre I et II) (413). Même s’il s’agit d’une autre espèce et qu’il est donc difficile de

comparer les doses, les souris NTg de notre étude n’ont pas présenté de crises d’épilepsie plus graves

que des crises tonico-cloniques. Il semble donc peu probable que l’injection de PTZ ait entrainé une

expression de NPY dans les fibres moussues chez les souris NTg femelles, car cette injection avait lieu

20 min avant la perfusion de l’animal. De plus, dans l’étude de Verret qui a mesuré l’intensité de

marquage immunohistochimique du NPY dans les fibres moussues des souris NTg et Tg2576 femelles

de 13 mois (282), 1 souris NTg sur 20 (5%), toutes conditions d’hébergement confondues, a présenté

une intensité de marquage NPY dépassant la moyenne plus 2 fois l’erreur-type. Après vérification au

microscope, cet animal présentait en effet une expression ectopique de NPY. L’étude de Verret et al.

plaide donc en faveur de l’existence d’une mince proportion de souris NTg femelles exprimant le NPY

de façon ectopique. Ainsi, ceci suggère que les souris femelles de fond génétique C57B6/SJL auraient

une susceptibilité accrue aux crises d’épilepsie. La littérature sur les souris de fond génétique

C57B6/SJL ne mentionne pas la présence de crises d’épilepsie spontanée (310). L’influence du genre

sur cette susceptibilité épileptique pourrait avoir une explication hormonale. En effet, 40 % des

femmes épileptiques présentent une exacerbation cyclique de leurs crises d’épilepsie, appelée

épilepsie cataméniale (414). Scharfman a observé, chez la ratte, des variations en fonction du cycle

ovarien de l’expression protéique du BDNF et du NPY dans l’hippocampe (215). Ces protéines sont

respectivement impliquées dans l’augmentation et la diminution de l’excitabilité hippocampique

(415 , 416). De telles variations pourraient expliquer la susceptibilité accrue aux crises d’épilepsie des

femelles pendant les phases du cycle où l’expression de BDNF est haute et celle de NPY basse (215).

137

Chez les souris Tg2576 femelles hébergées en conditions standards, la proportion de souris

exprimant le NPY dans les fibres moussues est supérieure à celle des souris NTg, bien que la

différence ne soit pas significative (Tg2576 SH: 37 % vs NTg SH : 16,6% souris NPY positives). Ces

résultats sont en accord avec l’étude de Verret et al. (2012) montrant une expression du NPY dans les

fibres moussues chez 40 % des souris femelles de 13 mois hébergées en conditions standards (4/10)

(282). De plus, cette proportion est similaire à celle observée chez les mâles Tg2576 (Chapitre I -

Résultats) (femelles: 10/28 (37%) vs mâles: 4/12 (33%), test de Fisher exact NS, p=0,34).

L’enrichissement environnemental n’influence pas l’expression du NPY dans les fibres moussues chez

les souris Tg2576. Nos données peuvent être mises en parallèle avec celles de Verret qui a étudié

l’expression du NPY dans les fibres moussues des souris Tg2576 âgées de 13 mois une à deux

semaines après la sortie d’EE, en utilisant un protocole d’EE identique à celui de notre étude (282).

En contradiction avec nos résultats, aucune de ces souris enrichies n’a présenté d’expression

ectopique du NPY alors que c’était le cas de souris de 13 mois hébergées en conditions standards.

Cependant, on ne peut pas exclure que l’âge des souris au moment de l’enrichissement influence

l’effet de l’EE sur l’expression du NPY. Etant donné la grande variabilité interindividuelle de

l’expression ectopique du NPY chez les souris Tg2576, il est possible qu’aucune expression du NPY

dans les fibres moussues n’ait été observée dans l’étude de Verret et al, (2012) du fait de la taille de

l’échantillon utilisé (6 souris Tg2576). L’enrichissement environnemental entraine une augmentation

des taux extracellulaires de BDNF (384), fortement exprimé dans les cellules granulaires du gyrus

denté (417). Le BDNF augmentant les concentrations extracellulaires de NPY (416 , 418 , 419), il est

possible que l’élévation des taux de BDNF induite par l’EE favorise l’expression du NPY dans les fibres

moussues. Ceci expliquerait au moins le fait que l’enrichissement ne supprime pas l’expression du

NPY dans les fibres moussues.

D’autre part, ces résultats confirment l’absence d’effet de l’enrichissement sur les autres signes

d’hypersynchronie neuronale décrits dans le Chapitre II.1, c'est-à-dire la susceptibilité aux crises

d’épilepsie induites par le PTZ et la fréquence des pointes interictales sur l’EEG. L’effet bénéfique de

de cette période d’EE sur les performances mnésiques des souris Tg2576 âgées de 13 mois n’est donc

certainement pas attribuable à un effet de l’EE sur l’hypersynchronie neuronale.

138

139

Chapitre III : Etude de la répartition des pointes interictales en

fonction des états de vigilance chez les souris mâles Tg2576.

140

141

Chapitre III : Etude de la répartition des pointes interictales en fonction des états de vigilance chez les souris mâles Tg2576.

A l’issue de l’étude présentée au Chapitre I, nous avons décidé d’étendre la durée des

enregistrements EEG à 24 h et enregistré ainsi des souris mâles de 1 mois ½ et de 6 mois, pour

mesurer la fréquence des pointes interictales sur un échantillon plus représentatif. Il s’est avéré que

la distribution des pointes n’était pas homogène sur la durée de l’enregistrement. Elles survenaient

systématiquement pendant les moments où l’activité électromyographique de la souris était

extrêmement basse et accompagnée d’oscillations thêta proéminentes, suggérant l’association des

pointes interictales à l’état de sommeil paradoxal. Nous avons donc décidé de quantifier la

répartition des pointes interictales en fonction des différents états de vigilance.

Nous avons donc analysé des enregistrements EEG d’au moins 18 heures (21,8 ± 4,60 h) de souris

mâles Tg2576 et non transgéniques (NTg) âgées de 1 mois ½ et de 6 mois (NTg 1 mois ½ : n=10;

Tg2576 1 mois ½ : n=10; NTg 6 mois : n=7, Tg2576 6 mois : n=7). En effet, la durée des

enregistrements était inférieure à 24h pour 9 souris à cause de problèmes informatiques (NTg 1 m ½

: n=1 ; Tg2576 1 m ½: n=0 ; NTg 6 m : n=4; Tg2576 6 m : n=4). Pour chacun des groupes

expérimentaux, nous avons déterminé l’état de vigilance par tranches de 5 secondes (éveil, sommeil

lent (SL) et sommeil paradoxal (SP)) sur l’ensemble de l’enregistrement EEG. Nous en avons profité

pour vérifier si l’architecture du cycle-veille sommeil était altérée chez les souris Tg2576 en

déterminant la durée totale de chacun des états de vigilance et la durée moyenne des épisodes qui

les composent, chez les souris NTg et Tg2576. Puis nous avons attribué chaque pointe à un état de

vigilance, calculé le nombre total de pointes interictales par état et déduit leur fréquence (en pointes

par min) à partir de la durée totale de chaque état. Pour un descriptif plus détaillé des méthodes, se

référer à la partie METHODES de ce manuscrit.

III.1) Analyse quantitative des états de vigilance

La durée totale des différents états de vigilance n’est pas différente entre les deux génotypes (Figure

30A, ANOVA à deux facteurs, effet du génotype : éveil p=0,22 ; SL p=0,2 ; SP p=0,63). Les souris des

deux génotypes passent la majorité de leur temps en éveil (55,9 ± 6,3% du temps de

l’enregistrement). Le sommeil est surtout composé de sommeil lent (35,3 ± 5,3% du temps de

l’enregistrement) et les souris passent moins de 10 % de leur journée en sommeil paradoxal (8,8 ±

2,1%). De plus, la durée totale des états de vigilance ne varie pas avec l’âge chez les souris NTg et

Tg2576 sauf en sommeil lent (Figure 30A, ANOVA à deux facteurs, éveil p=0,10 ; SL p=0,044 ; SP

142

p=0,78), dont la durée augmente chez les souris des deux génotypes à l’âge de 6 mois par rapport à 1

mois ½ (interaction : p=0,7237). Bien que statistiquement significative, cette augmentation de la

durée du sommeil lent avec l’âge est minime (moyenne ± erreur type de la moyenne : 1 m ½ : 34,01 ±

1,17 % ; 6 m : 37,63 ± 1,18 %). La durée moyenne des épisodes de chaque état de vigilance ne varie

pas en fonction du génotype ni de l’âge des souris (Figure 30B, ANOVA à deux facteurs, effet du

génotype : éveil p= 0,5318; SL p= 0,6477; SP p= 0,2201; effet de l’âge : éveil p= 0,1605; SL p= 0,4116;

SP p= 0,3603). Donc l’architecture du cycle veille-sommeil est préservée chez les souris Tg2576 par

rapport aux souris non transgéniques aux âges de 1 mois ½ et de 6 mois.

Figure 30. Analyse quantitative des états du cycle veille-sommeil chez les souris Tg2576 et NTg Représentation de la durée totale en pourcentage de la durée totale d’enregistrement (A) et de la durée moyenne des épisodes en secondes (B) (moyenne ± erreur type de la moyenne) de l’éveil, du sommeil lent et du sommeil paradoxal chez les souris NTg (barres vides) et Tg2576 (barres pleines) âgées de 1 mois ½ (bleu) et de 6 mois (rouge). Il n’y a pas de différence en termes de durée totale (A) et de durée moyenne des épisodes (B) pour chaque état du cycle veille-sommeil entre les deux génotypes aux deux âges considérés. Les effectifs de chaque groupe sont indiqués dans les barres.

143

III.2) Répartition des pointes interictales entre les différents états de

vigilance

Les souris NTg n’ont jamais présenté de pointes interictales quels que soient leur âge et l’état de

vigilance considéré. Nous avons observé des pointes interictales dans tous les états de vigilance chez

les souris Tg2576, quel que soit leur âge, sauf chez les souris Tg2576 de 6 mois en éveil.

Il existe une différence significative du nombre total et de la fréquence des pointes entre les groupes

d’âges et les états de vigilance confondus (test de Kruskal-Wallis : nombre : p= 0,0006 ; fréquence :

p<0,0001). Ces différences ne sont pas dues à l’âge des souris (test post hoc de Dunn, nombre et

fréquence des pointes : p>0,05 pour 1 mois ½ vs 6 mois pour tous les états de vigilance) mais

dépendent de l’état de vigilance (test de Friedman pour les souris de 1 mois ½ et 6 mois regroupées,

nombre et fréquence des pointes : p<0,0001). Nous avons utilisé des tests de Wilcoxon sur valeurs

appariées suivis d’une correction de Bonferroni pour comparer le nombre et la fréquence des pointes

entre les états de vigilance. Tous âges confondus, le nombre total et la fréquence des pointes en

sommeil lent et en sommeil paradoxal sont significativement supérieurs à ceux de l’éveil (Figure 31A

et B : éveil vs SP : p<0,0003, éveil vs SL : p=0,0015). Alors que le nombre de pointes ne diffère pas

significativement entre sommeil lent et sommeil paradoxal (Figure 31A), la fréquence des pointes

est, elle, significativement plus élevée en sommeil paradoxal qu’en sommeil lent (Figure 31B, SP vs

SL : p=0,0018).

En résumé, les pointes interictales surviennent préférentiellement pendant le sommeil et leur

fréquence culmine en sommeil paradoxal chez les souris Tg2576 aux âges de 1 mois ½ et 6 mois.

144

Figure 31. Nombre et fréquence des pointes interictales pendant les différents états de vigilance chez les souris Tg2576. (A) Tracés EEG représentatifs de la densité des pointes interictales en sommeil lent (haut) et en sommeil paradoxal (bas) et les tracés EMG associés, échelle EMG: 2mV/0,5s, EEG: 1mV/0,5s. Nombre total de pointes (B) et fréquence des pointes (pointes / min) (C) (moyenne ± erreur type de la moyenne) en éveil, sommeil lent et sommeil paradoxal pour les souris Tg2576 âgées de 1 mois ½ (n=10, barres bleues) et de 6 mois (n=7, barres rouges). ** p<0,01 ; ***p<0,001; ns : non significatif pour les tests post hoc de Dunn (entre les groupes d’âges) et les tests de Wilcoxon sur valeurs appariées suivis d’une correction de Bonferroni (entre les états de vigilance).

145

III.3) Discussion

Dans cette étude, nous avons montré que l’architecture du cycle veille-sommeil est préservée chez

les souris Tg2576 par rapport aux souris NTg, aux âges de 1 mois ½ et 6 mois. Chez les souris Tg2576,

les pointes interictales surviennent presque toutes pendant le sommeil avec une fréquence qui

culmine en sommeil paradoxal.

La seule étude faisant état de l’architecture du cycle veille-sommeil des souris Tg2576 est celle de

Wisor (167). Dans cette étude de souris Tg2576 âgées de 8 à 17 mois, les durées du sommeil lent et

du sommeil paradoxal ne sont pas modifiées chez les mâles Tg2576 par rapport aux souris NTg,

comme nous le montrons ici à des âges plus jeunes (1 mois ½ et 6 mois) (167). Wisor rapporte aussi

une augmentation de la durée totale du sommeil lent avec l’âge, indépendamment du génotype

(167). Nous décrivons la même augmentation, bien que minime, entre 1 m ½ et 6 mois, suggérant

que l’allongement du sommeil lent débute bien plus tôt que Wisor ne l’avait suspecté. Une

diminution de 30% de la durée totale du sommeil paradoxal a été mise en évidence à l’âge de 6 mois,

chez des souris Tg2576 générées sur un fond génétique différent (B6C3) (260). Il est donc important

de tenir compte du fond génétique pour comparer les données de souris porteuses d’un même

transgène. Le cycle veille-sommeil a été étudié dans d’autres modèles murins de la MA, révélant une

augmentation de la durée totale de l’éveil (259) et une diminution de la durée totale du sommeil lent

et paradoxal (90, 258-260). Il est intéressant de noter que ces altérations ont été observées dans des

modèles murins ayant une pathologie plus agressive, montrant notamment une dégénérescence

neuronale (5xFAD) (258) ou une amyloïdogenèse plus précoce et présentant au moins une mutation

de l’APP et de la PS1 (PLB1 et APPxPS1) (90, 259). Les souris Tg2576 de notre étude (âgées de 6 mois

ou moins) ne montrent pas d’altération quantitative du cycle veille sommeil, qui n’est d’ailleurs pas

observée avant 22 mois (167). La lignée Tg2576 n’est donc pas un bon modèle pour étudier les

troubles du sommeil liés à la MA, en tous cas, aux âges auxquels cette lignée est habituellement

étudiée. De plus, les pointes interictales que nous observons pendant le sommeil chez les souris

Tg2576 ne semblent pas affecter son architecture.

Les pointes interictales surviennent de façon prédominante pendant le sommeil chez les souris

Tg2576, avec une fréquence maximale en sommeil paradoxal, et sont extrêmement rares en éveil.

D’autre part, sur les 3 crises d’épilepsie enregistrées au cours de ma thèse, survenues dans la cohorte

des 22 souris Tg2576 femelles étudiées au Chapitre II, une crise est survenue en sommeil lent et deux

sont apparues en sommeil paradoxal, confirmant cette expression préférentielle de

l’hypersynchronie neuronale pendant le sommeil. Etant donné que nous ne disposons pas

d’enregistrements vidéo couplés à l’EEG, il est possible que certaines périodes d’éveil calme

146

marquées par d’amples oscillations delta aient pu être confondues avec un état de sommeil lent, et

que des pointes d’éveil calme aient été attribuées à tort à l’état de sommeil lent. Cependant, cette

erreur ne représente qu’une partie minime de l’EEG total et n’influence que de façon négligeable les

résultats de la quantification du cycle veille-sommeil et de la répartition des pointes interictales.

Plusieurs études décrivent une relation inverse entre l’apparition de pointes interictales et l’activité

cognitive ou locomotrice dans différents modèles murins de la MA (282 , 283, 308 ). Mais à ce jour,

aucune étude ne s’est intéressée à l’occurrence des pointes en fonction des états de vigilance. Les

pointes ont été observées pendant des périodes de faible ou d’absence d’activité locomotrice chez

les souris APP23 et APP/TTA, (283, 308), ce qui n’exclut pas leur apparition pendant le sommeil. En

revanche, de nombreuses pointes interictales surviennent en éveil chez les souris hAPPJ20 alors

qu’elles sont presque absentes de cet état de vigilance chez les souris Tg2576 de notre étude. Cela

suggère donc que les mécanismes à l’origine de l’hypersynchronie neuronale sont différents dans ces

deux lignées de souris. D’autre part, chez les patients épileptiques, les crises d’épilepsie ou les

pointes interictales apparaissent rarement en sommeil paradoxal (209). En effet, le sommeil

paradoxal est un état de désynchronisation cérébrale, peu favorable à l’émergence d’évènements

d’hypersynchronie neuronale et la déconnection fonctionnelle des régions cérébrales dans cet état

de vigilance limite la propagation des crises d’épilepsie (210). De plus, l’induction d’oscillations thêta

par stimulation électrique du septum arrête les crises d’épilepsie induites par le PTZ chez l’animal

(211). Même si l’hypersynchronie neuronale dans l’épilepsie et la MA relèvent de mécanismes

parfois distincts, le pouvoir synchronisant du sommeil lent ou désynchronisant du sommeil paradoxal

devrait avoir les mêmes effets sur l’hypersynchronie neuronale quelle que soit la pathologie. D’autre

part, la fréquence des pointes interictales est extrêmement différente entre l’éveil et le sommeil

paradoxal, deux états de désynchronisation cérébrale dominés par les oscillations thêta. Le contexte

oscillatoire n’expliquerait donc pas les différences d’hypersynchronie neuronale entre l’éveil et le

sommeil paradoxal qui pourraient donc reposer sur des différences neurophysiologiques existant

entre ces deux états. Notamment, le taux de décharge des neurones noradrénergiques (NA) du locus

coeruleus et celui des neurones sérotoninergiques du raphé dorsal diminuent entre l’éveil et le

sommeil lent pour devenir quasi nul pendant le sommeil paradoxal (174 , 420, 421 , 422), alors

qu’inversement, la fréquence des pointes interictales chez les souris Tg2576 augmente

graduellement entre éveil, sommeil lent et paradoxal. Or, une étude pharmacologique montre que la

noradrénaline retarde l’apparition des crises d’épilepsie induites par le PTZ (423). Il est donc possible

que la diminution voir l’absence de tonus noradrénergique pendant le sommeil puisse jouer un rôle

permissif dans l’apparition de ces pointes. Il serait donc intéressant de tester l’effet d’antagonistes

des différents récepteurs noradrénergiques sur l’occurrence des pointes interictales pendant l’éveil.

147

Sachant que l’hypersynchronie neuronale pourrait contribuer aux troubles mnésiques chez les souris

modèles de la MA, il est plausible que, chez les souris Tg2576, l’occurrence des pointes interictales

pendant le sommeil lent et surtout pendant le sommeil paradoxal affecte les processus mnésiques

qui surviennent pendant ces états. Notamment, on sait que les sharp-waves-ripples apparaissant en

sommeil lent seraient impliqués dans la consolidation de la mémoire spatiale. En effet, si on

interrompt les ripples pendant le sommeil suivant un apprentissage, par stimulation électrique, les

rats vont présenter un déficit mnésique lors de la phase de rappel (155). On peut penser que si les

pointes survenaient pendant les ripples, ces évènements d’hypersynchronie auraient la capacité

d’interrompre l’oscillation et de perturber la consolidation mnésique associée à ces ripples. D’autre

part, le sommeil paradoxal pourrait jouer un rôle dans la consolidation de la mémoire émotionnelle.

Notamment, des rats soumis à une privation spécifique de sommeil paradoxal présentent un déficit

mnésique dans le paradigme de conditionnement de peur au contexte (162). De façon intéressante,

les premiers troubles mnésiques ont été mis en évidence dans ce paradigme précis à l’âge de 3 mois,

chez les souris Tg2576 (91 , 94). Il est donc possible que les pointes interictales survenant en sommeil

paradoxal perturbent la mémoire émotionnelle chez les souris Tg2576.

En conclusion, la forte occurrence des pointes interictales en sommeil paradoxal chez les souris

Tg2576 est assez inattendue, en regard des données obtenues chez les patients épileptiques et de la

désynchronisation cérébrale qui caractérise cet état de vigilance. Il est possible que d’autres

évènements liés à la survenue du sommeil paradoxal, comme la baisse du tonus sérotoninergique,

puissent favoriser l’occurrence des pointes interictales dans cet état de vigilance. De plus, la

répartition des pointes en fonction du cycle veille-sommeil chez les souris modèles de la MA peut

être différente en fonction de la lignée de souris. Il semble donc que l’origine physiopathologique de

l’hypersynchronie neuronale chez les souris Tg2576 soit différente de celle des individus épileptiques

et de celle des autres modèles murins de la MA. Si l’hypersynchronie neuronale contribuait aux

troubles mnésiques dans la MA, les pointes interictales pourraient perturber les processus

mnésiques survenant pendant le sommeil chez les souris Tg2576.

148

149

Chapitre IV : Etude de la puissance des oscillations cérébrales chez

les souris Tg2576 mâles

150

151

Chapitre IV : Etude de la puissance des oscillations cérébrales chez les souris Tg2576 mâles

Suite à l’étude précédente (Chap III), nous avons cherché à expliquer la distribution particulière des

pointes au cours du cycle veille-sommeil chez les souris Tg2576. Les souris hAPPJ20 présentent une

diminution globale de la puissance des oscillations gamma par rapport aux souris non transgéniques.

De façon intéressante, les pointes interictales apparaissent pendant les périodes où l’amplitude des

oscillations gamma est la plus basse et une manipulation génétique restaurant la puissance de ces

oscillations réduit la fréquence des pointes interictales (282). Nous avons fait l’hypothèse qu’en

sommeil paradoxal, une altération de la puissance des oscillations gamma et, en particulier,

immédiatement avant les pointes pouvait expliquer l’occurrence préférentielle des pointes

interictales dans cet état de vigilance.

Pour cela, nous voulions déterminer la puissance des oscillations corticales dans une large bande de

fréquence (entre 0 et 100 Hz) chez les souris NTg et Tg2576 dans les quatre états comportementaux :

éveil calme, éveil actif, sommeil lent et sommeil paradoxal, ainsi qu’immédiatement avant

l’apparition des pointes. Cette étude a été réalisée sur l’ensemble des souris Tg2576 et NTg utilisées

dans le chapitre précédent (III) à l’exception d’une souris Tg2576 de 1 mois ½ qui a été exclue pour

cause d’artefacts nombreux sur le signal EEG (NTg 1 mois ½ : n=10; Tg2576 1 mois ½ : n=9; NTg 6

mois : n=7, Tg2576 6 mois : n=7). Dans un premier temps, nous avons produit les spectres de

puissance dans ces quatre états, sur des périodes ne contenant aucune pointe interictale, et calculé

la somme des puissances absolues dans les bandes de fréquence delta (1-3 Hz), thêta (5-10Hz), bêta

(10-30Hz), gamma lent (30-60 Hz) et gamma rapide (60-100Hz) pour chacun de ces états

comportementaux. Dans un deuxième temps, nous avons réalisé plusieurs spectres de puissance

couvrant les 10 secondes précédant les pointes interictales. Pour un descriptif plus détaillé des

méthodes, se référer à la partie METHODES de ce manuscrit.

IV.1) Spectres de puissance

Pour l’étude des oscillations cérébrales, nous nous sommes intéressés non pas aux états de vigilance

(séparation sommeil – éveil) mais aux états comportementaux qui incluent le sommeil lent et le

sommeil paradoxal et distinguent deux types d’éveil car leurs caractéristiques oscillatoires sont

différentes, en lien avec l’activité locomotrice de la souris. L’éveil calme est caractérisé par

l’immobilité de l’animal (EMG de faible amplitude) et l’éveil actif par une forte activité locomotrice

de l’animal, liée au comportement exploratoire de la souris (EMG de forte amplitude). En effet, les

oscillations cérébrales reflètent un état physiologique (sommeil ou éveil) mais sont également

intimement dépendantes de l’activité cognitive et locomotrice de l’animal.

152

Figure 32. Spectres de puissance des quatre états comportementaux chez les souris NTg et Tg2576 âgées de 1 mois ½ : Représentation du spectre de puissance moyen en éveil calme, éveil actif, sommeil lent et sommeil paradoxal des souris NTg (n= 10, lignes bleues) et Tg2576 (n=9, lignes rouges) de 1 mois ½ pour les basses fréquences (0-30 Hz) (A) et les hautes fréquences (30-100 Hz) (B).

153

Figure 33. Spectres de puissance des quatre états comportementaux chez les souris NTg et Tg2576 âgées de 6 mois. Représentation du spectre de puissance moyen en éveil calme, éveil actif, sommeil lent et sommeil paradoxal des souris NTg (n=7, lignes bleues) et Tg2576 (n=7, lignes rouges) de 6 mois pour les basses fréquences (0-30 Hz) (A) et les hautes fréquences (30-100 Hz) (B).

154

En éveil calme, les souris NTg et Tg2576 présentent un EEG désynchronisé (faible amplitude) dominé

par des oscillations delta (1-3 Hz). Lorsque l’animal passe en éveil actif, les oscillations thêta (5-10 Hz)

vont prédominer et la puissance des oscillations gamma lentes (30-60 Hz) va augmenter. Lorsque

l’animal est en sommeil lent, l’EEG est synchronisé et dominé par des oscillations delta. Enfin, le

sommeil paradoxal est caractérisé par un pic de puissance en fréquence thêta.

Les spectres de puissances moyennes générés pour les souris mâles âgées de 1 mois ½ et 6 mois sont

présentés respectivement en Figure 32 et 33. Chez les souris Tg2576, nous observons une

augmentation globale de la puissance moyenne des oscillations entre 5 et 100 Hz, pour tous les états

de vigilance. Cette augmentation semble particulièrement marquée pour la bande de fréquence

thêta et gamma lent. D’autre part, la puissance moyenne des oscillations delta en éveil calme et

sommeil lent semble diminuer entre 1 mois ½ et 6 mois, ainsi que la puissance moyenne des

oscillations gamma rapides en éveil actif, chez les souris Tg2576. A l’inverse, la puissance moyenne

des oscillations thêta en sommeil paradoxal parait augmenter entre ces deux âges.

IV.2) Analyse de la puissance par bandes de fréquence en fonction du

génotype et de l’âge

Afin d’étudier l’effet du génotype et de l’âge des souris sur la puissance des oscillations, nous avons

réalisé des ANOVA à deux facteurs (4 états comportementaux et 5 bandes de fréquence : n=20

ANOVAs) et appliqué une correction de Bonferroni d’un facteur 20 au risque α pour prendre en

compte le risque associé à la multiplicité des ANOVAs.

L’ensemble des résultats est présenté à la Figure 34. La puissance des oscillations delta (1–3 Hz) n’est

pas différente entre les deux génotypes quel que soit l’état comportemental. La puissance des

oscillations thêta est significativement augmentée chez les souris Tg2576 par rapport aux souris NTg

en éveil actif et en sommeil paradoxal, et n’est pas affectée par le génotype en éveil calme et

sommeil lent. La puissance des oscillations bêta, gamma lent et rapide est significativement

augmentée chez les souris Tg2576 par rapport aux souris NTg dans tous les états comportementaux

(Figure 34, voir tableau 5 des valeurs de p des ANOVA en Annexe IV.5).

L’âge n’a pas d’effet sur la puissance des oscillations, sauf en éveil actif, où la puissance des

oscillations gamma rapide diminue chez les souris Tg2576 pour atteindre le niveau de puissance des

souris NTg (post hoc de Bonferroni pour les Tg2576 1 mois ½ vs 6 mois : p<0,01) (Figure 34, voir

tableau 5 des valeurs de p des ANOVA en Annexe IV.5).

155

En résumé, les souris Tg2576 présentent une augmentation globale de la puissance des oscillations

entre 5 et 100 Hz (thêta, bêta, gamma) hormis dans la bande thêta en éveil calme et en sommeil lent.

L’âge n’affecte globalement pas la puissance des oscillations. La puissance des oscillations gamma

rapide diminue significativement avec l’âge chez les souris Tg5276 en éveil actif.

156

Figure 34. Puissances cumulées dans les différentes bandes de fréquence pour les quatre états comportementaux chez les souris NTg et Tg2576 âgées de 1 mois ½ et 6 mois. Puissances cumulées (moyenne ± erreur type de la moyenne) pour les souris NTg (barres vides) et Tg2576 (barres pleines) âgées de 1 mois ½ (NTg : n=10, Tg2576, n=9 : bleu) et 6 mois (NTg : n=7, Tg2576, n=7 : rouge). Chaque ligne correspond aux représentations graphiques d’une bande de fréquence (1-3 Hz (delta), 5-10 Hz (thêta), 10-30 Hz (bêta), 30-60 Hz (gamma lent) et 60-100 Hz (gamma rapide)). Chaque colonne correspond aux représentations graphiques d’un état comportemental (éveil actif, éveil calme, sommeil lent et sommeil paradoxal). ** p<0,0005 * p<0,0025, pour l’effet du génotype dans l’ANOVA à deux facteurs (risque α corrigé

157

de la correction de Bonferroni n=20). ** p<0,01 et ns : non significatif pour les tests post-hoc de Bonferroni entre les deux groupes d’âges au sein du même groupe génotypique. Les nombres dans les barres correspondent aux effectifs des groupes expérimentaux.

IV.3) Spectres de puissance avant et après les pointes

Chez les souris hAPPJ20, les pointes interictales apparaissent préférentiellement pendant les

périodes de faible amplitude des oscillations gamma, leur occurrence diminuant fortement lorsque

l’amplitude des oscillations gamma augmente (282). Cette observation a été faite en éveil, condition

dans laquelle l’amplitude des oscillations gamma peut varier significativement entre éveil calme et

actif (exploration). Chez les souris Tg2576, les pointes interictales sont très rares en éveil et

surviennent pendant le sommeil lent et paradoxal, des états qui ne présentent pas d’aussi grandes

variations de l’amplitude des oscillations gamma. Le type d’analyse mené par Verret et al. n’est donc

pas envisageable chez les souris Tg2576. Afin de déterminer si des variations de la puissance

oscillatoire sont associées à l’apparition des pointes interictales, nous avons d’abord sélectionné les

pointes de sommeil lent et de sommeil paradoxal qui n’étaient entourées par aucune autre pointe

dans les 10 secondes précédant et suivant la pointe. Puis, la période de 10 secondes précédant les

pointes a été divisée en 5 et un spectre de puissance a été réalisé sur chacun des fragments d’EEG de

2 secondes, en sommeil lent puis en sommeil paradoxal. Ceci permettait de noter des modifications

spectrales entre les différents fragments EEG de 2 secondes. Nous nous sommes demandé si la

pointe pouvait altérer la puissance des oscillations à court terme et pour cela, nous avons réalisé la

même analyse mais dans les 10 secondes suivant les pointes, et ce pour les deux états de vigilance.

Ces spectres de puissances réalisés avant et après les pointes ont été effectués sur l’ensemble des

souris Tg2576 de 1 m ½ et 6 mois, l’âge n’ayant pas d’influence sur ces spectres (SWS : n=16, REM :

n=16). Un animal a été exclu en REM car il n’avait pas de pointe interictale isolée (SWS : n=16, REM :

n=15).

Le spectre de puissance réalisé entre 10 et 8 secondes avant les pointes et celui réalisé 2 secondes

avant les pointes ne diffèrent pas significativement, entre 0 et 100 Hz, pour les pointes survenant en

sommeil lent ou en sommeil paradoxal (Figure 35). Il en est de même pour le spectre couvrant les 2

secondes suivant les pointes et celui réalisé entre 8 et 10 secondes après les pointes, pour toutes les

bandes de fréquence et états de vigilance étudiés.

Il n’existe donc pas de modification de la puissance spectrale dans les 10 secondes précédant ou

suivant les pointes interictales.

158

Figure 35. Spectres de puissance avant et après les pointes chez les souris Tg2576. Spectres de puissances moyens réalisés avant (A) ou après (B) les pointes en sommeil lent ou sommeil paradoxal chez les souris Tg2576 (tous âges confondus, SWS : n=16, REM : n=15). La représentation graphique découpe 0-30 Hz et 30-100 Hz. Les couleurs de lignes correspondent aux différents intervalles de 2 secondes sur lesquels ont été faits les spectres dans les 10 secondes précédant (signe négatif) ou suivant les pointes (positif).

159

IV.4) Discussion

Dans cette étude, nous avons mis en évidence une augmentation de la puissance des oscillations sur

une large bande de fréquence (5-100 Hz) chez les souris Tg2576 pendant les quatre états

comportementaux, aux deux âges, hormis la puissance des oscillations thêta en éveil calme et en

sommeil lent. On note une diminution avec l’âge de la puissance des oscillations gamma rapide en

éveil actif chez les souris Tg2576. Enfin, il n’existe pas de modification spectrale entre 0 et 100 Hz

dans les 10 secondes qui précèdent ou suivent les pointes interictales.

Nous avons observé une augmentation globale de la puissance des oscillations entre 5 et 100 Hz dans

les différents états comportementaux chez les souris Tg2576 mâles. Ce résultat est étonnant car dans

la majorité des études menées sur les modèles murins de la MA, la vulnérabilité de certaines régions

cérébrales à la pathologie amyloïde, comme par exemple le septum et l’hippocampe impliqués dans

les oscillations thêta, provoque une altération de la puissance spécifiquement dans une ou deux

bandes de fréquence (90 , 105 , 279, 283 ).

Une seule étude a montré des résultats très similaires aux nôtres, chez des souris APPswexPS1dE9

jeunes. Une augmentation de la puissance a été observée au niveau du cortex frontal entre 5 et 100

Hz chez les souris APPswexPS1dE9 âgées de 3 mois par rapport aux souris contrôles, dans les quatre

états comportementaux (280). D’autre part, l’étude des oscillations chez les souris Tg2576 s’est

focalisée, jusqu’à présent, sur quelques bandes de fréquence et les résultats obtenus ne contredisent

pas nos données. En effet, Wisor montre que la puissance des oscillations delta en sommeil lent n’est

pas modifiée entre l’âge de 8 et 15 mois, comme nous l’avons montré entre 1 mois ½ et 6 mois (167).

Concernant les oscillations thêta, Wisor et al. montre une augmentation du rapport de puissance

thêta/delta en sommeil lent (6-9 Hz) dès l’âge de 11 mois (167) tandis que Corbett et al. mentionne

que les oscillations thêta (6-10 Hz) prédominent sur de plus longues périodes de l’enregistrement

EEG à l’âge de 5-6 mois (315). Ces deux études suggèrent l’apparition anormale des oscillations thêta

dans des états comportementaux où elles ne sont habituellement pas prédominantes. Ces résultats

s’accordent donc avec l’augmentation généralisée à tous les états comportementaux de la puissance

du rythme thêta chez les souris Tg2576 de notre étude, dès l’âge de 1 mois ½. Globalement, nos

travaux mettent en évidence plus précocement les altérations spectrales précédemment mises en

évidence chez les souris Tg2576. Concernant les oscillations gamma, une augmentation de leur

puissance, dans la bande 30-60 Hz en particulier, a été décrite chez les souris APP23 à 4 mois et

APPswexPS1A246E à 7 mois (279, 283) comme nous l’avons montrée entre 1 et 6 mois chez les souris

Tg2576.

En revanche, d’autres études montrent des résultats différents des nôtres. Notamment, une

diminution de la puissance des oscillations thêta a été souvent rapportée dans la littérature. Elle a

160

été observée sur des enregistrements corticaux dès l’âge de 8 mois chez les souris APPswexPS1A246E

(279) et au niveau hippocampique chez les souris hAPPJ20 de 8 mois, APPswexPS1dE9 de 4 mois et

APP23 de 4 mois (105, 281, 283). De plus, l’injection intrahippocampique de peptide amyloïde induit

une diminution de la puissance des oscillations thêta hippocampiques chez le rat sauvage (284).

L’injection de peptide amyloïde 1-40 dans le septum diminue le nombre des neurones cholinergiques

et glutamatergiques et réduit la puissance des oscillations thêta (424). La diminution de la puissance

des oscillations thêta hippocampiques observée dans les modèles murins de la MA pourrait donc

provenir des effets toxiques du peptide amyloïde sur la fonction de l’hippocampe ou du septum,

deux structures anatomiques très impliquées dans la genèse de ces oscillations (114). Nous

n’observons pas une diminution mais une augmentation de la puissance du rythme thêta au niveau

du cortex pariétal chez les souris Tg2576. Donc, jusqu’à l’âge de 6 mois, les substrats neuronaux de

l’hippocampe et du septum impliqués dans la genèse des oscillations thêta ne seraient pas affectés.

D’autre part, les souris Tg2576 et hAPPJ20 présentent des altérations opposées de l’activité

oscillatoire dans la bande de fréquence gamma. Nous avons montré une augmentation de la

puissance des oscillations gamma chez les souris Tg2576 dans tous les états de vigilance (30-100 Hz)

alors que leur puissance est diminuée chez les souris hAPPJ20 en éveil (20-80 Hz). Cette diminution

serait due à un déficit en canaux Nav1.1 des interneurones à parvalbumine dans le cortex pariétal

des souris hAPPJ20 (282). Or, la quantité totale des canaux Nav1.1 n’est pas diminuée chez les souris

Tg2576 de 6 mois au niveau du cortex pariétal (315). Des données indiquent que les oscillations

gamma seraient impliquées dans les processus mnésiques (425) et chez les souris hAPPJ20, la

diminution de la puissance des oscillations gamma contribuerait aux troubles mnésiques observés

chez ces souris (282). Or, les souris Tg2576 présentent des déficits mnésiques à l’âge de 6 mois (45)

sans diminution de la puissance de ces oscillations. Il semble donc que les troubles mnésiques

observés à 6 mois chez les souris Tg2576 ne dépendent pas d’une altération de la puissance des

oscillations gamma.

Au regard de l’ensemble de ces données, il apparait que les altérations spectrales sont très variables

d’un modèle murin de la MA à l’autre. Cette variabilité pourrait être due aux différents transgènes,

différents promoteurs contrôlant l’expression du transgène, différents fonds génétiques, différents

âges étudiés ou aux différentes régions cérébrales enregistrées. En effet, chez les souris PLB1, les

puissances spectrales mesurées sur les enregistrements des cortex préfrontal et pariétal des mêmes

souris sont différentes (90). Hormis les différences d’origine technique, ces différences spectrales

pourraient provenir d’atteintes cérébrales différentes chez les modèles murins de la MA. Les souris

Tg2576 de notre étude et les souris APPswexPS1dE9 présentent toutes deux une hyperexcitabilité

neuronale, qui concerne les cellules pyramidales corticales et hippocampiques de CA1 chez les

161

APPswexPS1dE9 (202, 203) et, pour les souris Tg2576, les cellules pyramidales de CA1 à l’âge de 2 mois

(358) et les neurones du cortex entorhinal dès l’âge de 3 mois (92, 426). Cette hyperexcitabilité

neuronale pourrait expliquer l’augmentation de puissance non spécifique observée dans ces modèles

plutôt qu’une dysfonction des interneurones qui induirait plutôt une altération de la puissance dans

des bandes de fréquence précises. En revanche, chez les souris hAPPJ20 dont la puissance des

oscillations thêta et gamma sont diminuées par rapport aux souris NTg, les cellules pyramidales

corticales ont un potentiel membranaire normal et reçoivent moins de courants synaptiques

excitateurs donc sont globalement moins excitées (282, 307). Il est donc possible que ces différentes

altérations de l’activité neuronale au sein des différents modèles murins de la MA puissent expliquer,

du moins en partie, les différents types d’altérations de l’activité oscillatoire.

D’autre part, nous n’avons observé aucun effet de l’âge sur la puissance des oscillations chez les

souris Tg2576, hormis une diminution de la puissance du rythme gamma (60-100Hz) en éveil actif.

Une diminution de la puissance des oscillations gamma en éveil actif a été rapportée chez les souris

hAPPJ20 (entre 26 et 100 Hz) entre 2 et 8 mois, mais chez ces souris, l’amplitude des oscillations

gamma est plus basse que chez les souris saines, ce que nous n’observons pas chez les souris Tg2576

(105). Bien que différents, les modèles hAPPJ20 et Tg2576 montrent une similitude concernant la

diminution de la puissance des oscillations gamma rapide en éveil actif.

L’absence de modifications spectrales avant les pointes semble être en contradiction avec la

littérature. L’étude de Verret chez les souris hAPPJ20 est la seule à faire état de modifications

oscillatoires associées avec l’apparition des pointes (282). Ces résultats montrent une diminution de

la puissance des oscillations gamma associée à la survenue des pointes interictales en éveil (282). Au

contraire, chez les souris Tg2576, les pointes interictales sont absentes pendant l’éveil et aucune

diminution de la puissance des oscillations gamma n’est observée dans les 10 secondes précédant les

pointes interictales. Les facteurs impliqués dans la génération des pointes interictales seraient donc

différents dans les modèles hAPPJ20 et Tg2576.

En conclusion, l’hypersynchronie neuronale chez les souris Tg2576 semble se traduire également par

une augmentation de la puissance des oscillations corticales dans une large bande de fréquence (5-

100Hz). Etant donné que l’altération du spectre de puissance est généralisée à tous les états

comportementaux, on peut penser que les modifications de l’activité oscillatoire du sommeil ne sont

pas à l’origine de l’émergence préférentielle des pointes interictales au cours de ces états.

162

IV.5) Annexe

Valeurs de p pour l’ANOVA à deux facteurs

Age Génotype Interaction

Delta (1-3Hz)

éveil calme 0,8447 0,3897 0,2761

éveil actif 0,7248 0,0637 0,6757

sommeil lent 0,0474 0,6386 0,1530

sommeil paradoxal 0,1961 0,0103 0,4733

Thêta (5-10Hz)

éveil calme 0,5453 0,0054 0,6098

éveil actif 0,8467 <0 ,0001 0,9778

sommeil lent 0,8202 0,0054 0,7411

sommeil paradoxal 0,4995 0,0003 0,2966

Bêta (10-30Hz)

éveil calme 0,6174 0,0009 0,8293

éveil actif 0,5723 <0,0001 0,7322

sommeil lent 0,1455 0,0008 0,7281

sommeil paradoxal 0,7616 <0,0001 0,3323

Gamma lent (30-60Hz)

éveil calme 0,5604 <0,0001 0,5067

éveil actif 0,1616 <0,0001 0,2846

sommeil lent 0,3260 <0,0001 0,9212

sommeil paradoxal 0,6371 <0,0001 0,5387

Gamma rapide (60-100Hz)

éveil calme 0,8162 0,0003 0,9575

éveil actif 0,0195 0,0010 0,0101

sommeil lent 0,7246 0,0008 0,3939

sommeil paradoxal 0,5783 0,0025 0,6146

Tableau 3. Valeurs de significativité (p) de l’ANOVA à deux facteurs (effet du génotype et de l’âge) sur les puissances des souris NTg et Tg2576 de 1 mois ½ et 6 mois. L’analyse a été réalisée pour les bandes de fréquence delta, thêta, bêta, gamma lent et gamma rapide pour les 4 états comportementaux : éveil calme, éveil actif, sommeil paradoxal et sommeil lent. Les cellules jaunes indiquent les effets significatifs (p<0,0025 : 0,05 / 20 (correction de Bonferroni par le nombre total d’ANOVA)).

163

Chapitre V : Effet de l’enrichissement sur l’altération des oscillations

cérébrales chez les souris Tg2576 femelles

164

165

Chapitre V : Effet de l’enrichissement sur l’altération des oscillations cérébrales chez les souris Tg2576 femelles

De nombreuses études suggèrent l’implication des oscillations EEG, en particulier thêta et gamma,

dans les processus mnésiques (137 , 140). De plus, chez les souris hAPPJ20, la normalisation de la

puissance des oscillations gamma est associée à une amélioration de leurs performances mnésiques

(282). Dans le chapitre IV, nous avons mis en évidence une augmentation de la puissance des

oscillations thêta et gamma chez les souris Tg2576 (Chapitre IV). Nous nous sommes demandé si le

protocole d’enrichissement environnemental utilisé dans le chapitre II, dont on connait l’effet

bénéfique durable sur les capacités mnésiques des souris Tg2576 (317), pouvait moduler la puissance

des oscillations cérébrales des souris Tg2576. Nous avons analysé la puissance des oscillations des

différentes bandes de fréquence (delta, thêta, bêta, gamma lent et rapide) sur les enregistrements

EEG de 24h des souris femelles utilisées dans le Chapitre II. Les mêmes souris ont été analysées à 3

et 6 mois, pour les groupes « hébergement standard » et « environnement enrichi ». Nous avons

utilisé les mêmes méthodes d’analyses du spectre que dans le Chapitre IV (pour les protocoles

détaillés, voir le chapitre « Méthodes »).

Les femelles du Chapitre II ont été utilisées dans cette étude (NTg SH : n=13, Tg2576 SH : n=11 ; NTg

EE : n= 10; Tg2576 EE : n=11). 4 souris ont été exclues de l’analyse de puissance appariée aux deux

âges (1 souris Tg2576 SH parce qu’elle est décédée après la première session d’enregistrement EEG à

3 mois, et 3 souris NTg SH pour cause d’artefacts nombreux sur les tracés EEG). L’analyse de l’activité

oscillatoire a donc été réalisée sur 10 souris NTg SH, 10 souris Tg2576 SH, 10 souris NTg EE et 11

souris Tg2576 EE.

V.1) Spectres de puissances des différents états comportementaux des

femelles Tg2576 et NTg.

Chez les souris Tg2576 SH, nous observons une augmentation de la puissance moyenne des

oscillations entre 1 et 100 Hz par rapport aux souris NTg. En particulier, la puissance moyenne des

bandes de fréquence thêta et gamma lent est fortement augmentée chez les souris Tg2576 aux âges

de 3 et 6 mois. La puissance moyenne des oscillations gamma rapide en éveil actif diminue entre

l’âge de 3 mois et 6 mois chez les souris Tg2576 SH. Les spectres de puissances des différents états

comportementaux des souris femelles (NTg et Tg2576) sont similaires à ceux obtenus chez les mâles

(cf Chap IV). L’enrichissement environnemental ne semble pas influencer les spectres de puissances

chez les souris NTg et Tg2576 (Figures 36 à 39).

166

Figure 36. Spectres de puissances pour les quatre états comportementaux chez les souris NTg et Tg2576 femelles âgées de 3 mois (avant la période d’EE) assignées au groupe d’hébergement standard.

Représentation du spectre de puissance moyen en éveil calme, éveil actif, sommeil lent et sommeil paradoxal des souris NTg (lignes bleues) et Tg2576 (lignes rouges). La représentation graphique a été réalisée entre 0 et 30 Hz (A) et entre 30 et 100 Hz (B).

167

Figure 37. Spectres de puissances pour les quatre états comportementaux chez les souris NTg et Tg2576 femelles âgées de 3 mois (avant la période d’EE) assignées au groupe d’hébergement enrichi. Représentation du spectre de puissance moyen en éveil calme, éveil actif, sommeil lent et sommeil paradoxal des souris NTg (lignes bleues) et Tg2576 (lignes rouges). La représentation graphique a été réalisée entre 0 et 30 Hz (A) et entre 30 et 100 Hz (B).

168

Figure 38. Spectres de puissances pour les quatre états comportementaux chez les souris NTg et Tg2576 femelles âgées de 6 mois (après la période d’EE) assignées au groupe d’hébergement standard. Représentation du spectre de puissance moyen en éveil calme, éveil actif, sommeil lent et sommeil paradoxal des souris NTg (lignes bleues) et Tg2576 (lignes rouges). La représentation graphique a été réalisée entre 0 et 30 Hz (A) et entre 30 et 100 Hz (B).

169

Figure 39. Spectres de puissances pour les quatre états comportementaux chez les souris NTg et Tg2576 femelles âgées de 6 mois (après la période d’EE) assignées au groupe d’hébergement enrichi. Représentation du spectre de puissance moyen en éveil calme, éveil actif, sommeil lent et sommeil paradoxal des souris NTg (lignes bleues) et Tg2576 (lignes rouges). La représentation graphique a été réalisée entre 0 et 30 Hz (A) et entre 30 et 100 Hz (B).

170

V.2) Analyse de la puissance des oscillations par bande de fréquence dans les

différents états comportementaux des souris NTg et Tg2576

A l’âge de 3 mois, juste avant la période d’enrichissement, les souris Tg2576 présentent une

augmentation de la puissance entre 5 et 100 Hz par rapport aux souris NTg pour chaque état

comportemental hormis en sommeil paradoxal et en éveil actif. En sommeil paradoxal, la puissance

des oscillations delta est significativement augmentée chez les souris Tg2576 par rapport aux souris

NTg. En éveil actif, la puissance des oscillations gamma rapide n’est pas significativement différente

entre les deux génotypes (Figure 40 à 44, ANOVA à deux facteurs, voir Tableau 6 après les Figures).

Les mesures à 3 et 6 mois étant appariées pour chaque souris, nous avons utilisé une ANOVA à deux

facteurs sur les différences 6 m – 3 m afin de déterminer si l’effet de l’âge dépendait du génotype ou

des conditions d’hébergement. Cette analyse montre que les modifications spectrales entre 3 et 6

mois ne dépendent pas du génotype des souris. Donc, l’expression du transgène n’altère pas

l’activité oscillatoire entre l’âge de 3 et 6 mois. D’autre part, l’enrichissement environnemental n’a

pas d’effet sur les oscillations EEG corticales sauf pour la bande delta en éveil calme. Dans ce cas

précis, l’effet de l’EE est observé pour les deux génotypes (interaction génotype x hébergement : p

=0,88). En effet, les souris NTg et Tg2576 présentent une diminution de la puissance des oscillations

delta entre 3 et 6 mois en éveil calme, un effet qui n’est pas observé chez les souris enrichies. Cette

diminution est significative chez les souris NTg. Donc, les altérations spectrales induites par le

transgène ne sont pas modulées par l’EE (Figure 40 à 44, ANOVA à deux facteurs, voir Tableau 7

après les Figures).

171

Figure 40. Puissances cumulées dans la bande de fréquence delta (1-3 Hz) chez les souris NTg et Tg2576 femelles âgées de 3 mois et 6 mois, hébergées en milieu standard ou exposées au milieu enrichi. Puissances cumulées (moyenne ± erreur type de la moyenne) pour les souris âgées de 3 mois, avant la période d’EE (NTg en bleu gris, Tg2576 en orange) et âgées de 6 mois, après l’EE (NTg en bleu roi et Tg2576 en rouge) hébergées en milieu standard (barres vides) ou en milieu enrichi (barres pleines). Ces analyses ont été réalisées pour les quatre états comportementaux. ** p<0,0005, pour l’effet du génotype de l’ANOVA à deux facteurs à 3 mois ; ns : non significatif, pour l’effet de l’hébergement de l’ANOVA à deux facteurs sur les différences 6 m - 3m (risque α avec correction de Bonferroni : n=20 ANOVAs). ** p<0,05 pour le t-test apparié avec correction de Bonferroni (entre valeurs à 3 et 6 mois). Les nombres dans les barres correspondent aux effectifs des groupes expérimentaux.

172

Figure 41.Puissances cumulées dans la bande de fréquence thêta (5-10 Hz) chez les souris NTg et Tg2576 femelles âgées de 3 mois et 6 mois, hébergées en milieu standard ou exposées au milieu enrichi. Puissances cumulées (moyenne ± erreur type de la moyenne) pour les souris âgées de 3 mois, avant la période d’EE (NTg en bleu gris, Tg2576 en orange) et âgées de 6 mois, après l’EE (NTg en bleu roi et Tg2576 en rouge) hébergées en milieu standard (barres vides) ou en milieu enrichi (barres pleines). Ces analyses ont été réalisées pour les quatre états comportementaux. ** p<0,0005, * p<0,0025, pour l’effet du génotype de l’ANOVA à deux facteurs à 3 mois ; ns : non significatif, pour l’effet de l’hébergement de l’ANOVA à deux facteurs sur les différences 6 - 3m (risque α corrigé de la correction de Bonferroni n=20). Les nombres dans les barres correspondent aux effectifs des groupes expérimentaux.

173

Figure 42. Puissances cumulées dans la bande de fréquence bêta (10-30 Hz) chez les souris NTg et Tg2576 femelles âgées de 3 mois et 6 mois, hébergées en milieu standard ou exposées au milieu enrichi. Puissances cumulées (moyenne ± erreur type de la moyenne) pour les souris âgées de 3 mois, avant la période d’EE (NTg en bleu gris, Tg2576 en orange) et âgées de 6 mois, après l’EE (NTg en bleu roi et Tg2576 en rouge) hébergées en milieu standard (barres vides) ou en milieu enrichi (barres pleines). Ces analyses ont été réalisées pour les quatre états comportementaux. ** p<0,0005, pour l’effet du génotype de l’ANOVA à deux facteurs à 3 mois ; ns : non significatif, pour l’effet de l’hébergement de l’ANOVA à deux facteurs sur les différences 6 - 3m (risque α corrigé de la correction de Bonferroni n=20). Les nombres dans les barres correspondent aux effectifs des groupes expérimentaux.

174

Figure 43. Puissances cumulées dans la bande de fréquence gamma lent (30-60 Hz) chez les souris NTg et Tg2576 femelles âgées de 3 mois et 6 mois, hébergées en milieu standard ou exposées au milieu enrichi. Puissances cumulées (moyenne ± erreur type de la moyenne) pour les souris âgées de 3 mois, avant la période d’EE (NTg en bleu gris, Tg2576 en orange) et âgées de 6 mois, après l’EE (NTg en bleu roi et Tg2576 en rouge) hébergées en milieu standard (barres vides) ou en milieu enrichi (barres pleines). Ces analyses ont été réalisées pour les quatre états comportementaux. ** p<0,0005, pour l’effet du génotype de l’ANOVA à deux facteurs à 3 mois ; ns : non significatif, pour l’effet de l’hébergement de l’ANOVA à deux facteurs sur les différences 6 - 3m (risque α corrigé de la correction de Bonferroni, n=20). Les nombres dans les barres correspondent aux effectifs des groupes expérimentaux.

175

Figure 44. Puissances cumulées dans la bande de fréquence gamma rapide (60-100 Hz) chez les souris NTg et Tg2576 femelles âgées de 3 mois et 6 mois, hébergées en milieu standard ou exposées au milieu enrichi. Puissances cumulées (moyenne ± erreur type de la moyenne) pour les souris âgées de 3 mois, avant la période d’EE (NTg en bleu gris, Tg2576 en orange) et âgées de 6 mois, après l’EE (NTg en bleu roi et Tg2576 en rouge) hébergées en milieu standard (barres vides) ou en milieu enrichi (barres pleines). Ces analyses ont été réalisées pour les quatre états comportementaux. ** p<0,0005, pour l’effet du génotype de l’ANOVA à deux facteurs à 3 mois ; ns : non significatif, pour l’effet de l’hébergement de l’ANOVA à deux facteurs sur les différences 6 - 3m (risque α corrigé de la correction de Bonferroni n=20). Les nombres dans les barres correspondent aux effectifs des groupes expérimentaux.

176

Valeurs de p (ANOVA à deux facteurs à 3 mois)

Génotype Hébergement Génotype

x Hébergement

Delta (1-3Hz)

éveil calme 0,5881 0,8652 0,0051

éveil actif 0,5156 0,8997 0,0113

sommeil lent 0,3857 0,1606 0,1645

sommeil paradoxal 0,5578 0,4644 < 0,0001

Thêta (5-10Hz)

éveil calme 0,7028 0,7049 < 0,0001

éveil actif 0,5959 0,8481 0,0001

sommeil lent 0,7159 0,7013 0,0009

sommeil paradoxal 0,4500 0,4849 < 0,0001

Bêta (10-30Hz)

éveil calme 0,7990 0,1202 < 0,0001

éveil actif 0,5668 0,4084 < 0,0001

sommeil lent 0,9431 0,9666 < 0,0001

sommeil paradoxal 0,9227 0,9759 < 0,0001

Gamma lent (30-60Hz)

éveil calme 0,6293 0,6959 < 0,0001

éveil actif 0,5176 0,3456 < 0,0001

sommeil lent 0,9565 0,9894 < 0,0001

sommeil paradoxal 0,7197 0,7603 < 0,0001

Gamma rapide (60-100Hz)

éveil calme 0,5124 0,5572 0,0004

éveil actif 0,9921 0,3202 0,0034

sommeil lent 0,8463 0,6773 < 0,0001

sommeil paradoxal 0,9179 0,6402 0,0002

Tableau 4. Valeurs de significativité (p) de l’ANOVA à deux facteurs (âge et groupe d’hébergement) effectuée sur la puissance des oscillations des souris NTg et Tg2576 âgées de 3 mois, assignées au groupe d’hébergement standard ou enrichi. Une ANOVA a été réalisée pour chacune des bandes de fréquence delta, thêta, bêta, gamma lent et gamma rapide pour les 4 états comportementaux : éveil calme, éveil actif, sommeil paradoxal et sommeil lent. Les cellules jaunes indiquent les effets significatifs avec un p<0,0025 (0,05 / 20 : correction de Bonferroni par le nombre total d’ANOVA).

177

Valeurs de p (ANOVA sur les différences 6 m - 3 m)

Génotype Hébergement Génotype

x Hébergement

Delta (1-3Hz)

éveil calme 0,8834 0,0022 0,0949

éveil actif 0,5756 0,7349 0,1218

sommeil lent 0,9676 0,1637 0,6368

sommeil paradoxal 0,2475 0,1367 0,3129

Thêta (5-10Hz)

éveil calme 0,6791 0,0921 0,8517

éveil actif 0,9276 0,6298 0,0192

sommeil lent 0,2477 0,6001 0,5348

sommeil paradoxal 0,7076 0,8120 0,0253

Bêta (10-30Hz)

éveil calme 0,9022 0,3690 0,8050

éveil actif 0,5609 0,7203 0,1806

sommeil lent 0,7393 0,6313 0,4283

sommeil paradoxal 0,7897 0,4615 0,5020

Gamma lent (30-60Hz)

éveil calme 0,7441 0,6699 0,6302

éveil actif 0,5853 0,4161 0,1702

sommeil lent 0,8431 0,6633 0,1174

sommeil paradoxal 0,4358 0,3687 0,7543

Gamma rapide (60-100Hz)

éveil calme 0,5845 0,2700 0,3633

éveil actif 0,5890 0,4467 0,1151

sommeil lent 0,7135 0,9427 0,2142

sommeil paradoxal 0,9937 0,9409 0,8800

Tableau 5. Valeurs de significativité (p) de l’ANOVA à deux facteurs sur les différences « 6 m – 3 m » effectuée sur la puissance des oscillations des souris NTg et Tg2576 assignées au groupe d’hébergement standard ou enrichi. Une ANOVA à deux facteurs (effet du génotype, de l’hébergement et interaction) a été réalisée pour chacune des bandes de fréquence delta, thêta, bêta, gamma lent et gamma rapide pour les 4 états comportementaux : éveil calme, éveil actif, sommeil paradoxal et sommeil lent. Les cellules jaunes indiquent les effets significatifs avec un p<0,0025 (0,05 / 20 : correction de Bonferroni par le nombre total d’ANOVA).

178

V.3) Discussion

A l’âge de 3 mois, les souris Tg2576 femelles présentent une augmentation de la puissance des

oscillations entre 5 et 100 Hz par rapport aux souris NTg sauf pour les bandes de fréquence delta et

gamma rapide, en sommeil paradoxal et éveil actif respectivement. L’enrichissement

environnemental n’a aucun effet sur la puissance des oscillations entre 1 et 100 Hz, sauf en éveil

calme entre 1 et 3 Hz.

Globalement, les souris Tg2576 mâles (à 1 mois ½ et 6 mois) et femelles (à 3 et 6 mois) présentent

une augmentation de la puissance des oscillations entre 5 et 100 Hz par rapport aux souris NTg,

traduisant une hypersynchronie neuronale, dans tous les états comportementaux. L’effet du

transgène sur l’activité oscillatoire n’est donc pas influencé par le genre des souris. A ce jour, aucune

donnée de la littérature n’a comparé à ce jour, l’activité oscillatoire entre souris mâles et femelles

modèles de la MA. Nous remarquons également que les autres marqueurs d’hypersynchronie

neuronale des souris Tg2576 (susceptibilité aux crises d’épilepsie induites par le PTZ, fréquence des

pointes interictales) ne montrent pas de différences mâles-femelles.

En sommeil paradoxal, une augmentation de la puissance des oscillations delta est observée chez les

souris Tg2576 femelles. Cette tendance est également observée chez les souris Tg2576 mâles, bien

que non significative. Chez les souris PLB1, modèle récapitulant de nombreuses altérations

comportementales et anatomiques de la MA chez l’homme, la puissance des oscillations delta est

également augmentée en sommeil paradoxal au niveau du cortex pariétal (90), comme nous le

montrons dans notre étude. Chez les patients atteints de la MA, un ralentissement de l’EEG,

caractérisé par une augmentation de la puissance dans les basses fréquences (delta et thêta), est

typiquement observé (267). Il serait dû à une dysfonction des neurones cholinergiques du

télencéphale basal, qui sont responsables de la désynchronisation de l’EEG en éveil et en sommeil

paradoxal et de l’apparition d’oscillations plus rapides (21 , 272). Donc, cette augmentation de la

bande delta en sommeil paradoxal pourrait être le signe précurseur d’une dysfonction cholinergique

chez les souris Tg2576.

Les modifications spectrales observées entre 3 et 6 mois chez les souris Tg2576 sont similaires quel

que soit le génotype chez les femelles, comme elles l’étaient entre 1 mois ½ et 6 mois chez les mâles.

On peut donc conclure que les effets du transgène sur l’activité oscillatoire ne sont pas influencés par

l’âge, entre 3 et 6 mois, excepté en éveil actif.

Chez les souris femelles Tg2576, la puissance des oscillations gamma rapide en éveil actif est similaire

à celle des souris NTg à l’âge de 3 mois et tend à diminuer à 6 mois, même si cette diminution n’est

179

pas significative compte tenu de la grande variabilité interindividuelle des souris Tg2576 élevées en

conditions standards à 3 mois. Chez les mâles Tg2576, cette puissance est augmentée à 1 mois ½ par

rapport aux NTg, et tend à diminuer à 6 mois. Il semble donc que les souris Tg2576 mâles et femelles

présentent une diminution précoce et très progressive de la puissance des oscillations gamma rapide

en éveil actif. Il serait intéressant de vérifier si la diminution précoce de ces oscillations conduit avec

l’âge à un déficit par rapport aux souris NTg, comme cela est observé chez les souris hAPPJ20 à l’âge

de 8 mois (105).

D’autre part, l’enrichissement environnemental n’a pas d’effet sur les oscillations quel que soit l’état

comportemental hormis entre 1 et 3 Hz en éveil calme. Dans ce cas spécifique, l’EE prévient la

diminution de la puissance des oscillations delta liée à l’âge. Chez les souris NTg mâles, cette

puissance n’est pas modifiée entre 1 mois ½ et 6 mois, suggérant qu’elle pourrait augmenter à 3 mois

puis diminuer à 6 mois. Cependant, la signification biologique d’une telle modification est difficile à

identifier, et il n’est pas exclus que des artefacts de mouvement de basse fréquence (<3 Hz) présents

en éveil aient pu biaiser nos résultats. A notre connaissance, une seule étude rapporte l’effet de

l’enrichissement environnemental sur la puissance des oscillations cérébrales. Dans cette étude, les

rats rendus épileptiques par injection de pilocarpine et de lithium présentent une augmentation de la

puissance des oscillations delta, thêta, alpha et bêta sur lesquelles l’EE ne montre aucun effet (406),

comme nous l’observons chez les souris Tg2576. En revanche, les rats épileptiques enrichis

présentent de meilleures performances mnésiques en piscine de Morris que leurs congénères non

enrichis. Comme dans l’étude de Rutten, l’effet bénéfique de l’EE sur les performances mnésiques

des souris Tg2576 à l’âge de 13 mois n’est donc pas attribuable à une modification de la puissance

des oscillations chez les souris Tg2576.

En conclusion, la puissance des oscillations est augmentée dans une large bande de fréquence (5-100

Hz) dans tous les états comportementaux chez les souris Tg2576 mâles et femelles, au moins jusqu’à

l’âge de 6 mois. Deux altérations spectrales peuvent être cependant soulignées chez les souris

Tg2576 : le ralentissement de l’EEG en sommeil paradoxal et la diminution subtile de l’amplitude des

oscillations gamma rapide avec l’âge, pendant l’éveil actif. D’autre part, l’enrichissement

environnemental n’a pas d’effet sur la puissance des oscillations des souris Tg2576. L’effet mnésique

durable de l’EE chez les souris Tg2576 n’est donc pas directement attribuable à un effet sur la

puissance des oscillations cérébrales.

180

181

DISCUSSION GENERALE

182

183

DISCUSSION GENERALE Depuis la moitié du XX° siècle, les études épidémiologiques menées sur les patients atteints de la

maladie d’Alzheimer ont mis en évidence l’apparition d’un symptôme peu fréquent : les crises

d’épilepsie. Dans les formes sporadiques de la MA, la prévalence des crises d’épilepsie varie

beaucoup d’une étude à l’autre mais semblerait représenter moins de 5 % des cas (290). En

revanche, dans les formes familiales de la MA, les crises d’épilepsie peuvent toucher 30 à 60 % des

patients, suggérant donc un lien fort entre la physiopathologie de la MA et la survenue des crises

(298 , 299 , 300). Ces crises étant rares et parfois difficiles à diagnostiquer, les études

épidémiologiques ont peiné à déterminer leur prévalence réelle chez les patients atteints de la MA et

à identifier les facteurs de risque de leur survenue (302). Finalement, les crises d’épilepsie dans la MA

n’ont suscité que peu d’intérêt dans la communauté scientifique car elles étaient considérées comme

un symptôme aspécifique, conséquence de nombreuses affections cérébrales, en particulier

neurodégénératives. Puis dans les années 2000, des crises d’épilepsie et des pointes interictales ont

été mises en évidence dans de nombreux modèles murins de la MA surexprimant des formes mutées

d’APP et des travaux essentiels menés par l’équipe de Palop et Mucke ont tenté de comprendre

l’origine des activités neuronales aberrantes observées dans ces modèles (62 , 282 , 306). Palop et

son équipe ont proposé que les modifications protéiques hippocampiques induites par ces

hyperactivités neuronales puissent altérer le fonctionnement de cette structure et perturber les

processus mnésiques qui s’y déroulent. Cependant, l’hypothèse d’un lien entre l’hypersynchronie

neuronale et/ou les remodelages hippocampiques qu’elle induit et les troubles mnésiques dans la

MA a réellement été posée par l’étude de Sanchez, montrant que l’administration du lévétiracétam,

médicament antiépileptique, supprime l’hypersynchronie neuronale et les modifications protéiques

de l’hippocampe qui en résultent, tout en améliorant les performances mnésiques des souris

hAPPJ20. Ces études chez l’animal ont permis de relancer le débat en clinique quant à l’importance

et au rôle de l’hypersynchronie neuronale dans la MA. Cependant, à l’heure actuelle, la contribution

exacte de ces hyperactivités neuronales dans les dysfonctions mnésiques de la MA reste une

question ouverte.

Ce travail de thèse avait pour but de rechercher les signes d’une hypersynchronie neuronale dans le

modèle Tg2576 de la MA, pour lequel il n’existait aucune donnée sur un tel phénotype au début de

ma thèse. Largement décrit dans la littérature, ce modèle présente l’avantage de développer

progressivement certaines atteintes neuroanatomiques et comportementales de la MA, modélisant

davantage le caractère progressif des troubles tel qu’il est observé chez l’homme, que la plupart des

modèles transgéniques. Ainsi, cette lignée nous a permis d’étudier l’hypersynchronie neuronale à des

184

âges clé dans la progression des troubles mnésiques. Nous avons montré que les souris Tg2576

présentent une hypersynchronie neuronale dès l’âge de 1 mois ½, c’est-à-dire avant les premiers

troubles mnésiques chez ces souris. De plus, cette hypersynchronie neuronale s’exprime

principalement pendant le sommeil paradoxal. Enfin, l’exposition à un enrichissement

environnemental de 10 semaines débuté à l’âge de 3 mois, qui améliore durablement les

performances mnésiques des souris Tg2576, n’affecte pas l’hypersynchronie neuronale chez les

souris Tg2576.

I) L’hypersynchronie neuronale dans les modèles murins de la

MA : mise en perspective du modèle Tg2576

L’intérêt de la communauté scientifique pour l’origine et le rôle de l’épilepsie dans la maladie

d’Alzheimer a été relancé par la caractérisation de l’hypersynchronie neuronale dans les modèles

murins de la MA. Quelles conclusions générales pouvons-nous tirer de l’étude de l’hypersynchronie

neuronale dans les modèles murins de la MA ?

Les modèles murins de la MA « amyloïdogéniques » sont très variés. Ils différent entre eux par la

nature de la (ou des) protéine(s) mutée(s) (APP et/ou PS), la nature et le nombre des mutations de

ces protéines, le promoteur contrôlant l’expression de la (ou des) protéine(s) mutée(s) et le fond

génétique de la lignée transgénique. Au sein de cette diversité des modèles, le phénotype

d’hypersynchonie neuronale révèle des similitudes et des différences.

Concernant les similitudes, toutes les lignées de souris testées ont révélé une susceptibilité accrue

aux crises d’épilepsie induites et/ou des activités EEG interictales et de rares crises d’épilepsie, à l’âge

le plus précoce auquel elles aient été testées (62 , 203, 283, 305 , 306 , 308, 310, 311). De plus, une

expression du NPY dans les fibres moussues et une diminution de l’expression de la calbindine dans

les cellules granulaires du gyrus denté ont été observées dans le modèle Tg2576 (46 , 315 , 317),

APPswexPS1dE9 (203) et hAPPJ20 (306 , 316). Enfin, le développement de fibres moussues collatérales

a été rapporté dans ces mêmes lignées de souris (203 , 306, 310 ). Tous ces modèles possèdent au

moins une mutation de l’APP, quel que soit le promoteur, ce qui semble souligner l’importance de la

mutation de l’APP dans l’apparition de l’hypersynchronie neuronale.

Quant aux différences, la cinétique de l’amyloïdopathie et des altérations anatomiques qu’elle induit,

comme la dysfonction synaptique, diffère fondamentalement entre les modèles murins de la MA. Ces

185

différences résultent des différences de transgènes, de la présence d’une préséniline mutée ou non

et des différences de promoteurs. Par exemple, alors que les souris APPswexPS1dE9 présentent leurs

premières plaques amyloïdes à l’âge de 4 mois (72), les souris Tg2576 n’en montrent qu’à partir de

l’âge de 9 mois (93). Concernant les différences phénotypiques de l’hypersynchronie neuronale dans

ces modèles, mon travail de thèse permet de soulever des différences importantes entre les souris

Tg2576 et hAPPJ20. Tout d’abord, l’apparition des pointes chez les souris Tg2576 est quasiment

restreinte à l’état de sommeil alors que de nombreuses pointes interictales peuvent être observées

en éveil chez les souris hAPPJ20 (282). Les mécanismes impliqués dans la survenue des pointes

pourraient donc être différents entre les deux modèles. Notamment, chez les souris hAPPJ20, les

pointes interictales apparaissent pendant les périodes où l’amplitude des oscillations gamma est

faible (282), ces souris présentant une diminution globale de la puissance des oscillations gamma par

rapport aux souris NTg. Chez les souris Tg2576, nous n’avons pas mis en évidence une diminution

mais une augmentation de la puissance des oscillations gamma par rapport aux souris contrôles et

nous n’avons décrit aucune modification de la puissance de cette bande de fréquence

immédiatement avant les pointes. Ces différences peuvent s’expliquer au niveau moléculaire. Les

canaux Nav1.1 sont exprimés essentiellement sur les interneurones à parvalbumine et participent à

la genèse des oscillations gamma. Leur déficit au niveau du cortex pariétal des souris hAPPJ20

participerait à l’apparition des pointes interictales et à la diminution de la puissance des oscillations

gamma dans ce modèle (282). En revanche, aucune diminution globale de la quantité de ces canaux

n’a été observée au niveau du cortex pariétal des souris Tg2576, si ce n’est une diminution de leur

quantité au niveau de la membrane cytoplasmique (315), à un âge où nous observons des pointes

interictales chez ces souris. Il semblerait donc que les souris Tg2576, du moins jusqu’à l’âge de 6

mois, ne présentent pas de dysfonction des interneurones à parvalbumine similaire à celle des souris

hAPPJ20 et que l’apparition des pointes reposerait sur d’autres altérations cellulaires, comme

l’hyperexcitabilité des neurones excitateurs hippocampiques ou corticaux.

Les autres modèles de la MA présentent eux aussi des divergences quant aux altérations cellulaires

sous-tendant l’hypersynchronie neuronale. Concernant les canaux Nav1.1, les souris APPswexPS1dE9

ne présentent pas non plus de diminution globale de la quantité des canaux Nav1.1 au niveau du

cortex et de l’hippocampe à l’âge de 4 mois (314). Le riluzole, agent bloqueur des canaux sodiques

qui augmente la fréquence des pointes interictales chez les souris hAPPJ20, l’augmente également

chez les souris APP23 de 4 mois, laissant sous-entendre la présence d’un déficit en canaux sodiques

dans ce modèle. L’altération de la quantité des canaux Nav1.1 est donc très variable d’un modèle

murin à l’autre. D’autre part, les modèles murins de la MA présentent des différences d’excitabilité

des neurones principaux. L’excitabilité des cellules pyramidales du cortex, mesurée notamment par

186

la dépolarisation du potentiel membranaire de repos, est augmentée chez les souris APPswexPS1dE9 à

l’âge de 4 mois (203) mais ne l’est pas chez les souris hAPPJ20 à l’âge de 4-7 mois (282). Chez les

souris hAPPJ20, une hyperexcitabilité dendritique mais pas somatique a été mesurée sur des cellules

pyramidales de CA1 à l’âge de 3 mois (322) alors qu’une hyperexcitabilité somatique de ces mêmes

cellules a été observée chez les souris APPswexPS1M146V de 10-14 mois (323). Au vue de ces données,

on pourrait penser que l’hypersynchronie neuronale pourrait être associée à la dysfonction

interneuronale dans certains modèles (type hAPPJ20) ou à l’hyperexcitabilité des neurones

excitateurs dans d’autres (type APPswexPS1dE9). Cependant, la plupart des études n’ont pas recherché

les altérations à la fois des neurones excitateurs et inhibiteurs, ne nous permettant pas de conclure

sur l’origine réelle (excitatrice ou inhibitrice) des activités neuronales aberrantes observées chez les

modèles murins. Notamment, on sait que les souris APPswexPS1dE9 jeunes présentent une

hyperexcitabilité des cellules pyramidales de la couche II/III du cortex à l’âge de 3-4 mois (203) et des

cellules granulaires de l’hippocampe vers l’âge de 6 mois (202). Mais une dysfonction des

interneurones du gyrus denté a également été mise en évidence à l’âge de 12-16 mois dans ce même

modèle (337). Deux hypothèses sont alors envisageables (Figure 45): 1) les altérations cellulaires à

l’origine de l’hypersynchronie neuronale sont différentes entre les modèles murins, conséquence

possible des différences de promoteurs de l’expression du(es) transgène(s) ; 2) la cinétique

d’apparition de ces altérations est différente entre les modèles murins, étant donné que l’APP et le

peptide amyloïde joueraient un rôle dans les altérations de l’excitation et de l’inhibition neuronale

dans ces modèles et que la cinétique de l’amyloïdopathie varie d’un modèle à l’autre.

Afin de mieux comprendre les altérations cellulaires à l’origine de l’hypersynchronie neuronale dans

les modèles murins de la MA, il faudrait donc, pour chaque modèle, mesurer l’excitabilité intrinsèque

(potentiel membranaire de repos, par exemple) et les courants synaptiques (potentiels excitateurs et

inhibiteurs post synaptiques) des neurones excitateurs et inhibiteurs au niveau du cortex et de

l’hippocampe, à un même âge, ainsi qu’à des âges différents dans cette lignée. Ces mesures seraient

faites en parallèle des enregistrements EEG corticaux et hippocampiques pour la détection des

pointes interictales, afin de mettre en regard l’expression de l’hypersynchronie neuronale (pointes)

et les altérations cellulaires qui pourraient en être la cause.

187

Figure 45. Schéma résumant les hypothèses sur l’origine de l’hypersynchronie neuronale dans les modèles murins de la MA. Les oscillations cérébrales normales reflètent l’excitation synchrone des neurones excitateurs (bleu) coordonnée et rythmée par l’inhibition interneuronale (orange). Dans les modèles murins de la MA, une hypersynchronie neuronale pourrait émerger d’une hyperexcitabilité des neurones excitateurs comme dans le cas des souris APPswexPS1M146V, ou d’une altération isolée de la fonction des interneurones. Mais elle pourrait également provenir initialement d’une hyperexcitabilité des neurones excitateurs à un instant tx, auquel s’ajouterait par la suite une altération de la fonction des interneurones à tx+1 comme chez les souris hAPPJ20 et APPswexPS1dE9 (202 , 306 , 322 , 337). Le scénario inverse est aussi possible.

D’après Born et al., l’APP mutée elle-même pourrait jouer un rôle dans l’hypersynchronie neuronale

dans les modèles murins de la MA (308). Afin de déterminer le rôle de la mutation de l’APP dans

l’hypersynchronie neuronale, la construction de modèles murins surexprimant une forme mutée de

l’APP humaine spécifiquement dans l’ensemble des cellules glutamatergiques (dirigée par le

promoteur du transporteur vésiculaire du glutamate (vGluT) ou dans les neurones GABAergiques

(dirigée par le promoteur du transporteur vésiculaire du GABA (vGAT)) pourrait être envisagée.

Plusieurs résultats pourraient être observés en EEG: une absence de pointes signifierait que

l’hypersynchronie neuronale nécessite un effet de l’APP mutée dans les deux types de neurones. Les

deux modèles murins pourraient présenter des pointes à l’EEG mais à des âges différents, suggérant

la vulnérabilité accrue d’un type neuronal. Enfin nous pourrions observer des pointes uniquement

dans un modèle, ce qui signifierait que l’expression de l’APP mutée dans ce type neuronal (excitateur

ou inhibiteur) est nécessaire et suffisante pour entrainer une hypersynchronie neuronale, bien qu’il

188

n’est pas exclu que l’effet de l’APP dans l’autre type neuronal puisse confèrer une susceptibilité à

l’hypersynchronie neuronale.

D’autre part, les structures anatomiques et les réseaux neuronaux à l’origine des crises d’épilepsie ou

des pointes interictales demeurent inconnus. Il serait important de déterminer ce(s) « foyers »

hyperexcitables notamment par la réalisation d’enregistrement EEG multi-électrodes réparties au

niveau de différents cortex et implantées en intra-crânial dans l’hippocampe et dans des structures

clé, foyers épileptogéniques retrouvés dans les différents types d’épilepsie chez l’homme, comme le

thalamus (épilepsie d’absence) (427). Une fois la structure « hyperexcitable » identifiée, nous

pourrions envisager de coupler l’enregistrement de potentiels de champs locaux et l’imagerie

calcique in vitro afin de déterminer si les interneurones ou les neurones excitateurs sont activés en

premier au moment où une pointe émerge. Enfin, il faudrait préciser la nature de ces neurones, par

exemple, le type d’interneurone en fonction de sa morphologie et des neuromodulateurs qu’il

exprime, par immunohistochimie.

En conclusion, tous les modèles murins de la MA testés jusqu’à présent montrent tous une

susceptibilité aux crises d’épilepsie induites. La majorité des souris transgéniques présentent des

pointes sur les enregistrements EEG, alors que les crises d’épilepsie restent rares et difficiles à

détecter comportementalement, mais aussi par EEG. De plus, des altérations cellulaires de

l’hippocampe attestant de la présence de crises d’épilepsie sont observées dans tous les modèles

testés. Quant aux mécanismes de l’hypersynchronie neuronale, s’ils peuvent sembler différents en

apparence, d’autres travaux sont nécessaires pour explorer les modifications de l’inhibition et de

l’excitation neuronale dans chacun des modèles murins de la MA afin de déterminer si les altérations

sont distinctes ou si leur décours temporel est différent entre les modèles. Enfin, la détermination

des structures anatomiques et de la nature précise des neurones impliqués dans la genèse des

pointes et des crises est essentielle pour comprendre la physiopathologie de l’hypersynchronie

neuronale dans ces modèles de la MA.

II) Le phénotype des souris Tg2576 : épilepsie ou susceptibilité à l’épilepsie?

Même si les modèles murins de la MA présentent des crises d’épilepsie et des pointes interictales,

l’absence de certaines altérations cellulaires impliquées dans l’épileptogenèse chez les souris

hAPPJ20, comme la mort cellulaire et les synapses récurrentes sur les cellules granulaires du gyrus

denté, laisse à penser que l’hypersynchronie neuronale observée dans les modèles murins de la MA

189

ne serait pas réellement un type d’épilepsie. Dans ce travail de thèse, nous avons mis en évidence

que toutes les souris Tg2576 (du moins 99% d’entre elles) présentent des pointes interictales. Selon

Ditcher, les pointes sont le marqueur électrophysiologique d’une région corticale hyperexcitable et

émergent d’une région à fort potentiel épileptogénique. En tant que telles, les pointes sont

considérées comme la plus précoce manifestation électrique du processus épileptogènique (199).

D’autre part, l’induction d’un status epilepticus chez le rat déclenche un processus d’épileptogenèse

qui, pendant la phase latente, se manifeste par l’apparition de pointes avant l’apparition des

premières crises (428). Donc les pointes interictales chez les souris Tg2576 traduisent la présence

d’une hyperexcitabilité neuronale et pourraient exister en l’absence de crises d’épilepsie chez ces

souris. L’épilepsie est définie comme un désordre neuronal caractérisé par la récurrence de crises

d’épilepsie. Chez les souris Tg2576, les crises d’épilepsie sont rares et difficilement détectées par des

enregistrements EEG de 24h, seules trois crises ont pu être enregistrées chez des souris Tg2576 sur

les 83 sessions EEG de 24h réalisées au cours de cette thèse, tous âges et sexes confondus. D’autre

part, à l’âge de 6 mois, 30 à 40 % des souris montrent une expression du NPY dans les fibres

moussues, qui est un marqueur reconnu de crises d’épilepsie chroniques. On peut donc en conclure

que les crises d’épilepsie sont peu fréquentes mais qu’elles surviennent dans une proportion non

négligeable de souris mais pas toutes. Le fait que les crises d’épilepsie ne soient pas observées chez

toutes les souris Tg2576 soulève deux hypothèses : 1) à l’âge de 6 mois, le processus

d’épileptogenèse n’est pas encore abouti et peu de souris Tg2576 présentent des crises d’épilepsie

malgré la présence de pointes, 2) le phénotype des souris Tg2576 n’est pas épileptique. De plus, chez

les animaux modèles d’épilepsie du lobe temporal, une mortalité neuronale importante, notamment

des interneurones du hile exprimant la somatostatine ainsi que certains remodelages pro-

épileptogènes comme une neurogenèse aberrante ou la formation de collatérales moussues

récurrentes sont observés. A l’âge de 6 mois, les souris Tg2576 présentent une légère diminution du

nombre d’interneurones exprimant la somatostatine dans le hile, plus marquée dans le stratum

oriens de CA1 (330). D’autre part, Chan et son équipe ont montré que les souris Tg2576 de 12-16

mois présentent des collatérales de fibres moussues au niveau supragranulaire, comme chez les

souris hAPPJ20, mais pas au niveau de la couche moléculaire interne (310). Il est donc peu probable

que les collatérales moussues excitent les cellules granulaires au niveau dendritique et favorisent une

excitation récurrente chez les souris Tg2576, ce qui dans les modèles d’épilepsie favorise la

chronicité des crises d’épilepsie. Donc les souris Tg2576 même âgées ne présenteraient pas de

synapses récurrentes sur les cellules granulaires, ce qui pourrait expliquer la rareté des crises

d’épilepsie. Sur la base de ces données, il semble que les souris Tg2576 présentent une susceptibilité

particulière aux crises d’épilepsie mais pas d’épilepsie à proprement parler.

190

Afin de préciser l’incidence des crises d’épilepsie chez les souris Tg2576, nous pourrions envisager

soit 1) de réaliser des enregistrements EEG prolongés en suivi longitudinal (par exemple, un par mois)

soit 2) de réaliser un enregistrement EEG prolongé chez des souris Tg2576 âgées, en faisant

l’hypothèse qu’à un âge où l’amyloïdopathie est habituellement très élevée, elle favoriserait

l’apparition des crises d’épilepsie. La première solution semble plus intéressante car elle permettrait

de suivre l’évolution de l’incidence des crises d’épilepsie. D’autre part, les souris âgées sont celles qui

ont survécu probablement parce que leur pathologie amyloïde est plus modérée ou qu’elles ont une

meilleure résistance aux atteintes cérébrales induites par l’amyloïdopathie. Il est donc possible qu’au

contraire les souris Tg2576 âgées « survivantes » soient celles qui présentent le moins de crises

d’épilepsie, et que l’incidence des crises chez ces souris ne soit pas représentative.

D’autre part, il faudrait également réaliser des analyses immunohistochimiques afin de rechercher

les similitudes ou différences d’altération cellulaires entre le modèle Tg2576 et les modèles animaux

d’épilepsie. Tout d’abord, il faudrait confirmer objectivement l’absence de synapses récurrentes sur

les cellules granulaires chez les souris Tg2576, suggérée par l’étude de Chan. De plus, nous pourrions

rechercher l’expression aberrante des récepteurs au kaïnate au niveau des fibres moussues

collatérales, mise en évidence au niveau des synapses récurrentes dans le modèle d’épilepsie induite

par la pilocarpine (248). Enfin, il serait intéressant de préciser si une neurogenèse aberrante survient

chez les souris Tg2576, comme en témoignerait la présence de cellules granulaires néoformées dans

des régions ectopiques ou la présence de dendrites basales chez ces cellules (429).

En conclusion, il semblerait que les souris Tg2576 présentent une hyperexcitabilité neuronale, une

hypersynchronie neuronale mais pas d’épilepsie véritable.

III) La précocité de l’hypersynchronie neuronale chez les souris Tg2576

Nous avons montré que l’hypersynchronie neuronale est très précoce chez les souris Tg2576, dès

l’âge de 1 mois ½, ce qui correspond à la fin de l’adolescence chez ces animaux. A cet âge-là, les

souris Tg2576 présentent une faible quantité de peptide Aβ42 oligomérique soluble dans le cerveau,

de l’ordre de la dizaine de picomoles par gramme (93, 430), qui est particulièrement augmentée dans

le gyrus denté par rapport aux autres régions cérébrales (99). Plusieurs études in vitro et in vivo ont

montré que le peptide amyloïde oligomérique et fibrillaire entraine une hyperexcitabilité neuronale

(203, 343 , 344 ). De plus, l’incubation de coupes d’hippocampe de souris saines avec une solution de

peptide amyloïde Aβ42 diminue la recapture du calcium par la mitochondrie et perturbe

191

l’homéostasie calcique, ce qui pourrait influencer l’excitation neuronale (99). Or, une telle altération

mitochondriale de l’homéostasie calcique a été mise en évidence dans les cellules granulaires du

gyrus denté des souris Tg2576, dès l’âge de 1 mois ½ (99). Nous pouvons faire l’hypothèse que

l’hypersynchronie neuronale précoce que nous avons observée chez les souris Tg2576 proviendrait

d’un effet délétère du peptide amyloïde sur la gestion mitochondriale de l’homéostasie calcique et

donc sur l’excitabilité neuronale. Le Trolox, un analogue structural de la vitamine E et antioxydant

puissant, permet d’éliminer cette dérégulation calcique des cellules granulaires (99). Notre

hypothèse de l’implication mitochondriale dans l’hypersynchronie neuronale chez les souris Tg2576

pourrait être vérifiée en évaluant l’effet d’une supplémentation en vitamine E débutée à l’âge de 1

mois sur les courants calciques des cellules granulaires du gyrus denté par imagerie calcique in vivo

et sur l’activité épileptiforme des souris Tg2576 à l’âge de 1 mois ½.

IV) Que nous apprend le modèle Tg2576 sur le rôle de l’hypersynchronie neuronale dans les troubles mnésiques ?

Jusqu’à présent, les études qui ont tenté d’établir un lien entre les troubles mnésiques et

l’hypersynchronie neuronale chez les souris modèles de la MA, n’ont pas donné de preuve irréfutable

d’un lien causal. Dans le modèle hAPPJ20, l’administration du lévétiracétam, médicament

antiépileptique, a supprimé les pointes interictales et l’expression du NPY dans les fibres moussues et

amélioré les performances mnésiques de ces souris (316). Dans cette étude, l’effet du lévétiracétam

sur les performances mnésiques des souris hAPPJ20 peut être dû à la réduction de l’hypersynchronie

neuronale et/ou des remodelages cellulaires qui y sont associés mais aussi à d’autres effets

bénéfiques sur la fonction cérébrale. En effet, chez les souris APPswexPS1dE9, Shi a montré que le

lévétiracétam améliore les performances mnésiques et que cet effet s’accompagne d’une inhibition

de l’activité enzymatique HDAC (431), enzyme qui désacétyle la chromatine et entraine la répression

de l’expression de gènes importants pour l’apprentissage et la mémoire (432). D’autre part, une

même altération originelle pourrait être à la fois la cause de l’hypersynchronie neuronale et celle des

troubles mnésiques. Par exemple, le syndrome de Dravet est une épilepsie infantile qui induit des

troubles mnésiques, due à la mutation des canaux Nav1.1. Or, si cette mutation n’est exprimée que

dans le septum, les troubles mnésiques surviennent en l’absence de tout phénotype épileptique

(250). Si un agent pharmacologique venait à éliminer cette altération originelle, la suppression de

l’hypersynchronie neuronale qui en résulterait pourrait être considérée à tort comme la cause de

l’amélioration des performances mnésiques. Afin de déterminer si l’effet du lévétiracétam sur la

mémoire ne dépend que de son effet antiépileptique, il faudrait comparer l’effet du lévétiracetam

192

sur les performances mnésiques des souris d’une lignée modèle de la MA présentant une

hypersynchronie neuronale (pointes et crises) et d’une lignée modèle de la MA qui n’en présente

pas : par exemple la lignée APPSwe/Lon/PS1M146V double knock-in qui, selon Born et al., présente des

troubles mnésiques très précoces à l’âge de 2-3 mois et pas d’anomalies EEG épileptiformes à l’âge

de 22-24 mois (308).

Dans quelle mesure les crises d’épilepsie, les pointes interictales ou l’expression du NPY dans les

fibres moussues pourraient-elles participer aux troubles mnésiques chez les souris Tg2576 ?

Les pointes interictales débutent dès l’âge de 1 mois ½, avant l’apparition des troubles mnésiques à 3

mois, et leur fréquence n’augmente pas avec l’âge (entre 1 et 6 mois). Si elles avaient eu un effet

direct sur les processus mnésiques, des troubles mnésiques auraient dû apparaitre dès l’âge de 1

mois ½, ce qui n’a pas été rapporté. On peut également exclure qu’une augmentation de la

fréquence des pointes ait pu provoquer in fine des déficits mnésiques. Donc, ces données ne

semblent pas plaider en faveur d’un rôle des pointes interictales dans la dysfonction mnésique des

souris Tg2576.

D’autre part, les crises d’épilepsie sont rares chez les souris Tg2576, ce qui rend peu probable leur

contribution directe aux déficits mnésiques. En revanche, les modifications protéiques qu’elles

induisent de façon durable dans l’hippocampe sont des candidats plus sérieux. Nous avons remarqué

que 30 à 40 % des souris Tg2576 de 6 mois présentent une expression du NPY dans les fibres

moussues. Cette expression ectopique du NPY va limiter la libération du glutamate (415), ce qui

diminue la transmission synaptique normale au niveau des synapses moussues. Des expériences de

surexpression du NPY par vecteur viral, dans la région CA1, montre que chez les rats non

épileptiques, cette expression altère la potentialisation à long-terme des cellules pyramidales de CA1

(433). Donc, il est possible que l’expression du NPY dans les fibres moussues chez les souris Tg2576

altère la potentialisation à long-terme au niveau de ces synapses et perturbe l’apprentissage et la

mémorisation dont elle serait l’un des substrats. De plus, la proportion de souris Tg2576 exprimant le

NPY dans les fibres moussues semble augmenter avec l’âge, de pair avec la probabilité d’observer

des troubles mnésiques dans cette lignée. Afin de rechercher le lien entre l’expression ectopique du

NPY ou la survenue des crises d’épilepsie et les troubles mnésiques des souris Tg2576, il serait

intéressant de tirer parti de la variabilité inter-individuelle de ces phénotypes chez les souris Tg2576

pour corréler leur présence avec le niveau de performances mnésiques. Il s’agirait de corréler la

présence ou non d’expression du NPY dans les fibres moussues et le fait que les souris se soient

rappelées ou non la tâche apprise, par exemple dans un test de localisation d’objet. De plus, nous

pourrions enregistrer en EEG les souris Tg2576 plusieurs jours avant, immédiatement après une

193

phase d’apprentissage et avant le rappel pour déterminer si la survenue de crises d’épilepsie pendant

ces périodes-là est corrélée avec un déficit d’apprentissage, de consolidation ou de rappel mnésique.

Si les souris Tg2576 présentant une expression de NPY dans les fibres moussues avaient de

mauvaises performances mnésiques, nous pourrions vérifier l’existence d’un lien causal entre ces

deux phénotypes en réalisant un KO du gène du NPY uniquement dans les cellules granulaires du

gyrus denté et en comparant les performances mnésiques des souris Tg2576 avec et sans KO

conditionnel, à un âge auquel les souris Tg2576 présentent normalement une expression du NPY

dans les fibres moussues et des troubles mnésiques robustes. Il est également probable que d’autres

modifications protéiques induites par les crises d’épilepsie jouent un rôle dans la dysfonction

mnésique, comme la diminution de l’expression de la calbindine dans les cellules granulaires du gyrus

denté qui a été corrélée avec les troubles mnésiques chez les souris hAPPJ20 (318).

D’une manière générale, le lien causal entre l’hypersynchronie neuronale et les troubles mnésiques

dans la MA reste difficile à établir, d’autant plus en l’absence d’une connaissance précise de la cause

de l’hypersynchronie neuronale dans la MA qui pourrait très bien contribuer aux troubles mnésiques,

indépendamment de l’hypersynchronie neuronale elle-même. Mon travail de thèse permet de

suggérer que si l’hypersynchronie neuronale jouait un rôle dans l’apparition des troubles mnésiques

dans le modèle Tg2576, ce serait plus probablement via les remodelages durables du NPY dans les

fibres moussues, qui pourraient avoir des conséquences à long-terme sur la fonction mnésique, que

par l’action directe des pointes interictales ou des crises d’épilepsie sur les processus mnésiques.

V) L’effet de l’enrichissement environnemental sur l’hypersynchronie neuronale des souris Tg2576

Notre équipe a montré qu’un enrichissement environnemental débuté à 3 mois et durant 10

semaines (EE précoce) améliore les performances mnésiques des souris Tg2576 de 13 mois, dans les

tests de la piscine de Morris et de la reconnaissance d’objet (317). Un lien causal entre

l’hypersynchronie neuronale et les troubles mnésiques dans les modèles murins de la MA étant

possible, nous avons voulu déterminer si l’effet bénéfique de l’EE sur les performances mnésiques

pouvait être associé à une réduction de l’hypersynchronie neuronale dans ce modèle.

Nous avons montré que l’EE n’affecte pas la fréquence des pointes interictales mais cela ne veut pas

dire que l’EE n’a pas eu d’effet sur les crises d’épilepsie. En effet, des études montrent que la

survenue de pointes interictales pourrait être associée avec une diminution de la survenue des crises

d’épilepsie (434 , 435). De plus, nous n’avons pas mis en évidence d’effet de l’EE sur l’expression du

194

NPY dans les fibres moussues mais cet effet a été mesuré deux semaines après la sortie de l’EE. On

ne peut pas exclure que si l’EE avait eu un effet aigu sur la survenue des crises d’épilepsie,

l’expression du NPY aurait disparu dans les fibres moussues pendant l’EE puis serait réapparue avec

la réapparition des crises dans les deux semaines suivant la fin de la période d’enrichissement. Il

existe donc une mince possibilité que l’EE ait eu un effet aigu sur la survenue des crises d’épilepsie

mais que nous n’ayons pu le mettre en évidence. Afin de confirmer l’effet de l’EE sur la survenue des

crises pendant l’EE, il aurait fallu réaliser l’immunohistochimie du NPY immédiatement après l’EE ou

faire des enregistrements EEG de plusieurs semaines avant et pendant l’EE par EEG télémétrique

(sans fil), assez prolongés pour mettre en évidence un nombre suffisant de crises d’épilepsie.

Nous avons montré que l’enrichissement environnemental réalisé entre 3 et 5,5 mois n’a pas d’effet

durable sur l’hypersynchronie neuronale des souris Tg2576, effet mesuré deux semaines après la fin

de la période d’enrichissement. Ce résultat est confirmé par la persistance de l’expression ectopique

du NPY à l’âge de 13 mois chez les souris Tg2576 soumises à ce même enrichissement (317). Ce

résultat implique tout d’abord que l’amélioration mnésique des souris Tg2576 de 13 mois enrichies

précocement provient d’autres effets de l’EE. De nombreuses études ont montré que l’EE favorise le

développement dendritique et synaptique, l’expression de protéines impliquées dans la plasticité

synaptique telle que la PSD95 ou Arc, mais aussi stimule la neurogenèse hippocampique adulte et

augmente le taux extracellulaire des neurotrophines dans différents modèles murins de la MA (374,

390 ). Or, toutes ces modifications induites par l’EE peuvent favoriser l’établissement de mémoires à

long-terme. Par exemple, l’administration d’un antimitotique pendant l’enrichissement de rat

sauvages diminue la neurogenèse adulte dans l’hippocampe et prévient la formation d’une mémoire

à long-terme qui était normalement observée chez des rats enrichis en association avec une

augmentation de la neurogenèse (376). Or, Jeong a montré qu’un EE réalisé entre 3 et 6 mois chez

des souris Tg2576 augmente la neurogenèse chez ces souris à l’âge de 6 mois (276). De plus, Gerenu

rapporte que les stimulations cognitives précoces empêchent la diminution des protéines Arc et

PSD95 chez les souris Tg2576 de 15 mois (350). Il est donc possible que l’amélioration mnésique des

souris Tg2576 provienne d’une augmentation de la neurogenèse et de la plasticité synaptique. Donc,

conformément à l’hypothèse de la réserve cognitive, l’EE pourrait renforcer les substrats cellulaires

de l’apprentissage et de la mémoire chez les souris Tg2576 leur permettant de maintenir de bonnes

performances mnésiques malgré la persistance des causes du déclin mnésique chez ces souris dont

l’hypersynchronie neuronale pourrait faire partie. La réserve cognitive crée un décalage entre le

niveau d’atteinte cérébrale et l’expression clinique de ses effets sur les fonctions cognitives, ainsi

dans notre étude, il nous est impossible de conclure sur une absence de lien causal entre

l’hypersynchronie neuronale et les troubles mnésiques chez les souris Tg2576.

195

Une hypothèse alternative serait que l’EE améliore les performances mnésiques chez les souris

Tg2576 en prévenant l’induction par les crises d’épilepsie de remodelages cellulaires qui perturbent

les processus mnésiques. Notamment, les crises d’épilepsie peuvent induire une neurogenèse

aberrante qui a été associée aux troubles mnésiques dans un modèle de rat épileptique (436). Or,

l’apparition de cette neurogenèse aberrante peut être prévenue par une augmentation de

l’acétylation des histones qui module l’expression de gènes impliqués dans l’induction de cette

neurogenèse (436). Or, il a été montré que l’EE augmente l’acétylation des histones (437). Si une

neurogenèse aberrante était induite suite aux crises d’épilepsie chez les souris Tg2576 et perturbait

les processus mnésiques, nous pourrions envisager qu’en augmentant l’acétylation des histones, l’EE

prévienne le phénomène neurogénique et l’altération mnésique associée. Cet effet interviendrait

malgré la persistance des crises d’épilepsie chez les souris Tg2576.

En conclusion, l’étude de l’effet de l’enrichissement sur l’hypersynchronie neuronale des souris

Tg2576 ne nous permet en aucun cas de conclure sur l’absence de lien entre l’hypersynchronie

neuronale et les troubles mnésiques dans ce modèle de la MA. Cette étude confirme que l’EE peut

aider à maintenir les performances mnésiques des souris Tg2576 sans agir sur les

dysfonctionnements cérébraux qui pourraient les perturber, tels que l’hypersynchronie neuronale, ce

qui est en accord avec la notion de réserve cognitive.

VI) Que nous apprennent ces modèles murins sur l’hypersynchronie neuronale dans la MA chez l’homme ?

La pertinence d’étudier l’hypersynchronie neuronale chez le rongeur a été largement démontrée sur

les modèles animaux d’épilepsie (rat ou souris) qui ont permis de mettre en évidence de nombreux

mécanismes neurobiologiques de l’épileptogenèse et l’impact comportemental des crises d’épilepsie

(438). Donc la souris peut être un modèle approprié pour étudier l’hypersynchronie neuronale. Cela

étant dit, la modélisation de la MA humaine chez la souris présente ses forces et ses faiblesses. Du

point de vue de leur construction, basée sur la surexpression de formes mutées d’APP, ces lignées de

souris modélisent davantage la cause des formes familiales que celles des formes sporadiques

humaines, qui sont multifactorielles. D’un point de vue phénotypique, ces modèles murins

reproduisent la majorité des altérations retrouvées chez les patients atteints de la MA : 1)

comportementales, telles que les troubles mnésiques, l’hyperactivité locomotrice, la désinhibition

comportementale ou la mortalité prématurée 2) anatomiques, comme les plaques amyloïdes,

l’hyperphosphorylation de tau ou les dégénerescences synaptiques (67 , 439). Cependant, certaines

altérations caractéristiques comme les dégénérescences neurofibrillaires ne sont pas observées dans

196

ces modèles. Vis-à-vis des altérations comportementales et cellulaires, ces lignées de souris

transgéniques présentent une grande variabilité inter-individuelle comme chez les patients atteints

de la MA. En revanche, de nombreux traitements efficaces sur ces modèles murins de la MA n’ont

pas eu l’efficacité escomptée chez le patient (440). Donc, la modélisation de la MA chez la souris

présentant ses limites, l’extrapolation à l’homme des données murines concernant

l’hypersynchronie neuronale est donc à considérer avec précaution.

Concernant l’application des données murines aux formes humaines familiales de la MA, les crises

d’épilepsie ont été observées dans une proportion similaire chez les patients atteints de forme

génétique et chez les modèles murins de la MA (environ 30 à 60 %) (298 , 299 , 300). En effet, 25 %

des souris APPswexPS1dE9 enregistrées en EEG pendant 3 semaines ont présenté des crises d’épilepsie

(203). Environ 40 % des souris hAPPJ20 (306) et environ 30 % des souris Tg2576 de 6 mois étudiées

dans ce travail de thèse ont présenté une expression ectopique du NPY dans les fibres moussues,

traduisant la survenue de crises d’épilepsie. D’autre part, il existe une grande variabilité inter-

individuelle chez les patients atteints de formes génétiques de la MA, due à une grande diversité des

mutations de l’APP ou des présénilines retrouvées chez ces patients. Comme chez les souris modèles,

on peut supposer que l’origine des activités neuronales aberrantes peut varier en termes de nature

ou de cinétique en fonction de la mutation de ces patients. Les patients porteurs d’une mutation

isolée de la préséniline 1 ou 2 présentent des crises d’épilepsie en proportion équivalente à celle des

patients porteurs d’une APP mutée (298, 299 ). A ce jour, l’hypersynchronie neuronale n’a jamais été

recherchée dans les modèles murins exprimant de façon isolée une préséniline mutée. Il serait

intéressant de l’investiguer afin de déterminer si la mutation d’une préséniline peut induire des

pointes interictales chez la souris et si tel est le cas, préciser les différences mécanistiques de

l’hypersynchronie neuronale existant entre les mutations de l’APP et celles des présénilines, afin de

dissocier les effets de ces deux types de mutations dans les modèles doubles transgéniques.

Quant aux formes sporadiques de la MA, l’extrapolation des résultats obtenus chez la souris

transgénique aux patients atteints de la MA est beaucoup plus difficile. Cependant, quelques

données obtenues chez l’animal semblent s’appliquer à ces formes sporadiques. En effet, un déficit

des canaux Nav1.1 a été mis en évidence dans des cerveaux de patients atteints de la MA dont la

nature familiale de la maladie n’a pas été précisée et dont l’âge au moment du décès était compris

entre 70 et 90 ans, suggérant plutôt des formes sporadiques de la MA (282). Le déficit en canaux

sodiques contribuerait à l’hypersynchronie neuronale chez les souris hAPPJ20 (282). Ainsi, les

antiépileptiques bloqueurs de canaux sodiques comme la phénytoïne n’améliorent pas le phénotype

épileptique de ces souris (316), ce qui est aussi le cas des patients atteints de la MA (297). Ces

197

données montrent que certaines altérations retrouvées chez les souris modèles de la MA peuvent

être observées chez le patient atteint de la forme sporadique de la MA.

Enfin, les pointes interictales peuvent être détectées chez le patient atteint de la MA à un stade très

précoce (MCI) et sont associées à un déclin mnésique plus précoce (297). Cependant, elles restent

difficile à détecter sur un EEG de surface chez ces patients, ce qui pourrait expliquer les différences

de prévalence des pointes observées entre la souris modèle et le patient atteint de la MA. Pour avoir

de bonnes chances de les observer, il faudrait réaliser des EEG intra-crâniaux, qui ne sont réalisés

qu’en prévision d’une chirurgie, ce qui exclut cette possibilité pour améliorer la détection des pointes

chez l’Homme. Cette difficulté de détection constitue un obstacle majeur à l’utilisation des pointes

interictales comme marqueur prédictif du déclin mnésique chez les patients atteints de la forme

sporadique ou familiale de la MA, bien que leur apparition précoce chez les souris Tg2576, avant les

premiers troubles mnésiques, ait pu suggérer cette éventualité.

VII) Conclusion générale de cette thèse

A l’issue de cette thèse, nous apprenons que l’hypersynchronie neuronale apparait très tôt chez

les souris Tg2576 et qu’il est fort probable qu’il en soit ainsi dans les autres modèles de la MA. Cette

observation semble indiquer un lien très direct entre la mutation de l’APP et/ou l’excès de peptide

amyloïde Aβ42 et l’apparition de l’hyperexcitabilité et hypersynchronie neuronales. La rareté des

crises d’épilepsie dans le modèle Tg2576 et les autres modèles murins ainsi que l’absence de

remodelage pro-épileptogène dans l’hippocampe semblent indiquer que les modèles murins ne

présentent pas une épilepsie à proprement parler mais simplement une hyperexcitabilité neuronale.

Cette rareté des crises semble montrer que l’hyperactivité neuronale est contenue par un

accroissement des contrôles inhibiteurs au lieu d’être entretenue comme dans l’épilepsie. Cette

« hyperinhibition » de l’hippocampe pourrait être à l’origine de la perturbation des processus

mnésiques, comme le suggère Palop et son équipe (306). Un lien causal entre l’hypersynchronie

neuronale et les troubles mnésiques chez les patients atteints de la MA et chez les souris modèles

reste encore à démontrer, et s’il existait, l’hypersynchronie neuronale s’ajouterait à la longue liste

des acteurs potentiels du déclin mnésique dans la MA. Face à cette multitude d’acteurs et face à

l’ignorance de l’évènement causal central dans la MA, les stimulations cognitives offrent une

approche « préventive et thérapeutique » efficace qui néglige le traitement de la cause de l’atteinte

cérébrale mais permet d’en limiter l’expression clinique par le développement de stratégies

cognitives alternatives.

198

199

REFERENCES

200

201

1. H. J. Moller, M. B. Graeber, The case described by Alois Alzheimer in 1911. Historical and conceptual perspectives based on the clinical record and neurohistological sections. Eur Arch Psychiatry Clin Neurosci 248, 111-122 (1998).

2. E. Levy-Lahad, W. Wasco, P. Poorkaj, D. M. Romano, J. Oshima, W. H. Pettingell, C. E. Yu, P. D.

Jondro, S. D. Schmidt, K. Wang, et al., Candidate gene for the chromosome 1 familial Alzheimer's disease locus. Science 269, 973-977 (1995); published online EpubAug 18 (

3. A. Goate, M. C. Chartier-Harlin, M. Mullan, J. Brown, F. Crawford, L. Fidani, L. Giuffra, A.

Haynes, N. Irving, L. James, et al., Segregation of a missense mutation in the amyloid precursor protein gene with familial Alzheimer's disease. Nature 349, 704-706 (1991); published online EpubFeb 21 (10.1038/349704a0).

4. M. Mullan, F. Crawford, K. Axelman, H. Houlden, L. Lilius, B. Winblad, L. Lannfelt, A

pathogenic mutation for probable Alzheimer's disease in the APP gene at the N-terminus of beta-amyloid. Nat Genet 1, 345-347 (1992); published online EpubAug (10.1038/ng0892-345).

5. R. Sherrington, E. I. Rogaev, Y. Liang, E. A. Rogaeva, G. Levesque, M. Ikeda, H. Chi, C. Lin, G. Li,

K. Holman, T. Tsuda, L. Mar, J. F. Foncin, A. C. Bruni, M. P. Montesi, S. Sorbi, I. Rainero, L. Pinessi, L. Nee, I. Chumakov, D. Pollen, A. Brookes, P. Sanseau, R. J. Polinsky, W. Wasco, H. A. Da Silva, J. L. Haines, M. A. Perkicak-Vance, R. E. Tanzi, A. D. Roses, P. E. Fraser, J. M. Rommens, P. H. St George-Hyslop, Cloning of a gene bearing missense mutations in early-onset familial Alzheimer's disease. Nature 375, 754-760 (1995); published online EpubJun 29 (10.1038/375754a0).

6. H. W. Querfurth, F. M. LaFerla, Alzheimer's disease. N Engl J Med 362, 329-344 (2010);

published online EpubJan 28 (10.1056/NEJMra0909142). 7. M. X. Tang, D. Jacobs, Y. Stern, K. Marder, P. Schofield, B. Gurland, H. Andrews, R. Mayeux,

Effect of oestrogen during menopause on risk and age at onset of Alzheimer's disease. Lancet 348, 429-432 (1996); published online EpubAug 17 (10.1016/S0140-6736(96)03356-9).

8. K. A. Jellinger, Head injury and dementia. Curr Opin Neurol 17, 719-723 (2004); published online EpubDec (00019052-200412000-00012 [pii]).

9. R. Mayeux, Epidemiology of neurodegeneration. Annu Rev Neurosci 26, 81-104

(2003)10.1146/annurev.neuro.26.043002.094919). 10. G. M. McKhann, D. S. Knopman, H. Chertkow, B. T. Hyman, C. R. Jack, Jr., C. H. Kawas, W. E.

Klunk, W. J. Koroshetz, J. J. Manly, R. Mayeux, R. C. Mohs, J. C. Morris, M. N. Rossor, P. Scheltens, M. C. Carrillo, B. Thies, S. Weintraub, C. H. Phelps, The diagnosis of dementia due to Alzheimer's disease: recommendations from the National Institute on Aging-Alzheimer's Association workgroups on diagnostic guidelines for Alzheimer's disease. Alzheimers Dement 7, 263-269 (2011); published online EpubMay (10.1016/j.jalz.2011.03.005).

11. L. Backman, B. J. Small, L. Fratiglioni, Stability of the preclinical episodic memory deficit in

Alzheimer's disease. Brain 124, 96-102 (2001); published online EpubJan ( 12. S. Sorbi, J. Hort, T. Erkinjuntti, T. Fladby, G. Gainotti, H. Gurvit, B. Nacmias, F. Pasquier, B. O.

Popescu, I. Rektorova, D. Religa, R. Rusina, M. Rossor, R. Schmidt, E. Stefanova, J. D. Warren, P. Scheltens, E. S. P. o. Dementia, N. Cognitive, EFNS-ENS Guidelines on the diagnosis and management of disorders associated with dementia. European journal of neurology : the

202

official journal of the European Federation of Neurological Societies 19, 1159-1179 (2012); published online EpubSep (10.1111/j.1468-1331.2012.03784.x).

13. M. F. Folstein, S. E. Folstein, P. R. McHugh, "Mini-mental state". A practical method for

grading the cognitive state of patients for the clinician. J Psychiatr Res 12, 189-198 (1975); published online EpubNov (

14. H. H. Feldman, B. Van Baelen, S. M. Kavanagh, K. E. Torfs, Cognition, function, and caregiving

time patterns in patients with mild-to-moderate Alzheimer disease: a 12-month analysis. Alzheimer Dis Assoc Disord 19, 29-36 (2005); published online EpubJan-Mar (

15. J. S. Snowden, C. L. Stopford, C. L. Julien, J. C. Thompson, Y. Davidson, L. Gibbons, A.

Pritchard, C. L. Lendon, A. M. Richardson, A. Varma, D. Neary, D. Mann, Cognitive phenotypes in Alzheimer's disease and genetic risk. Cortex 43, 835-845 (2007); published online EpubOct (

16. K. Blennow, M. J. de Leon, H. Zetterberg, Alzheimer's disease. Lancet 368, 387-403 (2006);

published online EpubJul 29 (S0140-6736(06)69113-7 [pii]10.1016/S0140-6736(06)69113-7).

17. D. P. Perl, Neuropathology of Alzheimer's disease. Mt Sinai J Med 77, 32-42 (2010); published online EpubJan-Feb (10.1002/msj.20157).

18. B. Lam, M. Masellis, M. Freedman, D. T. Stuss, S. E. Black, Clinical, imaging, and pathological

heterogeneity of the Alzheimer's disease syndrome. Alzheimers Res Ther 5, 1 (2013)10.1186/alzrt155alzrt155 [pii]).

19. N. C. Fox, J. M. Schott, Imaging cerebral atrophy: normal ageing to Alzheimer's disease. Lancet 363, 392-394 (2004); published online EpubJan 31 (10.1016/S0140-6736(04)15441-X).

20. O. Querbes, F. Aubry, J. Pariente, J. A. Lotterie, J. F. Demonet, V. Duret, M. Puel, I. Berry, J. C.

Fort, P. Celsis, I. Alzheimer's Disease Neuroimaging, Early diagnosis of Alzheimer's disease using cortical thickness: impact of cognitive reserve. Brain 132, 2036-2047 (2009); published online EpubAug (10.1093/brain/awp105).

21. P. J. Whitehouse, D. L. Price, R. G. Struble, A. W. Clark, J. T. Coyle, M. R. Delon, Alzheimer's

disease and senile dementia: loss of neurons in the basal forebrain. Science 215, 1237-1239 (1982); published online EpubMar 5 (

22. D. J. Selkoe, The molecular pathology of Alzheimer's disease. Neuron 6, 487-498 (1991);

published online EpubApr ( 23. V. W. Henderson, C. E. Finch, The neurobiology of Alzheimer's disease. J Neurosurg 70, 335-

353 (1989); published online EpubMar (10.3171/jns.1989.70.3.0335). 24. S. W. Pimplikar, Reassessing the amyloid cascade hypothesis of Alzheimer's disease. Int J

Biochem Cell Biol 41, 1261-1268 (2009); published online EpubJun (S1357-2725(08)00511-6 [pii]10.1016/j.biocel.2008.12.015).

25. J. A. Hardy, G. A. Higgins, Alzheimer's disease: the amyloid cascade hypothesis. Science 256, 184-185 (1992); published online EpubApr 10 (

203

26. I. Benilova, E. Karran, B. De Strooper, The toxic Abeta oligomer and Alzheimer's disease: an emperor in need of clothes. Nat Neurosci 15, 349-357 (2012); published online EpubMar (10.1038/nn.3028).

27. M. Kidd, Paired helical filaments in electron microscopy of Alzheimer's disease. Nature 197,

192-193 (1963); published online EpubJan 12 ( 28. I. Grundke-Iqbal, K. Iqbal, Y. C. Tung, M. Quinlan, H. M. Wisniewski, L. I. Binder, Abnormal

phosphorylation of the microtubule-associated protein tau (tau) in Alzheimer cytoskeletal pathology. Proc Natl Acad Sci U S A 83, 4913-4917 (1986); published online EpubJul (

29. K. Ueda, E. Masliah, T. Saitoh, S. L. Bakalis, H. Scoble, K. S. Kosik, Alz-50 recognizes a

phosphorylated epitope of tau protein. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 10, 3295-3304 (1990); published online EpubOct (

30. H. Braak, E. Braak, Neuropathological stageing of Alzheimer-related changes. Acta

neuropathologica 82, 239-259 (1991). 31. J. Z. Wang, Z. H. Wang, Q. Tian, Tau hyperphosphorylation induces apoptotic escape and

triggers neurodegeneration in Alzheimer's disease. Neurosci Bull 30, 359-366 (2014); published online EpubApr (10.1007/s12264-013-1415-y).

32. D. M. Niedowicz, P. T. Nelson, M. P. Murphy, Alzheimer's disease: pathological mechanisms

and recent insights. Curr Neuropharmacol 9, 674-684 (2011); published online EpubDec (10.2174/157015911798376181).

33. S. Tanaka, S. Shiojiri, Y. Takahashi, N. Kitaguchi, H. Ito, M. Kameyama, J. Kimura, S. Nakamura,

K. Ueda, Tissue-specific expression of three types of beta-protein precursor mRNA: enhancement of protease inhibitor-harboring types in Alzheimer's disease brain. Biochem Biophys Res Commun 165, 1406-1414 (1989); published online EpubDec 29 (

34. F. Checler, Processing of the beta-amyloid precursor protein and its regulation in Alzheimer's

disease. J Neurochem 65, 1431-1444 (1995); published online EpubOct ( 35. V. W. Chow, M. P. Mattson, P. C. Wong, M. Gleichmann, An overview of APP processing

enzymes and products. Neuromolecular Med 12, 1-12 (2010); published online EpubMar (10.1007/s12017-009-8104-z).

36. H. S. Hoe, H. K. Lee, D. T. Pak, The upside of APP at synapses. CNS Neurosci Ther 18, 47-56

(2012); published online EpubJan (10.1111/j.1755-5949.2010.00221.x). 37. W. T. Kimberly, M. J. LaVoie, B. L. Ostaszewski, W. Ye, M. S. Wolfe, D. J. Selkoe, Gamma-

secretase is a membrane protein complex comprised of presenilin, nicastrin, Aph-1, and Pen-2. Proc Natl Acad Sci U S A 100, 6382-6387 (2003); published online EpubMay 27 (10.1073/pnas.1037392100).

38. B. De Strooper, Aph-1, Pen-2, and Nicastrin with Presenilin generate an active gamma-

Secretase complex. Neuron 38, 9-12 (2003); published online EpubApr 10 (S0896627303002058 [pii]).

39. M. Citron, D. Westaway, W. Xia, G. Carlson, T. Diehl, G. Levesque, K. Johnson-Wood, M. Lee,

P. Seubert, A. Davis, D. Kholodenko, R. Motter, R. Sherrington, B. Perry, H. Yao, R. Strome, I.

204

Lieberburg, J. Rommens, S. Kim, D. Schenk, P. Fraser, P. St George Hyslop, D. J. Selkoe, Mutant presenilins of Alzheimer's disease increase production of 42-residue amyloid beta-protein in both transfected cells and transgenic mice. Nat Med 3, 67-72 (1997); published online EpubJan (

40. D. R. Borchelt, T. Ratovitski, J. van Lare, M. K. Lee, V. Gonzales, N. A. Jenkins, N. G. Copeland,

D. L. Price, S. S. Sisodia, Accelerated amyloid deposition in the brains of transgenic mice coexpressing mutant presenilin 1 and amyloid precursor proteins. Neuron 19, 939-945 (1997); published online EpubOct (S0896-6273(00)80974-5 [pii]).

41. J. Hardy, D. J. Selkoe, The amyloid hypothesis of Alzheimer's disease: progress and problems

on the road to therapeutics. Science 297, 353-356 (2002); published online EpubJul 19 (10.1126/science.1072994297/5580/353 [pii]).

42. R. D. Terry, E. Masliah, D. P. Salmon, N. Butters, R. DeTeresa, R. Hill, L. A. Hansen, R. Katzman, Physical basis of cognitive alterations in Alzheimer's disease: synapse loss is the major correlate of cognitive impairment. Ann Neurol 30, 572-580 (1991); published online EpubOct (10.1002/ana.410300410).

43. R. Katzman, R. Terry, R. DeTeresa, T. Brown, P. Davies, P. Fuld, X. Renbing, A. Peck, Clinical,

pathological, and neurochemical changes in dementia: a subgroup with preserved mental status and numerous neocortical plaques. Ann Neurol 23, 138-144 (1988); published online EpubFeb (10.1002/ana.410230206).

44. G. D. Rabinovici, W. J. Jagust, Amyloid imaging in aging and dementia: testing the amyloid

hypothesis in vivo. Behav Neurol 21, 117-128 (2009)23338Q121V142311 [pii]10.3233/BEN-2009-0232).

45. S. Stewart, F. Cacucci, C. Lever, Which memory task for my mouse? A systematic review of spatial memory performance in the Tg2576 Alzheimer's mouse model. J Alzheimers Dis 26, 105-126 (2011)10.3233/JAD-2011-101827).

46. A. Krezymon, K. Richetin, H. Halley, L. Roybon, J. M. Lassalle, B. Frances, L. Verret, C. Rampon,

Modifications of hippocampal circuits and early disruption of adult neurogenesis in the tg2576 mouse model of Alzheimer's disease. PLoS One 8, e76497 (2013)10.1371/journal.pone.0076497).

47. S. Lesne, M. T. Koh, L. Kotilinek, R. Kayed, C. G. Glabe, A. Yang, M. Gallagher, K. H. Ashe, A

specific amyloid-beta protein assembly in the brain impairs memory. Nature 440, 352-357 (2006); published online EpubMar 16 (10.1038/nature04533).

48. L. Mucke, E. Masliah, G. Q. Yu, M. Mallory, E. M. Rockenstein, G. Tatsuno, K. Hu, D.

Kholodenko, K. Johnson-Wood, L. McConlogue, High-level neuronal expression of abeta 1-42 in wild-type human amyloid protein precursor transgenic mice: synaptotoxicity without plaque formation. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 20, 4050-4058 (2000); published online EpubJun 1 (20/11/4050 [pii]).

49. J. Brouillette, R. Caillierez, N. Zommer, C. Alves-Pires, I. Benilova, D. Blum, B. De Strooper, L.

Buee, Neurotoxicity and memory deficits induced by soluble low-molecular-weight amyloid-beta1-42 oligomers are revealed in vivo by using a novel animal model. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 32, 7852-7861 (2012); published online EpubJun 6 (32/23/7852 [pii]10.1523/JNEUROSCI.5901-11.2012).

205

50. D. M. Hartley, D. M. Walsh, C. P. Ye, T. Diehl, S. Vasquez, P. M. Vassilev, D. B. Teplow, D. J. Selkoe, Protofibrillar intermediates of amyloid beta-protein induce acute electrophysiological changes and progressive neurotoxicity in cortical neurons. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 19, 8876-8884 (1999); published online EpubOct 15 (

51. S. Inoue, In situ Abeta pores in AD brain are cylindrical assembly of Abeta protofilaments.

Amyloid 15, 223-233 (2008); published online EpubDec (906494888 [pii]10.1080/13506120802524858).

52. S. Li, M. Jin, T. Koeglsperger, N. E. Shepardson, G. M. Shankar, D. J. Selkoe, Soluble Abeta oligomers inhibit long-term potentiation through a mechanism involving excessive activation of extrasynaptic NR2B-containing NMDA receptors. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 31, 6627-6638 (2011); published online EpubMay 4 (31/18/6627 [pii]10.1523/JNEUROSCI.0203-11.2011).

53. S. Tu, S. Okamoto, S. A. Lipton, H. Xu, Oligomeric Abeta-induced synaptic dysfunction in Alzheimer's disease. Mol Neurodegener 9, 48 (2014)1750-1326-9-48 [pii]10.1186/1750-1326-9-48).

54. T. A. Schoenfeld, R. A. Obar, Diverse distribution and function of fibrous microtubule-associated proteins in the nervous system. Int Rev Cytol 151, 67-137 (1994).

55. K. J. Bohm, W. Vater, P. Steinmetzer, S. A. Kusnetsov, V. I. Rodionov, V. I. Gelfand, E. Unger,

Effect of MAP 1, MAP 2, and tau-proteins on structural parameters of tubulin assemblies. Acta Histochem Suppl 39, 357-364 (1990).

56. R. Brandt, G. Lee, The balance between tau protein's microtubule growth and nucleation

activities: implications for the formation of axonal microtubules. J Neurochem 61, 997-1005 (1993); published online EpubSep (

57. J. Biernat, N. Gustke, G. Drewes, E. M. Mandelkow, E. Mandelkow, Phosphorylation of Ser262

strongly reduces binding of tau to microtubules: distinction between PHF-like immunoreactivity and microtubule binding. Neuron 11, 153-163 (1993); published online EpubJul (0896-6273(93)90279-Z [pii]).

58. G. T. Bramblett, M. Goedert, R. Jakes, S. E. Merrick, J. Q. Trojanowski, V. M. Lee, Abnormal

tau phosphorylation at Ser396 in Alzheimer's disease recapitulates development and contributes to reduced microtubule binding. Neuron 10, 1089-1099 (1993); published online EpubJun (0896-6273(93)90057-X [pii]).

59. N. Crespo-Biel, C. Theunis, F. Van Leuven, Protein tau: prime cause of synaptic and neuronal

degeneration in Alzheimer's disease. Int J Alzheimers Dis 2012, 251426 (2012)10.1155/2012/251426).

60. I. Khlistunova, J. Biernat, Y. Wang, M. Pickhardt, M. von Bergen, Z. Gazova, E. Mandelkow, E.

M. Mandelkow, Inducible expression of Tau repeat domain in cell models of tauopathy: aggregation is toxic to cells but can be reversed by inhibitor drugs. J Biol Chem 281, 1205-1214 (2006); published online EpubJan 13 (M507753200 [pii]10.1074/jbc.M507753200).

61. K. Santacruz, J. Lewis, T. Spires, J. Paulson, L. Kotilinek, M. Ingelsson, A. Guimaraes, M. DeTure, M. Ramsden, E. McGowan, C. Forster, M. Yue, J. Orne, C. Janus, A. Mariash, M. Kuskowski, B. Hyman, M. Hutton, K. H. Ashe, Tau suppression in a neurodegenerative mouse

206

model improves memory function. Science 309, 476-481 (2005); published online EpubJul 15 (309/5733/476 [pii]10.1126/science.1113694).

62. E. D. Roberson, K. Scearce-Levie, J. J. Palop, F. Yan, I. H. Cheng, T. Wu, H. Gerstein, G. Q. Yu, L. Mucke, Reducing endogenous tau ameliorates amyloid beta-induced deficits in an Alzheimer's disease mouse model. Science 316, 750-754 (2007); published online EpubMay 4 (10.1126/science.1141736).

63. L. Buee, T. Bussiere, V. Buee-Scherrer, A. Delacourte, P. R. Hof, Tau protein isoforms,

phosphorylation and role in neurodegenerative disorders. Brain Res Brain Res Rev 33, 95-130 (2000); published online EpubAug (S0165017300000199 [pii]).

64. A. Toledano, M. I. Alvarez, A. B. Lopez-Rodriguez, A. Toledano-Diaz, C. I. Fernandez-Verdecia,

[Does Alzheimer's disease exist in all primates? Alzheimer pathology in non-human primates and its pathophysiological implications (II)]. Neurologia 29, 42-55 (2014); published online EpubJan-Feb (S0213-4853(11)00248-9 [pii]10.1016/j.nrl.2011.05.004).

65. C. Chambon, N. Wegener, A. Gravius, W. Danysz, Behavioural and cellular effects of exogenous amyloid-beta peptides in rodents. Behav Brain Res 225, 623-641 (2011); published online EpubDec 1 (S0166-4328(11)00616-4 [pii]10.1016/j.bbr.2011.08.024).

66. S. Bouleau, H. Tricoire, Drosophila models of Alzheimer's disease: advances, limits, and perspectives. J Alzheimers Dis 45, 1015-1038 (2015); published online EpubJan 1 (M521U17163476PGP [pii]10.3233/JAD-142802).

67. C. Duyckaerts, M. C. Potier, B. Delatour, Alzheimer disease models and human neuropathology: similarities and differences. Acta neuropathologica 115, 5-38 (2008); published online EpubJan (10.1007/s00401-007-0312-8).

68. K. Hsiao, P. Chapman, S. Nilsen, C. Eckman, Y. Harigaya, S. Younkin, F. Yang, G. Cole,

Correlative memory deficits, Abeta elevation, and amyloid plaques in transgenic mice. Science 274, 99-102 (1996); published online EpubOct 4 (

69. D. Games, D. Adams, R. Alessandrini, R. Barbour, P. Berthelette, C. Blackwell, T. Carr, J.

Clemens, T. Donaldson, F. Gillespie, et al., Alzheimer-type neuropathology in transgenic mice overexpressing V717F beta-amyloid precursor protein. Nature 373, 523-527 (1995); published online EpubFeb 9 (10.1038/373523a0).

70. C. Sturchler-Pierrat, D. Abramowski, M. Duke, K. H. Wiederhold, C. Mistl, S. Rothacher, B.

Ledermann, K. Burki, P. Frey, P. A. Paganetti, C. Waridel, M. E. Calhoun, M. Jucker, A. Probst, M. Staufenbiel, B. Sommer, Two amyloid precursor protein transgenic mouse models with Alzheimer disease-like pathology. Proc Natl Acad Sci U S A 94, 13287-13292 (1997); published online EpubNov 25 (

71. C. Balducci, G. Forloni, APP transgenic mice: their use and limitations. Neuromolecular Med

13, 117-137 (2011); published online EpubJun (10.1007/s12017-010-8141-7). 72. M. Garcia-Alloza, E. M. Robbins, S. X. Zhang-Nunes, S. M. Purcell, R. A. Betensky, S. Raju, C.

Prada, S. M. Greenberg, B. J. Bacskai, M. P. Frosch, Characterization of amyloid deposition in the APPswe/PS1dE9 mouse model of Alzheimer disease. Neurobiol Dis 24, 516-524 (2006); published online EpubDec (S0969-9961(06)00207-5 [pii]10.1016/j.nbd.2006.08.017).

207

73. A. Van der Jeugd, B. Vermaercke, M. Derisbourg, A. C. Lo, M. Hamdane, D. Blum, L. Buee, R. D'Hooge, Progressive age-related cognitive decline in tau mice. J Alzheimers Dis 37, 777-788 (2013)Y821284185172125 [pii]10.3233/JAD-130110).

74. S. Oddo, A. Caccamo, M. Kitazawa, B. P. Tseng, F. M. LaFerla, Amyloid deposition precedes tangle formation in a triple transgenic model of Alzheimer's disease. Neurobiology of aging 24, 1063-1070 (2003); published online EpubDec (S0197458003002033 [pii]).

75. R. M. Cohen, K. Rezai-Zadeh, T. M. Weitz, A. Rentsendorj, D. Gate, I. Spivak, Y. Bholat, V.

Vasilevko, C. G. Glabe, J. J. Breunig, P. Rakic, H. Davtyan, M. G. Agadjanyan, V. Kepe, J. R. Barrio, S. Bannykh, C. A. Szekely, R. N. Pechnick, T. Town, A transgenic Alzheimer rat with plaques, tau pathology, behavioral impairment, oligomeric abeta, and frank neuronal loss. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 33, 6245-6256 (2013); published online EpubApr 10 (33/15/6245 [pii]10.1523/JNEUROSCI.3672-12.2013).

76. K. H. Ashe, Learning and memory in transgenic mice modeling Alzheimer's disease. Learn Mem 8, 301-308 (2001); published online EpubNov-Dec (10.1101/lm.43701).

77. C. Janus, D. Westaway, Transgenic mouse models of Alzheimer's disease. Physiol Behav 73,

873-886 (2001); published online EpubAug (S0031-9384(01)00524-8 [pii]). 78. F. Trinchese, S. Liu, F. Battaglia, S. Walter, P. M. Mathews, O. Arancio, Progressive age-

related development of Alzheimer-like pathology in APP/PS1 mice. Ann Neurol 55, 801-814 (2004); published online EpubJun (10.1002/ana.20101).

79. E. M. Reiman, Y. T. Quiroz, A. S. Fleisher, K. Chen, C. Velez-Pardo, M. Jimenez-Del-Rio, A. M.

Fagan, A. R. Shah, S. Alvarez, A. Arbelaez, M. Giraldo, N. Acosta-Baena, R. A. Sperling, B. Dickerson, C. E. Stern, V. Tirado, C. Munoz, R. A. Reiman, M. J. Huentelman, G. E. Alexander, J. B. Langbaum, K. S. Kosik, P. N. Tariot, F. Lopera, Brain imaging and fluid biomarker analysis in young adults at genetic risk for autosomal dominant Alzheimer's disease in the presenilin 1 E280A kindred: a case-control study. Lancet Neurol 11, 1048-1056 (2012); published online EpubDec (S1474-4422(12)70228-4 [pii]10.1016/S1474-4422(12)70228-4).

80. D. C. Ryman, N. Acosta-Baena, P. S. Aisen, T. Bird, A. Danek, N. C. Fox, A. Goate, P. Frommelt, B. Ghetti, J. B. Langbaum, F. Lopera, R. Martins, C. L. Masters, R. P. Mayeux, E. McDade, S. Moreno, E. M. Reiman, J. M. Ringman, S. Salloway, P. R. Schofield, R. Sperling, P. N. Tariot, C. Xiong, J. C. Morris, R. J. Bateman, Symptom onset in autosomal dominant Alzheimer disease: a systematic review and meta-analysis. Neurology 83, 253-260 (2014); published online EpubJul 15 (WNL.0000000000000596 [pii]10.1212/WNL.0000000000000596).

81. E. Karran, M. Mercken, B. De Strooper, The amyloid cascade hypothesis for Alzheimer's disease: an appraisal for the development of therapeutics. Nat Rev Drug Discov 10, 698-712 (2011); published online EpubSep (nrd3505 [pii]10.1038/nrd3505).

82. D. Van Dam, R. D'Hooge, M. Staufenbiel, C. Van Ginneken, F. Van Meir, P. P. De Deyn, Age-dependent cognitive decline in the APP23 model precedes amyloid deposition. Eur J Neurosci 17, 388-396 (2003); published online EpubJan (2444 [pii]).

83. J. A. Harris, N. Devidze, B. Halabisky, I. Lo, M. T. Thwin, G. Q. Yu, D. E. Bredesen, E. Masliah, L.

Mucke, Many neuronal and behavioral impairments in transgenic mouse models of Alzheimer's disease are independent of caspase cleavage of the amyloid precursor protein.

208

The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 30, 372-381 (2010); published online EpubJan 6 (30/1/372 [pii]10.1523/JNEUROSCI.5341-09.2010).

84. B. M. Francis, J. Yang, E. Hajderi, M. E. Brown, B. Michalski, J. McLaurin, M. Fahnestock, H. T. Mount, Reduced tissue levels of noradrenaline are associated with behavioral phenotypes of the TgCRND8 mouse model of Alzheimer's disease. Neuropsychopharmacology 37, 1934-1944 (2012); published online EpubJul (npp201240 [pii]10.1038/npp.2012.40).

85. M. A. Chishti, D. S. Yang, C. Janus, A. L. Phinney, P. Horne, J. Pearson, R. Strome, N. Zuker, J. Loukides, J. French, S. Turner, G. Lozza, M. Grilli, S. Kunicki, C. Morissette, J. Paquette, F. Gervais, C. Bergeron, P. E. Fraser, G. A. Carlson, P. S. George-Hyslop, D. Westaway, Early-onset amyloid deposition and cognitive deficits in transgenic mice expressing a double mutant form of amyloid precursor protein 695. J Biol Chem 276, 21562-21570 (2001); published online EpubJun 15 (10.1074/jbc.M100710200M100710200 [pii]).

86. S. W. Fowler, A. C. Chiang, R. R. Savjani, M. E. Larson, M. A. Sherman, D. R. Schuler, J. R. Cirrito, S. E. Lesne, J. L. Jankowsky, Genetic modulation of soluble Abeta rescues cognitive and synaptic impairment in a mouse model of Alzheimer's disease. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 34, 7871-7885 (2014); published online EpubJun 4 (34/23/7871 [pii]10.1523/JNEUROSCI.0572-14.2014).

87. J. L. Jankowsky, H. H. Slunt, V. Gonzales, A. V. Savonenko, J. C. Wen, N. A. Jenkins, N. G. Copeland, L. H. Younkin, H. A. Lester, S. G. Younkin, D. R. Borchelt, Persistent amyloidosis following suppression of Abeta production in a transgenic model of Alzheimer disease. PLoS Med 2, e355 (2005); published online EpubDec (05-PLME-RA-0291R1 [pii]10.1371/journal.pmed.0020355).

88. M. J. Vegh, C. M. Heldring, W. Kamphuis, S. Hijazi, A. J. Timmerman, K. Li, P. van Nierop, H. D. Mansvelder, E. M. Hol, A. B. Smit, R. E. van Kesteren, Reducing hippocampal extracellular matrix reverses early memory deficits in a mouse model of Alzheimer inverted question marks disease. Acta Neuropathol Commun 2, 76 (2014); published online EpubJun 29 (s40478-014-0076-z [pii]10.1186/PREACCEPT-1259006781131998).

89. Z. Wang, X. J. Zhang, T. Li, J. Li, Y. Tang, W. Le, Valproic acid reduces neuritic plaque formation and improves learning deficits in APP(Swe) /PS1(A246E) transgenic mice via preventing the prenatal hypoxia-induced down-regulation of neprilysin. CNS Neurosci Ther 20, 209-217 (2014); published online EpubMar (10.1111/cns.12186).

90. B. Platt, B. Drever, D. Koss, S. Stoppelkamp, A. Jyoti, A. Plano, A. Utan, G. Merrick, D. Ryan, V.

Melis, H. Wan, M. Mingarelli, E. Porcu, L. Scrocchi, A. Welch, G. Riedel, Abnormal cognition, sleep, EEG and brain metabolism in a novel knock-in Alzheimer mouse, PLB1. PLoS One 6, e27068 (2011)10.1371/journal.pone.0027068).

91. M. D'Amelio, V. Cavallucci, S. Middei, C. Marchetti, S. Pacioni, A. Ferri, A. Diamantini, D. De

Zio, P. Carrara, L. Battistini, S. Moreno, A. Bacci, M. Ammassari-Teule, H. Marie, F. Cecconi, Caspase-3 triggers early synaptic dysfunction in a mouse model of Alzheimer's disease. Nat Neurosci 14, 69-76 (2011); published online EpubJan (10.1038/nn.2709).

92. A. M. Duffy, J. Morales-Corraliza, K. M. Bermudes-Hernandez, S. M.J., A. Magagna-Poveda, P.

M. Mathews, H. E. Scharfman, Enthorinal cortical defects in Tg2576 mice are present as early as 2-4 months of age. Neurobiology of aging, (in press) (2014).

209

93. T. Kawarabayashi, L. H. Younkin, T. C. Saido, M. Shoji, K. H. Ashe, S. G. Younkin, Age-dependent changes in brain, CSF, and plasma amyloid (beta) protein in the Tg2576 transgenic mouse model of Alzheimer's disease. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 21, 372-381 (2001); published online EpubJan 15 (

94. J. S. Jacobsen, C. C. Wu, J. M. Redwine, T. A. Comery, R. Arias, M. Bowlby, R. Martone, J. H. Morrison, M. N. Pangalos, P. H. Reinhart, F. E. Bloom, Early-onset behavioral and synaptic deficits in a mouse model of Alzheimer's disease. Proc Natl Acad Sci U S A 103, 5161-5166 (2006); published online EpubMar 28 (0600948103 [pii]10.1073/pnas.0600948103).

95. D. L. King, G. W. Arendash, F. Crawford, T. Sterk, J. Menendez, M. J. Mullan, Progressive and gender-dependent cognitive impairment in the APP(SW) transgenic mouse model for Alzheimer's disease. Behav Brain Res 103, 145-162 (1999); published online EpubSep (

96. L. Holcomb, M. N. Gordon, E. McGowan, X. Yu, S. Benkovic, P. Jantzen, K. Wright, I. Saad, R.

Mueller, D. Morgan, S. Sanders, C. Zehr, K. O'Campo, J. Hardy, C. M. Prada, C. Eckman, S. Younkin, K. Hsiao, K. Duff, Accelerated Alzheimer-type phenotype in transgenic mice carrying both mutant amyloid precursor protein and presenilin 1 transgenes. Nat Med 4, 97-100 (1998); published online EpubJan (

97. G. M. Shankar, S. Li, T. H. Mehta, A. Garcia-Munoz, N. E. Shepardson, I. Smith, F. M. Brett, M.

A. Farrell, M. J. Rowan, C. A. Lemere, C. M. Regan, D. M. Walsh, B. L. Sabatini, D. J. Selkoe, Amyloid-beta protein dimers isolated directly from Alzheimer's brains impair synaptic plasticity and memory. Nat Med 14, 837-842 (2008); published online EpubAug (nm1782 [pii]10.1038/nm1782).

98. C. Otth, Concha, II, T. Arendt, J. Stieler, R. Schliebs, C. Gonzalez-Billault, R. B. Maccioni, AbetaPP induces cdk5-dependent tau hyperphosphorylation in transgenic mice Tg2576. J Alzheimers Dis 4, 417-430 (2002); published online EpubOct (

99. S. H. Lee, K. R. Kim, S. Y. Ryu, S. Son, H. S. Hong, I. Mook-Jung, S. H. Lee, W. K. Ho, Impaired

short-term plasticity in mossy fiber synapses caused by mitochondrial dysfunction of dentate granule cells is the earliest synaptic deficit in a mouse model of Alzheimer's disease. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 32, 5953-5963 (2012); published online EpubApr 25 (10.1523/JNEUROSCI.0465-12.2012).

100. J. Apelt, R. Schliebs, Beta-amyloid-induced glial expression of both pro- and anti-

inflammatory cytokines in cerebral cortex of aged transgenic Tg2576 mice with Alzheimer plaque pathology. Brain Res 894, 21-30 (2001); published online EpubMar 9 (S0006-8993(00)03176-0 [pii]).

101. A. Coenen, E. Fine, O. Zayachkivska, Adolf Beck: a forgotten pioneer in

electroencephalography. J Hist Neurosci 23, 276-286 (2014)10.1080/0964704X.2013.867600).

102. M. Tudor, L. Tudor, K. I. Tudor, [Hans Berger (1873-1941)--the history of electroencephalography]. Acta Med Croatica 59, 307-313 (2005).

103. G. Buzsaki, A. Draguhn, Neuronal oscillations in cortical networks. Science 304, 1926-1929

(2004); published online EpubJun 25 (10.1126/science.1099745304/5679/1926 [pii]).

104. J. Brankack, C. Scheffzuk, V. I. Kukushka, A. L. Vyssotski, A. B. Tort, A. Draguhn, Distinct features of fast oscillations in phasic and tonic rapid eye movement sleep. J Sleep Res 21, 630-633 (2012); published online EpubDec (10.1111/j.1365-2869.2012.01037.x).

210

105. S. E. Rubio, G. Vega-Flores, A. Martinez, C. Bosch, A. Perez-Mediavilla, J. del Rio, A. Gruart, J.

M. Delgado-Garcia, E. Soriano, M. Pascual, Accelerated aging of the GABAergic septohippocampal pathway and decreased hippocampal rhythms in a mouse model of Alzheimer's disease. FASEB J 26, 4458-4467 (2012); published online EpubNov (fj.12-208413 [pii]10.1096/fj.12-208413).

106. S. G. Nash Boutros, Oliver Pogarell, Silvana Riggio, Standard Electroencephalography in Clinical Psychiatry: A Practical Handbook. ( 2011).

107. F. Lopes da Silva, Neural mechanisms underlying brain waves: from neural membranes to

networks. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 79, 81-93 (1991); published online EpubAug ( 108. G. Paxinos, and Franklin, K. B. J., The Mouse Brain in Stereotaxic Coordinates. (Academic

Press, San Diego, CA, USA/London, 2001). 109. W. J. Freeman, L. J. Rogers, M. D. Holmes, D. L. Silbergeld, Spatial spectral analysis of human

electrocorticograms including the alpha and gamma bands. J Neurosci Methods 95, 111-121 (2000); published online EpubFeb 15 (

110. G. Buzsaki, Theta oscillations in the hippocampus. Neuron 33, 325-340 (2002); published

online EpubJan 31 ( 111. Andersen, Organization of hippocampal neurons and their interconnections., (New York,

Plenum Press, 1975), vol. I, pp. 155-175. 112. B. S. Givens, D. S. Olton, Cholinergic and GABAergic modulation of medial septal area: effect

on working memory. Behav Neurosci 104, 849-855 (1990); published online EpubDec ( 113. M. Stewart, S. E. Fox, Two populations of rhythmically bursting neurons in rat medial septum

are revealed by atropine. J Neurophysiol 61, 982-993 (1989); published online EpubMay ( 114. H. Teitelbaum, J. F. Lee, J. N. Johannessen, Behaviorally evoked hippocampal theta waves: a

cholinergic response. Science 188, 1114-1116 (1975); published online EpubJun 13 ( 115. E. S. Brazhnik, S. E. Fox, Action potentials and relations to the theta rhythm of medial septal

neurons in vivo. Exp Brain Res 127, 244-258 (1999); published online EpubAug ( 116. B. Hangya, Z. Borhegyi, N. Szilagyi, T. F. Freund, V. Varga, GABAergic neurons of the medial

septum lead the hippocampal network during theta activity. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 29, 8094-8102 (2009); published online EpubJun 24 (10.1523/JNEUROSCI.5665-08.2009).

117. V. Varga, B. Hangya, K. Kranitz, A. Ludanyi, R. Zemankovics, I. Katona, R. Shigemoto, T. F.

Freund, Z. Borhegyi, The presence of pacemaker HCN channels identifies theta rhythmic GABAergic neurons in the medial septum. J Physiol 586, 3893-3915 (2008); published online EpubAug 15 (10.1113/jphysiol.2008.155242).

118. Y. Fischer, The hippocampal intrinsic network oscillator. J Physiol 554, 156-174 (2004);

published online EpubJan 1 (10.1113/jphysiol.2003.055558). 119. L. R. Squire, S. Zola-Morgan, The medial temporal lobe memory system. Science 253, 1380-

1386 (1991); published online EpubSep 20 (

211

120. A. Alonso, E. Garcia-Austt, Neuronal sources of theta rhythm in the entorhinal cortex of the

rat. I. Laminar distribution of theta field potentials. Exp Brain Res 67, 493-501 (1987). 121. A. Bragin, G. Jando, Z. Nadasdy, J. Hetke, K. Wise, G. Buzsaki, Gamma (40-100 Hz) oscillation

in the hippocampus of the behaving rat. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 15, 47-60 (1995); published online EpubJan (

122. H. Eichenbaum, M. Sauvage, N. Fortin, R. Komorowski, P. Lipton, Towards a functional organization of episodic memory in the medial temporal lobe. Neurosci Biobehav Rev 36, 1597-1608 (2012); published online EpubAug (10.1016/j.neubiorev.2011.07.006).

123. H. Hu, J. Gan, P. Jonas, Interneurons. Fast-spiking, parvalbumin(+) GABAergic interneurons:

from cellular design to microcircuit function. Science 345, 1255263 (2014); published online EpubAug 1 (10.1126/science.1255263).

124. H. G. Rotstein, D. D. Pervouchine, C. D. Acker, M. J. Gillies, J. A. White, E. H. Buhl, M. A.

Whittington, N. Kopell, Slow and fast inhibition and an H-current interact to create a theta rhythm in a model of CA1 interneuron network. J Neurophysiol 94, 1509-1518 (2005); published online EpubAug (10.1152/jn.00957.2004).

125. S. Vijayan, N. J. Kopell, Thalamic model of awake alpha oscillations and implications for

stimulus processing. Proc Natl Acad Sci U S A 109, 18553-18558 (2012); published online EpubNov 6 (10.1073/pnas.1215385109).

126. L. M. Carracedo, H. Kjeldsen, L. Cunnington, A. Jenkins, I. Schofield, M. O. Cunningham, C. H.

Davies, R. D. Traub, M. A. Whittington, A neocortical delta rhythm facilitates reciprocal interlaminar interactions via nested theta rhythms. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 33, 10750-10761 (2013); published online EpubJun 26 (10.1523/JNEUROSCI.0735-13.2013).

127. B. R. Pittman-Polletta, B. Kocsis, S. Vijayan, M. A. Whittington, N. J. Kopell, Brain Rhythms

Connect Impaired Inhibition to Altered Cognition in Schizophrenia. Biol Psychiatry, (2015); published online EpubFeb 14 (10.1016/j.biopsych.2015.02.005).

128. T. Klausberger, P. J. Magill, L. F. Marton, J. D. Roberts, P. M. Cobden, G. Buzsaki, P. Somogyi,

Brain-state- and cell-type-specific firing of hippocampal interneurons in vivo. Nature 421, 844-848 (2003); published online EpubFeb 20 (10.1038/nature01374).

129. C. J. McBain, A. Fisahn, Interneurons unbound. Nature reviews. Neuroscience 2, 11-23 (2001);

published online EpubJan (10.1038/35049047). 130. G. Buzsaki, R. G. Bickford, G. Ponomareff, L. J. Thal, R. Mandel, F. H. Gage, Nucleus basalis

and thalamic control of neocortical activity in the freely moving rat. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 8, 4007-4026 (1988); published online EpubNov (

131. P. M. Fuller, D. Sherman, N. P. Pedersen, C. B. Saper, J. Lu, Reassessment of the structural

basis of the ascending arousal system. J Comp Neurol 519, 933-956 (2011); published online EpubApr 1 (10.1002/cne.22559).

132. S. Kaur, A. Junek, M. A. Black, K. Semba, Effects of ibotenate and 192IgG-saporin lesions of

the nucleus basalis magnocellularis/substantia innominata on spontaneous sleep and wake

212

states and on recovery sleep after sleep deprivation in rats. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 28, 491-504 (2008); published online EpubJan 9 (10.1523/JNEUROSCI.1585-07.2008).

133. J. O'Keefe, J. Dostrovsky, The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit

activity in the freely-moving rat. Brain Res 34, 171-175 (1971); published online EpubNov ( 134. J. O'Keefe, M. L. Recce, Phase relationship between hippocampal place units and the EEG

theta rhythm. Hippocampus 3, 317-330 (1993); published online EpubJul (10.1002/hipo.450030307).

135. W. E. Skaggs, B. L. McNaughton, M. A. Wilson, C. A. Barnes, Theta phase precession in

hippocampal neuronal populations and the compression of temporal sequences. Hippocampus 6, 149-172 (1996)10.1002/(SICI)1098-1063(1996)6:2&lt;149::AID-HIPO6&gt;3.0.CO;2-K).

136. J. E. Lisman, O. Jensen, The theta-gamma neural code. Neuron 77, 1002-1016 (2013);

published online EpubMar 20 (10.1016/j.neuron.2013.03.007). 137. G. Buzsaki, Theta rhythm of navigation: link between path integration and landmark

navigation, episodic and semantic memory. Hippocampus 15, 827-840 (2005)10.1002/hipo.20113).

138. C. Martin, N. Ravel, Beta and gamma oscillatory activities associated with olfactory memory

tasks: different rhythms for different functional networks? Front Behav Neurosci 8, 218 (2014)10.3389/fnbeh.2014.00218).

139. T. D. Aumann, Y. Prut, Do sensorimotor beta-oscillations maintain muscle synergy

representations in primary motor cortex? Trends Neurosci 38, 77-85 (2015); published online EpubFeb (10.1016/j.tins.2014.12.002).

140. L. L. Colgin, E. I. Moser, Gamma oscillations in the hippocampus. Physiology (Bethesda) 25,

319-329 (2010); published online EpubOct (10.1152/physiol.00021.2010). 141. S. M. Montgomery, G. Buzsaki, Gamma oscillations dynamically couple hippocampal CA3 and

CA1 regions during memory task performance. Proc Natl Acad Sci U S A 104, 14495-14500 (2007); published online EpubSep 4 (10.1073/pnas.0701826104).

142. S. Charpak, D. Pare, R. Llinas, The entorhinal cortex entrains fast CA1 hippocampal

oscillations in the anaesthetized guinea-pig: role of the monosynaptic component of the perforant path. Eur J Neurosci 7, 1548-1557 (1995); published online EpubJul 1 (

143. E. L. Newman, S. N. Gillet, J. R. Climer, M. E. Hasselmo, Cholinergic blockade reduces theta-

gamma phase amplitude coupling and speed modulation of theta frequency consistent with behavioral effects on encoding. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 33, 19635-19646 (2013); published online EpubDec 11 (10.1523/JNEUROSCI.2586-13.2013).

144. V. H. Brun, S. Leutgeb, H. Q. Wu, R. Schwarcz, M. P. Witter, E. I. Moser, M. B. Moser,

Impaired spatial representation in CA1 after lesion of direct input from entorhinal cortex. Neuron 57, 290-302 (2008); published online EpubJan 24 (10.1016/j.neuron.2007.11.034).

213

145. V. H. Brun, M. K. Otnass, S. Molden, H. A. Steffenach, M. P. Witter, M. B. Moser, E. I. Moser, Place cells and place recognition maintained by direct entorhinal-hippocampal circuitry. Science 296, 2243-2246 (2002); published online EpubJun 21 (10.1126/science.1071089).

146. T. Gloveli, T. Dugladze, S. Saha, H. Monyer, U. Heinemann, R. D. Traub, M. A. Whittington, E.

H. Buhl, Differential involvement of oriens/pyramidale interneurones in hippocampal network oscillations in vitro. J Physiol 562, 131-147 (2005); published online EpubJan 1 (10.1113/jphysiol.2004.073007).

147. J. Csicsvari, B. Jamieson, K. D. Wise, G. Buzsaki, Mechanisms of gamma oscillations in the

hippocampus of the behaving rat. Neuron 37, 311-322 (2003); published online EpubJan 23 ( 148. J. Csicsvari, H. Hirase, A. Mamiya, G. Buzsaki, Ensemble patterns of hippocampal CA3-CA1

neurons during sharp wave-associated population events. Neuron 28, 585-594 (2000); published online EpubNov (

149. G. Girardeau, M. Zugaro, Hippocampal ripples and memory consolidation. Curr Opin

Neurobiol 21, 452-459 (2011); published online EpubJun (S0959-4388(11)00031-6 [pii]10.1016/j.conb.2011.02.005).

150. M. Steriade, Corticothalamic resonance, states of vigilance and mentation. Neuroscience 101, 243-276 (2000).

151. M. Steriade, Coherent oscillations and short-term plasticity in corticothalamic networks.

Trends Neurosci 22, 337-345 (1999); published online EpubAug ( 152. R. N. Romcy-Pereira, J. P. Leite, N. Garcia-Cairasco, Synaptic plasticity along the sleep-wake

cycle: implications for epilepsy. Epilepsy & behavior : E&B 14 Suppl 1, 47-53 (2009); published online EpubJan (10.1016/j.yebeh.2008.09.026).

153. C. Pavlides, J. Winson, Influences of hippocampal place cell firing in the awake state on the

activity of these cells during subsequent sleep episodes. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 9, 2907-2918 (1989); published online EpubAug

154. Z. Nadasdy, H. Hirase, A. Czurko, J. Csicsvari, G. Buzsaki, Replay and time compression of

recurring spike sequences in the hippocampus. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 19, 9497-9507 (1999); published online EpubNov 1 (

155. G. Girardeau, K. Benchenane, S. I. Wiener, G. Buzsaki, M. B. Zugaro, Selective suppression of

hippocampal ripples impairs spatial memory. Nat Neurosci 12, 1222-1223 (2009); published online EpubOct (10.1038/nn.2384).

156. V. Ego-Stengel, M. A. Wilson, Disruption of ripple-associated hippocampal activity during rest

impairs spatial learning in the rat. Hippocampus 20, 1-10 (2010); published online EpubJan (10.1002/hipo.20707).

157. M. Jouvet, Paradoxical Sleep--a Study of Its Nature and Mechanisms. Prog Brain Res 18, 20-62 (1965).

158. G. A. Marks, J. Farber, M. Rubinstein, H. P. Roffwarg, Demonstration of ponto-geniculo-

occipital waves in the albino rat. Exp Neurol 69, 648-666 (1980); published online EpubSep (

214

159. S. Datta, J. A. Hobson, Neuronal activity in the caudolateral peribrachial pons: relationship to PGO waves and rapid eye movements. J Neurophysiol 71, 95-109 (1994); published online EpubJan (

160. S. Datta, D. F. Siwek, E. H. Patterson, P. B. Cipolloni, Localization of pontine PGO wave

generation sites and their anatomical projections in the rat. Synapse 30, 409-423 (1998); published online EpubDec (10.1002/(SICI)1098-2396(199812)30:4<409::AID-SYN8>3.0.CO;2-#).

161. R. P. Vertes, Memory consolidation in sleep; dream or reality. Neuron 44, 135-148 (2004); published online EpubSep 30 (10.1016/j.neuron.2004.08.034S0896627304005653 [pii]).

162. P. Ravassard, A. M. Hamieh, M. A. Joseph, N. Fraize, P. A. Libourel, L. Lebarillier, S. Arthaud, C. Meissirel, M. Touret, G. Malleret, P. A. Salin, REM Sleep-Dependent Bidirectional Regulation of Hippocampal-Based Emotional Memory and LTP. Cereb Cortex, (2015); published online EpubJan 13 (10.1093/cercor/bhu310).

163. M. P. Walker, R. Stickgold, Sleep-dependent learning and memory consolidation. Neuron 44,

121-133 (2004); published online EpubSep 30 (10.1016/j.neuron.2004.08.031S0896627304005409 [pii]).

164. C. Smith, in Sleep and brain plasticity P. Maquet, Smith, C. & Stickgold, R, Ed. (Oxford University Press, New York, 2003), pp. 117-133.

165. S. Diekelmann, J. Born, The memory function of sleep. Nature reviews. Neuroscience 11, 114-

126 (2010); published online EpubFeb (nrn2762 [pii]10.1038/nrn2762).

166. K. N. Paul, C. Dugovic, F. W. Turek, A. D. Laposky, Diurnal sex differences in the sleep-wake cycle of mice are dependent on gonadal function. Sleep 29, 1211-1223 (2006); published online EpubSep (

167. J. P. Wisor, D. M. Edgar, J. Yesavage, H. S. Ryan, C. M. McCormick, N. Lapustea, G. M.

Murphy, Jr., Sleep and circadian abnormalities in a transgenic mouse model of Alzheimer's disease: a role for cholinergic transmission. Neuroscience 131, 375-385 (2005)10.1016/j.neuroscience.2004.11.018).

168. C. B. Saper, P. M. Fuller, N. P. Pedersen, J. Lu, T. E. Scammell, Sleep state switching. Neuron

68, 1023-1042 (2010); published online EpubDec 22 (10.1016/j.neuron.2010.11.032). 169. A. E. Hallanger, A. I. Levey, H. J. Lee, D. B. Rye, B. H. Wainer, The origins of cholinergic and

other subcortical afferents to the thalamus in the rat. J Comp Neurol 262, 105-124 (1987); published online EpubAug 1 (10.1002/cne.902620109).

170. K. Satoh, H. C. Fibiger, Cholinergic neurons of the laterodorsal tegmental nucleus: efferent

and afferent connections. J Comp Neurol 253, 277-302 (1986); published online EpubNov 15 (10.1002/cne.902530302).

171. S. Boucetta, B. E. Jones, Activity profiles of cholinergic and intermingled GABAergic and

putative glutamatergic neurons in the pontomesencephalic tegmentum of urethane-anesthetized rats. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 29, 4664-4674 (2009); published online EpubApr 8 (10.1523/JNEUROSCI.5502-08.2009).

215

172. M. el Mansari, K. Sakai, M. Jouvet, Unitary characteristics of presumptive cholinergic tegmental neurons during the sleep-waking cycle in freely moving cats. Exp Brain Res 76, 519-529 (1989).

173. M. Steriade, D. Contreras, R. Curro Dossi, A. Nunez, The slow (< 1 Hz) oscillation in reticular

thalamic and thalamocortical neurons: scenario of sleep rhythm generation in interacting thalamic and neocortical networks. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 13, 3284-3299 (1993); published online EpubAug (

174. G. Aston-Jones, F. E. Bloom, Activity of norepinephrine-containing locus coeruleus neurons in

behaving rats anticipates fluctuations in the sleep-waking cycle. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 1, 876-886 (1981); published online EpubAug

175. A. Dahlstroem, K. Fuxe, Evidence for the Existence of Monoamine-Containing Neurons in the

Central Nervous System. I. Demonstration of Monoamines in the Cell Bodies of Brain Stem Neurons. Acta Physiol Scand Suppl, SUPPL 232:231-255 (1964).

176. B. Kocsis, V. Varga, L. Dahan, A. Sik, Serotonergic neuron diversity: identification of raphe

neurons with discharges time-locked to the hippocampal theta rhythm. Proc Natl Acad Sci U S A 103, 1059-1064 (2006); published online EpubJan 24 (10.1073/pnas.0508360103).

177. J. Lu, T. C. Jhou, C. B. Saper, Identification of wake-active dopaminergic neurons in the

ventral periaqueductal gray matter. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 26, 193-202 (2006); published online EpubJan 4 (10.1523/JNEUROSCI.2244-05.2006).

178. P. Panula, U. Pirvola, S. Auvinen, M. S. Airaksinen, Histamine-immunoreactive nerve fibers in

the rat brain. Neuroscience 28, 585-610 (1989). 179. T. L. Steininger, M. N. Alam, H. Gong, R. Szymusiak, D. McGinty, Sleep-waking discharge of

neurons in the posterior lateral hypothalamus of the albino rat. Brain Res 840, 138-147 (1999); published online EpubSep 4 (

180. K. Takahashi, J. S. Lin, K. Sakai, Neuronal activity of histaminergic tuberomammillary neurons

during wake-sleep states in the mouse. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 26, 10292-10298 (2006); published online EpubOct 4 (10.1523/JNEUROSCI.2341-06.2006).

181. K. Takahashi, Y. Kayama, J. S. Lin, K. Sakai, Locus coeruleus neuronal activity during the sleep-

waking cycle in mice. Neuroscience 169, 1115-1126 (2010); published online EpubSep 1 (10.1016/j.neuroscience.2010.06.009).

182. R. Boissard, D. Gervasoni, M. H. Schmidt, B. Barbagli, P. Fort, P. H. Luppi, The rat ponto-

medullary network responsible for paradoxical sleep onset and maintenance: a combined microinjection and functional neuroanatomical study. Eur J Neurosci 16, 1959-1973 (2002); published online EpubNov (

183. S. Crochet, H. Onoe, K. Sakai, A potent non-monoaminergic paradoxical sleep inhibitory

system: a reverse microdialysis and single-unit recording study. Eur J Neurosci 24, 1404-1412 (2006); published online EpubSep (10.1111/j.1460-9568.2006.04995.x).

216

184. E. Sapin, D. Lapray, A. Berod, R. Goutagny, L. Leger, P. Ravassard, O. Clement, L. Hanriot, P. Fort, P. H. Luppi, Localization of the brainstem GABAergic neurons controlling paradoxical (REM) sleep. PLoS One 4, e4272 (2009)10.1371/journal.pone.0004272).

185. J. P. Sastre, C. Buda, K. Kitahama, M. Jouvet, Importance of the ventrolateral region of the

periaqueductal gray and adjacent tegmentum in the control of paradoxical sleep as studied by muscimol microinjections in the cat. Neuroscience 74, 415-426 (1996); published online EpubSep (

186. J. Lu, D. Sherman, M. Devor, C. B. Saper, A putative flip-flop switch for control of REM sleep. Nature 441, 589-594 (2006); published online EpubJun 1 (10.1038/nature04767).

187. P. H. Luppi, D. Gervasoni, R. Boissard, L. Verret, R. Goutagny, C. Peyron, D. Salvert, L. Leger, B.

Barbagli, P. Fort, Brainstem structures responsible for paradoxical sleep onset and maintenance. Arch Ital Biol 142, 397-411 (2004); published online EpubJul (

188. R. Vetrivelan, P. M. Fuller, Q. Tong, J. Lu, Medullary circuitry regulating rapid eye movement

sleep and motor atonia. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 29, 9361-9369 (2009); published online EpubJul 22 (10.1523/JNEUROSCI.0737-09.2009).

189. A. R. Adamantidis, F. Zhang, A. M. Aravanis, K. Deisseroth, L. de Lecea, Neural substrates of

awakening probed with optogenetic control of hypocretin neurons. Nature 450, 420-424 (2007); published online EpubNov 15 (10.1038/nature06310).

190. C. Peyron, D. K. Tighe, A. N. van den Pol, L. de Lecea, H. C. Heller, J. G. Sutcliffe, T. S. Kilduff,

Neurons containing hypocretin (orexin) project to multiple neuronal systems. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 18, 9996-10015 (1998); published online EpubDec 1 (

191. R. S. Fisher, W. van Emde Boas, W. Blume, C. Elger, P. Genton, P. Lee, J. Engel, Jr., Epileptic

seizures and epilepsy: definitions proposed by the International League Against Epilepsy (ILAE) and the International Bureau for Epilepsy (IBE). Epilepsia 46, 470-472 (2005); published online EpubApr (EPI66104 [pii]10.1111/j.0013-9580.2005.66104.x).

192. A. T. Berg, S. F. Berkovic, M. J. Brodie, J. Buchhalter, J. H. Cross, W. van Emde Boas, J. Engel, J. French, T. A. Glauser, G. W. Mathern, S. L. Moshe, D. Nordli, P. Plouin, I. E. Scheffer, Revised terminology and concepts for organization of seizures and epilepsies: report of the ILAE Commission on Classification and Terminology, 2005-2009. Epilepsia 51, 676-685 (2010); published online EpubApr (EPI2522 [pii]10.1111/j.1528-1167.2010.02522.x).

193. C. Dravet, Dravet syndrome history. Dev Med Child Neurol 53 Suppl 2, 1-6 (2011); published online EpubApr (10.1111/j.1469-8749.2011.03964.x).

194. C. Marini, I. E. Scheffer, R. Nabbout, A. Suls, P. De Jonghe, F. Zara, R. Guerrini, The genetics of

Dravet syndrome. Epilepsia 52 Suppl 2, 24-29 (2011); published online EpubApr (10.1111/j.1528-1167.2011.02997.x).

195. R. Cersosimo, S. Flesler, M. Bartuluchi, A. M. Soprano, H. Pomata, R. Caraballo, Mesial

temporal lobe epilepsy with hippocampal sclerosis: study of 42 children. Seizure 20, 131-137 (2011); published online EpubMar (10.1016/j.seizure.2010.11.002).

217

196. H. Matsumoto, C. A. Marsan, Cortical Cellular Phenomena in Experimental Epilepsy: Interictal Manifestations. Exp Neurol 9, 286-304 (1964); published online EpubApr (

197. R. J. Staba, A. Bragin, High-frequency oscillations and other electrophysiological biomarkers

of epilepsy: underlying mechanisms. Biomark Med 5, 545-556 (2011); published online EpubOct (10.2217/bmm.11.72).

198. G. F. Ayala, H. Matsumoto, R. J. Gumnit, Excitability changes and inhibitory mechanisms in

neocortical neurons during seizures. J Neurophysiol 33, 73-85 (1970); published online EpubJan

199. M. A. Dichter, G. F. Ayala, Cellular mechanisms of epilepsy: a status report. Science 237, 157-164 (1987); published online EpubJul 10 (

200. N. Kang, J. Xu, Q. Xu, M. Nedergaard, J. Kang, Astrocytic glutamate release-induced transient

depolarization and epileptiform discharges in hippocampal CA1 pyramidal neurons. J Neurophysiol 94, 4121-4130 (2005); published online EpubDec (00448.2005 [pii]10.1152/jn.00448.2005).

201. J. V. Nadler, The recurrent mossy fiber pathway of the epileptic brain. Neurochem Res 28, 1649-1658 (2003); published online EpubNov (

202. M. Zilberter, A. Ivanov, S. Ziyatdinova, M. Mukhtarov, A. Malkov, A. Alpar, G. Tortoriello, C. H.

Botting, L. Fulop, A. A. Osypov, A. Pitkanen, H. Tanila, T. Harkany, Y. Zilberter, Dietary energy substrates reverse early neuronal hyperactivity in a mouse model of Alzheimer's disease. J Neurochem 125, 157-171 (2013); published online EpubApr (10.1111/jnc.12127).

203. R. Minkeviciene, S. Rheims, M. B. Dobszay, M. Zilberter, J. Hartikainen, L. Fulop, B. Penke, Y.

Zilberter, T. Harkany, A. Pitkanen, H. Tanila, Amyloid beta-induced neuronal hyperexcitability triggers progressive epilepsy. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 29, 3453-3462 (2009); published online EpubMar 18 (

204. C. J. Bromfield EB, Sirven JI, in Clinical Epilepsy, A. E. Society, Ed. (West Hartford 2006). 205. J. A. Kearney, N. W. Plummer, M. R. Smith, J. Kapur, T. R. Cummins, S. G. Waxman, A. L.

Goldin, M. H. Meisler, A gain-of-function mutation in the sodium channel gene Scn2a results in seizures and behavioral abnormalities. Neuroscience 102, 307-317 (2001)S0306-4522(00)00479-6 [pii]).

206. J. T. King, Jr., C. C. LaMotte, El mouse as a model of focal epilepsy: a review. Epilepsia 30,

257-265 (1989); published online EpubMay-Jun ( 207. R. M. Arida, F. A. Scorza, C. A. Peres, E. A. Cavalheiro, The course of untreated seizures in the

pilocarpine model of epilepsy. Epilepsy Res 34, 99-107 (1999); published online EpubApr ( 208. L. E. Mello, E. A. Cavalheiro, A. M. Tan, W. R. Kupfer, J. K. Pretorius, T. L. Babb, D. M. Finch,

Circuit mechanisms of seizures in the pilocarpine model of chronic epilepsy: cell loss and mossy fiber sprouting. Epilepsia 34, 985-995 (1993); published online EpubNov-Dec (

209. M. Ng, M. Pavlova, Why are seizures rare in rapid eye movement sleep? Review of the

frequency of seizures in different sleep stages. Epilepsy Res Treat 2013, 932790 (2013)10.1155/2013/932790).

218

210. S. I. Dimitriadis, N. A. Laskaris, Y. Del Rio-Portilla, G. Koudounis, Characterizing dynamic functional connectivity across sleep stages from EEG. Brain Topogr 22, 119-133 (2009); published online EpubSep (10.1007/s10548-008-0071-4).

211. J. W. Miller, G. M. Turner, B. C. Gray, Anticonvulsant effects of the experimental induction of

hippocampal theta activity. Epilepsy Res 18, 195-204 (1994); published online EpubJul ( 212. A. Pitkanen, I. Kharatishvili, H. Karhunen, K. Lukasiuk, R. Immonen, J. Nairismagi, O. Grohn, J.

Nissinen, Epileptogenesis in experimental models. Epilepsia 48 Suppl 2, 13-20 (2007). 213. G. Sperk, J. Marksteiner, B. Gruber, R. Bellmann, M. Mahata, M. Ortler, Functional changes in

neuropeptide Y- and somatostatin-containing neurons induced by limbic seizures in the rat. Neuroscience 50, 831-846 (1992); published online EpubOct (

214. A. Vezzani, C. Schwarzer, E. W. Lothman, J. Williamson, G. Sperk, Functional changes in

somatostatin and neuropeptide Y containing neurons in the rat hippocampus in chronic models of limbic seizures. Epilepsy Res 26, 267-279 (1996); published online EpubDec (

215. H. E. Scharfman, W. P. Gray, Plasticity of neuropeptide Y in the dentate gyrus after seizures,

and its relevance to seizure-induced neurogenesis. Exs, 193-211 (2006). 216. C. J. Davenport, W. J. Brown, T. L. Babb, Sprouting of GABAergic and mossy fiber axons in

dentate gyrus following intrahippocampal kainate in the rat. Exp Neurol 109, 180-190 (1990); published online EpubAug (

217. T. Kotti, P. J. Riekkinen, Sr., R. Miettinen, Characterization of target cells for aberrant mossy

fiber collaterals in the dentate gyrus of epileptic rat. Exp Neurol 146, 323-330 (1997); published online EpubAug (S0014-4886(97)96553-5 [pii]10.1006/exnr.1997.6553).

218. G. J. Klapstein, W. F. Colmers, On the sites of presynaptic inhibition by neuropeptide Y in rat hippocampus in vitro. Hippocampus 3, 103-111 (1993); published online EpubJan (10.1002/hipo.450030111).

219. T. M. Madsen, M. H. Greisen, S. M. Nielsen, T. G. Bolwig, J. D. Mikkelsen, Electroconvulsive

stimuli enhance both neuropeptide Y receptor Y1 and Y2 messenger RNA expression and levels of binding in the rat hippocampus. Neuroscience 98, 33-39 (2000)S0306-4522(00)00078-6 [pii]).

220. N. Kofler, E. Kirchmair, C. Schwarzer, G. Sperk, Altered expression of NPY-Y1 receptors in

kainic acid induced epilepsy in rats. Neurosci Lett 230, 129-132 (1997); published online EpubJul 18 (S0304-3940(97)00492-8 [pii]).

221. K. G. Baimbridge, M. R. Celio, J. H. Rogers, Calcium-binding proteins in the nervous system.

Trends Neurosci 15, 303-308 (1992); published online EpubAug ( 222. Z. Magloczky, P. Halasz, J. Vajda, S. Czirjak, T. F. Freund, Loss of Calbindin-D28K

immunoreactivity from dentate granule cells in human temporal lobe epilepsy. Neuroscience 76, 377-385 (1997); published online EpubJan (S0306-4522(96)00440-X [pii]).

223. J. J. Miller, K. G. Baimbridge, Biochemical and immunohistochemical correlates of kindling-

induced epilepsy: role of calcium binding protein. Brain Res 278, 322-326 (1983); published online EpubNov 14 (0006-8993(83)90264-0 [pii]).

219

224. K. G. Baimbridge, I. Mody, J. J. Miller, Reduction of rat hippocampal calcium-binding protein following commissural, amygdala, septal, perforant path, and olfactory bulb kindling. Epilepsia 26, 460-465 (1985); published online EpubSep-Oct (

225. U. V. Nagerl, I. Mody, Calcium-dependent inactivation of high-threshold calcium currents in

human dentate gyrus granule cells. J Physiol 509 ( Pt 1), 39-45 (1998); published online EpubMay 15 (

226. D. Arabadzisz, K. Antal, F. Parpan, Z. Emri, J. M. Fritschy, Epileptogenesis and chronic seizures

in a mouse model of temporal lobe epilepsy are associated with distinct EEG patterns and selective neurochemical alterations in the contralateral hippocampus. Exp Neurol 194, 76-90 (2005); published online EpubJul (S0014-4886(05)00048-8 [pii]10.1016/j.expneurol.2005.01.029).

227. E. V. Astasheva, V. F. Kichigina, [Activation of glutamatergic system of the medial septal region facilitates the epileptogenesis]. Zh Vyssh Nerv Deiat Im I P Pavlova 59, 743-749 (2009); published online EpubNov-Dec (

228. L. V. Colom, Septal networks: relevance to theta rhythm, epilepsy and Alzheimer's disease. J

Neurochem 96, 609-623 (2006); published online EpubFeb (JNC3630 [pii]10.1111/j.1471-4159.2005.03630.x).

229. V. Kitchigina, I. Popova, V. Sinelnikova, A. Malkov, E. Astasheva, L. Shubina, R. Aliev, Disturbances of septohippocampal theta oscillations in the epileptic brain: reasons and consequences. Exp Neurol 247, 314-327 (2013); published online EpubSep (S0014-4886(13)00042-3 [pii]10.1016/j.expneurol.2013.01.029).

230. A. Medvedev, L. Mackenzie, J. J. Hiscock, J. O. Willoughby, Kainic acid induces distinct types of epileptiform discharge with differential involvement of hippocampus and neocortex. Brain Res Bull 52, 89-98 (2000); published online EpubMay 15 (S0361-9230(00)00239-2 [pii]).

231. J. O. Willoughby, S. P. Fitzgibbon, K. J. Pope, L. Mackenzie, A. V. Medvedev, C. R. Clark, M. P.

Davey, R. A. Wilcox, Persistent abnormality detected in the non-ictal electroencephalogram in primary generalised epilepsy. J Neurol Neurosurg Psychiatry 74, 51-55 (2003); published online EpubJan (

232. R. D. Traub, I. Pais, A. Bibbig, F. E. Lebeau, E. H. Buhl, H. Garner, H. Monyer, M. A.

Whittington, Transient depression of excitatory synapses on interneurons contributes to epileptiform bursts during gamma oscillations in the mouse hippocampal slice. J Neurophysiol 94, 1225-1235 (2005); published online EpubAug (00069.2005 [pii]10.1152/jn.00069.2005).

233. W. Sedley, M. O. Cunningham, Do cortical gamma oscillations promote or suppress perception? An under-asked question with an over-assumed answer. Front Hum Neurosci 7, 595 (2013)10.3389/fnhum.2013.00595).

234. E. Visani, G. Varotto, S. Binelli, L. Fratello, S. Franceschetti, G. Avanzini, F. Panzica,

Photosensitive epilepsy: spectral and coherence analyses of EEG using 14Hz intermittent photic stimulation. Clin Neurophysiol 121, 318-324 (2010); published online EpubMar (S1388-2457(09)00755-X [pii]10.1016/j.clinph.2009.12.003).

235. J. Parra, S. N. Kalitzin, J. Iriarte, W. Blanes, D. N. Velis, F. H. Lopes da Silva, Gamma-band phase clustering and photosensitivity: is there an underlying mechanism common to

220

photosensitive epilepsy and visual perception? Brain 126, 1164-1172 (2003); published online EpubMay (

236. L. Andrade-Valenca, F. Mari, J. Jacobs, M. Zijlmans, A. Olivier, J. Gotman, F. Dubeau, Interictal

high frequency oscillations (HFOs) in patients with focal epilepsy and normal MRI. Clin Neurophysiol 123, 100-105 (2012); published online EpubJan (S1388-2457(11)00384-1 [pii]10.1016/j.clinph.2011.06.004).

237. R. D. Traub, M. A. Whittington, E. H. Buhl, F. E. LeBeau, A. Bibbig, S. Boyd, H. Cross, T. Baldeweg, A possible role for gap junctions in generation of very fast EEG oscillations preceding the onset of, and perhaps initiating, seizures. Epilepsia 42, 153-170 (2001); published online EpubFeb (epi26900 [pii]).

238. A. Bragin, C. L. Wilson, J. Almajano, I. Mody, J. Engel, Jr., High-frequency oscillations after

status epilepticus: epileptogenesis and seizure genesis. Epilepsia 45, 1017-1023 (2004); published online EpubSep (10.1111/j.0013-9580.2004.17004.xEPI17004 [pii]).

239. C. Helmstaedter, Effects of chronic epilepsy on declarative memory systems. Prog Brain Res 135, 439-453 (2002)S0079-6123(02)35041-6 [pii]10.1016/S0079-6123(02)35041-6).

240. G. L. Holmes, P. P. Lenck-Santini, Role of interictal epileptiform abnormalities in cognitive impairment. Epilepsy & behavior : E&B 8, 504-515 (2006); published online EpubMay (S1525-5050(05)00529-9 [pii]10.1016/j.yebeh.2005.11.014).

241. C. D. Binnie, Cognitive impairment during epileptiform discharges: is it ever justifiable to treat the EEG? Lancet Neurol 2, 725-730 (2003); published online EpubDec (S1474442203005842 [pii]).

242. D. A. Shewmon, R. J. Erwin, The effect of focal interictal spikes on perception and reaction

time. II. Neuroanatomic specificity. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 69, 338-352 (1988); published online EpubApr (

243. J. K. Kleen, R. C. Scott, G. L. Holmes, P. P. Lenck-Santini, Hippocampal interictal spikes disrupt

cognition in rats. Ann Neurol 67, 250-257 (2010); published online EpubFeb (10.1002/ana.21896).

244. J. K. Kleen, R. C. Scott, G. L. Holmes, D. W. Roberts, M. M. Rundle, M. Testorf, P. P. Lenck-

Santini, B. C. Jobst, Hippocampal interictal epileptiform activity disrupts cognition in humans. Neurology 81, 18-24 (2013); published online EpubJul 2 (WNL.0b013e318297ee50 [pii]10.1212/WNL.0b013e318297ee50).

245. O. I. Khan, Q. Zhao, F. Miller, G. L. Holmes, Interictal spikes in developing rats cause long-standing cognitive deficits. Neurobiol Dis 39, 362-371 (2010); published online EpubSep (S0969-9961(10)00153-1 [pii]10.1016/j.nbd.2010.05.002).

246. X. Liu, R. U. Muller, L. T. Huang, J. L. Kubie, A. Rotenberg, B. Rivard, M. R. Cilio, G. L. Holmes, Seizure-induced changes in place cell physiology: relationship to spatial memory. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 23, 11505-11515 (2003); published online EpubDec 17 (23/37/11505 [pii]).

247. J. Epsztein, A. Represa, I. Jorquera, Y. Ben-Ari, V. Crepel, Recurrent mossy fibers establish

aberrant kainate receptor-operated synapses on granule cells from epileptic rats. The Journal

221

of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 25, 8229-8239 (2005); published online EpubSep 7 (25/36/8229 [pii]10.1523/JNEUROSCI.1469-05.2005).

248. J. Artinian, A. Peret, G. Marti, J. Epsztein, V. Crepel, Synaptic kainate receptors in interplay with INaP shift the sparse firing of dentate granule cells to a sustained rhythmic mode in temporal lobe epilepsy. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 31, 10811-10818 (2011); published online EpubJul 27 (31/30/10811 [pii]10.1523/JNEUROSCI.0388-11.2011).

249. J. Artinian, A. Peret, Y. Mircheva, G. Marti, V. Crepel, Impaired neuronal operation through aberrant intrinsic plasticity in epilepsy. Ann Neurol 77, 592-606 (2015); published online EpubApr (10.1002/ana.24348).

250. A. C. Bender, H. Natola, C. Ndong, G. L. Holmes, R. C. Scott, P. P. Lenck-Santini, Focal Scn1a

knockdown induces cognitive impairment without seizures. Neurobiol Dis 54, 297-307 (2013); published online EpubJun (S0969-9961(13)00012-0 [pii]10.1016/j.nbd.2012.12.021).

251. Y. E. Ju, B. P. Lucey, D. M. Holtzman, Sleep and Alzheimer disease pathology--a bidirectional relationship. Nat Rev Neurol 10, 115-119 (2014); published online EpubFeb (10.1038/nrneurol.2013.269).

252. L. Peter-Derex, P. Yammine, H. Bastuji, B. Croisile, Sleep and Alzheimer's disease. Sleep Med

Rev 19, 29-38 (2015); published online EpubFeb (10.1016/j.smrv.2014.03.007). 253. C. F. Hatfield, J. Herbert, E. J. van Someren, J. R. Hodges, M. H. Hastings, Disrupted daily

activity/rest cycles in relation to daily cortisol rhythms of home-dwelling patients with early Alzheimer's dementia. Brain 127, 1061-1074 (2004); published online EpubMay (10.1093/brain/awh129).

254. P. N. Prinz, E. R. Peskind, P. P. Vitaliano, M. A. Raskind, C. Eisdorfer, N. Zemcuznikov, C. J.

Gerber, Changes in the sleep and waking EEGs of nondemented and demented elderly subjects. J Am Geriatr Soc 30, 86-93 (1982); published online EpubFeb (

255. D. Petit, J. F. Gagnon, M. L. Fantini, L. Ferini-Strambi, J. Montplaisir, Sleep and quantitative

EEG in neurodegenerative disorders. J Psychosom Res 56, 487-496 (2004); published online EpubMay (10.1016/j.jpsychores.2004.02.001).

256. P. R. Martin, R. J. Loewenstein, W. H. Kaye, M. H. Ebert, H. Weingartner, J. C. Gillin, Sleep EEG

in Korsakoff's psychosis and Alzheimer's disease. Neurology 36, 411-414 (1986); published online EpubMar (

257. R. J. Loewenstein, H. Weingartner, J. C. Gillin, W. Kaye, M. Ebert, W. B. Mendelson,

Disturbances of sleep and cognitive functioning in patients with dementia. Neurobiology of aging 3, 371-377 (1982); published online EpubWinter (

258. M. Sethi, S. S. Joshi, R. L. Webb, T. L. Beckett, K. D. Donohue, M. P. Murphy, B. F. O'Hara, M. J.

Duncan, Increased fragmentation of sleep-wake cycles in the 5XFAD mouse model of Alzheimer's disease. Neuroscience 290, 80-89 (2015); published online EpubApr 2 (10.1016/j.neuroscience.2015.01.035).

222

259. A. Jyoti, A. Plano, G. Riedel, B. Platt, EEG, activity, and sleep architecture in a transgenic AbetaPPswe/PSEN1A246E Alzheimer's disease mouse. J Alzheimers Dis 22, 873-887 (2010)10.3233/JAD-2010-100879).

260. B. Zhang, S. C. Veasey, M. A. Wood, L. Z. Leng, C. Kaminski, S. Leight, T. Abel, V. M. Lee, J. Q.

Trojanowski, Impaired rapid eye movement sleep in the Tg2576 APP murine model of Alzheimer's disease with injury to pedunculopontine cholinergic neurons. Am J Pathol 167, 1361-1369 (2005); published online EpubNov (10.1016/S0002-9440(10)61223-0).

261. R. Sterniczuk, R. H. Dyck, F. M. Laferla, M. C. Antle, Characterization of the 3xTg-AD mouse

model of Alzheimer's disease: part 1. Circadian changes. Brain Res 1348, 139-148 (2010); published online EpubAug 12 (10.1016/j.brainres.2010.05.013).

262. J. H. Roh, Y. Huang, A. W. Bero, T. Kasten, F. R. Stewart, R. J. Bateman, D. M. Holtzman,

Disruption of the sleep-wake cycle and diurnal fluctuation of beta-amyloid in mice with Alzheimer's disease pathology. Sci Transl Med 4, 150ra122 (2012); published online EpubSep 5 (10.1126/scitranslmed.3004291).

263. C. Babiloni, F. Infarinato, N. Marzano, M. Iacoboni, F. Dassu, A. Soricelli, P. M. Rossini, C.

Limatola, C. Del Percio, Intra-hemispheric functional coupling of alpha rhythms is related to golfer's performance: a coherence EEG study. Int J Psychophysiol 82, 260-268 (2011); published online EpubDec (10.1016/j.ijpsycho.2011.09.008).

264. K. Bennys, G. Rondouin, C. Vergnes, J. Touchon, Diagnostic value of quantitative EEG in

Alzheimer's disease. Neurophysiol Clin 31, 153-160 (2001); published online EpubJun ( 265. D. V. Moretti, C. Babiloni, G. Binetti, E. Cassetta, G. Dal Forno, F. Ferreric, R. Ferri, B. Lanuzza,

C. Miniussi, F. Nobili, G. Rodriguez, S. Salinari, P. M. Rossini, Individual analysis of EEG frequency and band power in mild Alzheimer's disease. Clin Neurophysiol 115, 299-308 (2004); published online EpubFeb (S1388245703003456 [pii]).

266. E. Neto, E. A. Allen, H. Aurlien, H. Nordby, T. Eichele, EEG Spectral Features Discriminate

between Alzheimer's and Vascular Dementia. Front Neurol 6, 25 (2015)10.3389/fneur.2015.00025).

267. C. Babiloni, G. Binetti, E. Cassetta, D. Cerboneschi, G. Dal Forno, C. Del Percio, F. Ferreri, R.

Ferri, B. Lanuzza, C. Miniussi, D. V. Moretti, F. Nobili, R. D. Pascual-Marqui, G. Rodriguez, G. L. Romani, S. Salinari, F. Tecchio, P. Vitali, O. Zanetti, F. Zappasodi, P. M. Rossini, Mapping distributed sources of cortical rhythms in mild Alzheimer's disease. A multicentric EEG study. Neuroimage 22, 57-67 (2004); published online EpubMay (10.1016/j.neuroimage.2003.09.028S1053811903005743 [pii]).

268. R. Rodriguez, F. Lopera, A. Alvarez, Y. Fernandez, L. Galan, Y. Quiroz, M. A. Bobes, Spectral Analysis of EEG in Familial Alzheimer's Disease with E280A Presenilin-1 Mutation Gene. Int J Alzheimers Dis 2014, 180741 (2014)10.1155/2014/180741).

269. C. Micanovic, S. Pal, The diagnostic utility of EEG in early-onset dementia: a systematic

review of the literature with narrative analysis. J Neural Transm 121, 59-69 (2014); published online EpubJan (10.1007/s00702-013-1070-5).

270. J. A. van Deursen, E. F. Vuurman, F. R. Verhey, V. H. van Kranen-Mastenbroek, W. J. Riedel,

Increased EEG gamma band activity in Alzheimer's disease and mild cognitive impairment. J

223

Neural Transm 115, 1301-1311 (2008); published online EpubSep (10.1007/s00702-008-0083-y).

271. C. S. Herrmann, T. Demiralp, Human EEG gamma oscillations in neuropsychiatric disorders.

Clin Neurophysiol 116, 2719-2733 (2005); published online EpubDec (10.1016/j.clinph.2005.07.007).

272. R. Metherate, C. L. Cox, J. H. Ashe, Cellular bases of neocortical activation: modulation of

neural oscillations by the nucleus basalis and endogenous acetylcholine. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 12, 4701-4711 (1992); published online EpubDec (

273. M. Y. Neufeld, M. J. Rabey, Y. Parmet, P. Sifris, T. A. Treves, A. D. Korczyn, Effects of a single

intravenous dose of scopolamine on the quantitative EEG in Alzheimer's disease patients and age-matched controls. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 91, 407-412 (1994); published online EpubDec (

274. U. Ebert, M. Grossmann, R. Oertel, T. Gramatte, W. Kirch, Pharmacokinetic-

pharmacodynamic modeling of the electroencephalogram effects of scopolamine in healthy volunteers. J Clin Pharmacol 41, 51-60 (2001); published online EpubJan (

275. C. Babiloni, R. Lizio, C. Del Percio, N. Marzano, A. Soricelli, E. Salvatore, R. Ferri, F. I.

Cosentino, G. Tedeschi, P. Montella, S. Marino, S. De Salvo, G. Rodriguez, F. Nobili, F. Vernieri, F. Ursini, C. Mundi, J. C. Richardson, G. B. Frisoni, P. M. Rossini, Cortical sources of resting state EEG rhythms are sensitive to the progression of early stage Alzheimer's disease. J Alzheimers Dis 34, 1015-1035 (2013)10.3233/JAD-121750).

276. J. Jeong, EEG dynamics in patients with Alzheimer's disease. Clin Neurophysiol 115, 1490-

1505 (2004); published online EpubJul (10.1016/j.clinph.2004.01.001). 277. R. Goutagny, N. Gu, C. Cavanagh, J. Jackson, J. G. Chabot, R. Quirion, S. Krantic, S. Williams,

Alterations in hippocampal network oscillations and theta-gamma coupling arise before Abeta overproduction in a mouse model of Alzheimer's disease. Eur J Neurosci 37, 1896-1902 (2013); published online EpubJun (10.1111/ejn.12233).

278. E. L. Schaeffer, M. Figueiro, W. F. Gattaz, Insights into Alzheimer disease pathogenesis from

studies in transgenic animal models. Clinics (Sao Paulo) 66 Suppl 1, 45-54 (2011). 279. J. Wang, S. Ikonen, K. Gurevicius, T. van Groen, H. Tanila, Alteration of cortical EEG in mice

carrying mutated human APP transgene. Brain Res 943, 181-190 (2002); published online EpubJul 12 (S0006899302026173 [pii]).

280. K. Gurevicius, A. Lipponen, H. Tanila, Increased cortical and thalamic excitability in freely

moving APPswe/PS1dE9 mice modeling epileptic activity associated with Alzheimer's disease. Cereb Cortex 23, 1148-1158 (2013); published online EpubMay (bhs105 [pii]10.1093/cercor/bhs105).

281. L. Scott, J. Feng, T. Kiss, E. Needle, K. Atchison, T. T. Kawabe, A. J. Milici, E. Hajos-Korcsok, D. Riddell, M. Hajos, Age-dependent disruption in hippocampal theta oscillation in amyloid-beta overproducing transgenic mice. Neurobiology of aging 33, 1481 e1413-1423 (2012); published online EpubJul (S0197-4580(11)00542-2 [pii]10.1016/j.neurobiolaging.2011.12.010).

224

282. L. Verret, E. O. Mann, G. B. Hang, A. M. Barth, I. Cobos, K. Ho, N. Devidze, E. Masliah, A. C. Kreitzer, I. Mody, L. Mucke, J. J. Palop, Inhibitory interneuron deficit links altered network activity and cognitive dysfunction in Alzheimer model. Cell 149, 708-721 (2012); published online EpubApr 27 (S0092-8674(12)00284-X [pii]10.1016/j.cell.2012.02.046).

283. A. A. Ittner, A. Gladbach, J. Bertz, L. S. Suh, L. M. Ittner, p38 MAP kinase-mediated NMDA receptor-dependent suppression of hippocampal hypersynchronicity in a mouse model of Alzheimer's disease. Acta Neuropathol Commun 2, 149 (2014)10.1186/s40478-014-0149-z).

284. V. Villette, F. Poindessous-Jazat, A. Simon, C. Lena, E. Roullot, B. Bellessort, J. Epelbaum, P. Dutar, A. Stephan, Decreased rhythmic GABAergic septal activity and memory-associated theta oscillations after hippocampal amyloid-beta pathology in the rat. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 30, 10991-11003 (2010); published online EpubAug 18 (30/33/10991 [pii]10.1523/JNEUROSCI.6284-09.2010).

285. D. Hirtz, D. J. Thurman, K. Gwinn-Hardy, M. Mohamed, A. R. Chaudhuri, R. Zalutsky, How common are the "common" neurologic disorders? Neurology 68, 326-337 (2007); published online EpubJan 30 (10.1212/01.wnl.0000252807.38124.a3).

286. W. A. Hauser, J. F. Annegers, L. T. Kurland, Incidence of epilepsy and unprovoked seizures in

Rochester, Minnesota: 1935-1984. Epilepsia 34, 453-468 (1993); published online EpubMay-Jun (

287. E. Olafsson, P. Ludvigsson, G. Gudmundsson, D. Hesdorffer, O. Kjartansson, W. A. Hauser,

Incidence of unprovoked seizures and epilepsy in Iceland and assessment of the epilepsy syndrome classification: a prospective study. Lancet Neurol 4, 627-634 (2005); published online EpubOct (10.1016/S1474-4422(05)70172-1).

288. H. Forstl, A. Burns, R. Levy, N. Cairns, P. Luthert, P. Lantos, Neurologic signs in Alzheimer's

disease. Results of a prospective clinical and neuropathologic study. Arch Neurol 49, 1038-1042 (1992); published online EpubOct (

289. M. Mendez, G. Lim, Seizures in elderly patients with dementia: epidemiology and

management. Drugs & aging 20, 791-803 (2003). 290. S. C. Rao, G. Dove, G. D. Cascino, R. C. Petersen, Recurrent seizures in patients with

dementia: frequency, seizure types, and treatment outcome. Epilepsy & behavior : E&B 14, 118-120 (2009); published online EpubJan (10.1016/j.yebeh.2008.08.012).

291. N. Scarmeas, L. S. Honig, H. Choi, J. Cantero, J. Brandt, D. Blacker, M. Albert, J. C. Amatniek, K.

Marder, K. Bell, W. A. Hauser, Y. Stern, Seizures in Alzheimer disease: who, when, and how common? Arch Neurol 66, 992-997 (2009); published online EpubAug (10.1001/archneurol.2009.130).

292. J. C. Amatniek, W. A. Hauser, C. DelCastillo-Castaneda, D. M. Jacobs, K. Marder, K. Bell, M.

Albert, J. Brandt, Y. Stern, Incidence and predictors of seizures in patients with Alzheimer's disease. Epilepsia 47, 867-872 (2006); published online EpubMay (

293. W. A. Hauser, M. L. Morris, L. L. Heston, V. E. Anderson, Seizures and myoclonus in patients

with Alzheimer's disease. Neurology 36, 1226-1230 (1986); published online EpubSep ( 294. M. F. Mendez, P. Catanzaro, R. C. Doss, A. R. R, W. H. Frey, 2nd, Seizures in Alzheimer's

disease: clinicopathologic study. J Geriatr Psychiatry Neurol 7, 230-233 (1994); published online EpubOct-Dec (

225

295. S. C. Risse, T. H. Lampe, T. D. Bird, D. Nochlin, S. M. Sumi, T. Keenan, L. Cubberley, E. Peskind,

M. A. Raskind, Myoclonus, seizures, and paratonia in Alzheimer disease. Alzheimer Dis Assoc Disord 4, 217-225 (1990); published online EpubWinter (

296. M. F. Romanelli, J. C. Morris, K. Ashkin, L. A. Coben, Advanced Alzheimer's disease is a risk

factor for late-onset seizures. Arch Neurol 47, 847-850 (1990); published online EpubAug ( 297. K. A. Vossel, A. J. Beagle, G. D. Rabinovici, H. Shu, S. E. Lee, G. Naasan, M. Hegde, S. B. Cornes,

M. L. Henry, A. B. Nelson, W. W. Seeley, M. D. Geschwind, M. L. Gorno-Tempini, T. Shih, H. E. Kirsch, P. A. Garcia, B. L. Miller, L. Mucke, Seizures and epileptiform activity in the early stages of Alzheimer disease. JAMA Neurol 70, 1158-1166 (2013); published online EpubSep 1 (10.1001/jamaneurol.2013.136).

298. A. J. Larner, M. Doran, Clinical phenotypic heterogeneity of Alzheimer's disease associated

with mutations of the presenilin-1 gene. J Neurol 253, 139-158 (2006); published online EpubFeb (10.1007/s00415-005-0019-5).

299. S. Jayadev, J. B. Leverenz, E. Steinbart, J. Stahl, W. Klunk, C. E. Yu, T. D. Bird, Alzheimer's

disease phenotypes and genotypes associated with mutations in presenilin 2. Brain 133, 1143-1154 (2010); published online EpubApr (10.1093/brain/awq033).

300. L. Cabrejo, L. Guyant-Marechal, A. Laquerriere, M. Vercelletto, F. De la Fourniere, C. Thomas-

Anterion, C. Verny, F. Letournel, F. Pasquier, A. Vital, F. Checler, T. Frebourg, D. Campion, D. Hannequin, Phenotype associated with APP duplication in five families. Brain 129, 2966-2976 (2006); published online EpubNov (10.1093/brain/awl237).

301. F. Lai, R. S. Williams, A prospective study of Alzheimer disease in Down syndrome. Arch

Neurol 46, 849-853 (1989); published online EpubAug ( 302. D. Friedman, L. S. Honig, N. Scarmeas, Seizures and epilepsy in Alzheimer's disease. CNS

Neurosci Ther 18, 285-294 (2012); published online EpubApr (10.1111/j.1755-5949.2011.00251.x).

303. M. Liedorp, C. J. Stam, W. M. van der Flier, Y. A. Pijnenburg, P. Scheltens, Prevalence and

clinical significance of epileptiform EEG discharges in a large memory clinic cohort. Dement Geriatr Cogn Disord 29, 432-437 (2010)10.1159/000278620).

304. J. Pillai, M. R. Sperling, Interictal EEG and the diagnosis of epilepsy. Epilepsia 47 Suppl 1, 14-

22 (2006)10.1111/j.1528-1167.2006.00654.x). 305. R. A. Del Vecchio, L. H. Gold, S. J. Novick, G. Wong, L. A. Hyde, Increased seizure threshold

and severity in young transgenic CRND8 mice. Neurosci Lett 367, 164-167 (2004); published online EpubSep 2 (10.1016/j.neulet.2004.05.107S0304394004007177 [pii]).

306. J. J. Palop, J. Chin, E. D. Roberson, J. Wang, M. T. Thwin, N. Bien-Ly, J. Yoo, K. O. Ho, G. Q. Yu, A. Kreitzer, S. Finkbeiner, J. L. Noebels, L. Mucke, Aberrant excitatory neuronal activity and compensatory remodeling of inhibitory hippocampal circuits in mouse models of Alzheimer's disease. Neuron 55, 697-711 (2007); published online EpubSep 6 (S0896-6273(07)00570-3 [pii]10.1016/j.neuron.2007.07.025).

307. E. D. Roberson, B. Halabisky, J. W. Yoo, J. Yao, J. Chin, F. Yan, T. Wu, P. Hamto, N. Devidze, G. Q. Yu, J. J. Palop, J. L. Noebels, L. Mucke, Amyloid-beta/Fyn-induced synaptic, network, and

226

cognitive impairments depend on tau levels in multiple mouse models of Alzheimer's disease. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 31, 700-711 (2011); published online EpubJan 12 (10.1523/JNEUROSCI.4152-10.2011).

308. H. A. Born, J. Y. Kim, R. R. Savjani, P. Das, Y. A. Dabaghian, Q. Guo, J. W. Yoo, D. R. Schuler, J.

R. Cirrito, H. Zheng, T. E. Golde, J. L. Noebels, J. L. Jankowsky, Genetic Suppression of Transgenic APP Rescues Hypersynchronous Network Activity in a Mouse Model of Alzeimer's Disease. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 34, 3826-3840 (2014); published online EpubMar 12 (10.1523/JNEUROSCI.5171-13.2014).

309. C. J. Westmark, P. R. Westmark, A. M. Beard, S. M. Hildebrandt, J. S. Malter, Seizure

susceptibility and mortality in mice that over-express amyloid precursor protein. Int J Clin Exp Pathol 1, 157-168 (2008).

310. J. Chan, N. C. Jones, A. I. Bush, T. J. O'Brien, P. Kwan, A mouse model of Alzheimer's disease

displays increased susceptibility to kindling and seizure-associated death. Epilepsia, (2015); published online EpubApr 16 (10.1111/epi.12993).

311. R. Lalonde, M. Dumont, M. Staufenbiel, C. Strazielle, Neurobehavioral characterization of

APP23 transgenic mice with the SHIRPA primary screen. Behav Brain Res 157, 91-98 (2005); published online EpubFeb 10 (10.1016/j.bbr.2004.06.020).

312. F. M. LaFerla, K. N. Green, Animal models of Alzheimer disease. Cold Spring Harb Perspect

Med 2, (2012); published online EpubNov (10.1101/cshperspect.a006320). 313. K. K. Hsiao, D. R. Borchelt, K. Olson, R. Johannsdottir, C. Kitt, W. Yunis, S. Xu, C. Eckman, S.

Younkin, D. Price, et al., Age-related CNS disorder and early death in transgenic FVB/N mice overexpressing Alzheimer amyloid precursor proteins. Neuron 15, 1203-1218 (1995); published online EpubNov (

314. S. Ziyatdinova, K. Gurevicius, N. Kutchiashvili, T. Bolkvadze, J. Nissinen, H. Tanila, A. Pitkanen,

Spontaneous epileptiform discharges in a mouse model of Alzheimer's disease are suppressed by antiepileptic drugs that block sodium channels. Epilepsy Res 94, 75-85 (2011); published online EpubMar (10.1016/j.eplepsyres.2011.01.003).

315. B. F. Corbett, S. C. Leiser, H. P. Ling, R. Nagy, N. Breysse, X. Zhang, A. Hazra, J. T. Brown, A. D.

Randall, A. Wood, M. N. Pangalos, P. H. Reinhart, J. Chin, Sodium channel cleavage is associated with aberrant neuronal activity and cognitive deficits in a mouse model of Alzheimer's disease. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 33, 7020-7026 (2013); published online EpubApr 17 (10.1523/JNEUROSCI.2325-12.2013).

316. P. E. Sanchez, L. Zhu, L. Verret, K. A. Vossel, A. G. Orr, J. R. Cirrito, N. Devidze, K. Ho, G. Q. Yu,

J. J. Palop, L. Mucke, Levetiracetam suppresses neuronal network dysfunction and reverses synaptic and cognitive deficits in an Alzheimer's disease model. Proc Natl Acad Sci U S A 109, E2895-2903 (2012); published online EpubOct 16 (1121081109 [pii]10.1073/pnas.1121081109).

317. L. Verret, A. Krezymon, H. Halley, S. Trouche, M. Zerwas, M. Lazouret, J. M. Lassalle, C. Rampon, Transient enriched housing before amyloidosis onset sustains cognitive improvement in Tg2576 mice. Neurobiology of aging 34, 211-225 (2013); published online EpubJan (S0197-4580(12)00300-4 [pii]10.1016/j.neurobiolaging.2012.05.013).

227

318. J. J. Palop, B. Jones, L. Kekonius, J. Chin, G. Q. Yu, J. Raber, E. Masliah, L. Mucke, Neuronal depletion of calcium-dependent proteins in the dentate gyrus is tightly linked to Alzheimer's disease-related cognitive deficits. Proc Natl Acad Sci U S A 100, 9572-9577 (2003); published online EpubAug 5 (10.1073/pnas.11333811001133381100 [pii]).

319. I. Ferrer, T. Tunon, E. Soriano, A. del Rio, I. Iraizoz, M. Fonseca, N. Guionnet, Calbindin D-28k immunoreactivity in the temporal neocortex in patients with Alzheimer's disease. Clin Neuropathol 12, 53-58 (1993); published online EpubJan-Feb (

320. Y. Ichimiya, P. C. Emson, C. Q. Mountjoy, D. E. Lawson, R. Iizuka, Calbindin-immunoreactive

cholinergic neurones in the nucleus basalis of Meynert in Alzheimer-type dementia. Brain Res 499, 402-406 (1989); published online EpubOct 16 (

321. T. L. Kerrigan, J. T. Brown, A. D. Randall, Characterization of altered intrinsic excitability in

hippocampal CA1 pyramidal cells of the Abeta-overproducing PDAPP mouse. Neuropharmacology 79, 515-524 (2014); published online EpubApr (10.1016/j.neuropharm.2013.09.004).

322. A. M. Hall, B. T. Throesch, S. C. Buckingham, S. J. Markwardt, Y. Peng, Q. Wang, D. A.

Hoffman, E. D. Roberson, Tau-dependent kv4.2 depletion and dendritic hyperexcitability in a mouse model of Alzheimer's disease. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 35, 6221-6230 (2015); published online EpubApr 15 (10.1523/JNEUROSCI.2552-14.2015).

323. Z. Siskova, D. Justus, H. Kaneko, D. Friedrichs, N. Henneberg, T. Beutel, J. Pitsch, S. Schoch, A.

Becker, H. von der Kammer, S. Remy, Dendritic structural degeneration is functionally linked to cellular hyperexcitability in a mouse model of Alzheimer's disease. Neuron 84, 1023-1033 (2014); published online EpubDec 3 (10.1016/j.neuron.2014.10.024).

324. R. J. Mark, Z. Pang, J. W. Geddes, K. Uchida, M. P. Mattson, Amyloid beta-peptide impairs

glucose transport in hippocampal and cortical neurons: involvement of membrane lipid peroxidation. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 17, 1046-1054 (1997); published online EpubFeb 1 (

325. T. Prapong, J. Buss, W. H. Hsu, P. Heine, H. West Greenlee, E. Uemura, Amyloid beta-peptide

decreases neuronal glucose uptake despite causing increase in GLUT3 mRNA transcription and GLUT3 translocation to the plasma membrane. Exp Neurol 174, 253-258 (2002); published online EpubApr (10.1006/exnr.2001.7861).

326. P. I. Moreira, M. S. Santos, R. Seica, C. R. Oliveira, Brain mitochondrial dysfunction as a link

between Alzheimer's disease and diabetes. J Neurol Sci 257, 206-214 (2007); published online EpubJun 15 (10.1016/j.jns.2007.01.017).

327. M. Popovic, M. Caballero-Bleda, I. Kadish, T. Van Groen, Subfield and layer-specific depletion

in calbindin-D28K, calretinin and parvalbumin immunoreactivity in the dentate gyrus of amyloid precursor protein/presenilin 1 transgenic mice. Neuroscience 155, 182-191 (2008); published online EpubJul 31 (10.1016/j.neuroscience.2008.05.023).

328. D. Baglietto-Vargas, I. Moreno-Gonzalez, R. Sanchez-Varo, S. Jimenez, L. Trujillo-Estrada, E.

Sanchez-Mejias, M. Torres, M. Romero-Acebal, D. Ruano, M. Vizuete, J. Vitorica, A. Gutierrez, Calretinin interneurons are early targets of extracellular amyloid-beta pathology in

228

PS1/AbetaPP Alzheimer mice hippocampus. J Alzheimers Dis 21, 119-132 (2010)10.3233/JAD-2010-100066).

329. H. Takahashi, I. Brasnjevic, B. P. Rutten, N. Van Der Kolk, D. P. Perl, C. Bouras, H. W.

Steinbusch, C. Schmitz, P. R. Hof, D. L. Dickstein, Hippocampal interneuron loss in an APP/PS1 double mutant mouse and in Alzheimer's disease. Brain Struct Funct 214, 145-160 (2010); published online EpubMar (10.1007/s00429-010-0242-4).

330. C. Perez-Cruz, M. W. Nolte, M. M. van Gaalen, N. R. Rustay, A. Termont, A. Tanghe, F.

Kirchhoff, U. Ebert, Reduced spine density in specific regions of CA1 pyramidal neurons in two transgenic mouse models of Alzheimer's disease. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 31, 3926-3934 (2011); published online EpubMar 9 (10.1523/JNEUROSCI.6142-10.2011).

331. L. Trujillo-Estrada, J. C. Davila, E. Sanchez-Mejias, R. Sanchez-Varo, A. Gomez-Arboledas, M.

Vizuete, J. Vitorica, A. Gutierrez, Early neuronal loss and axonal/presynaptic damage is associated with accelerated amyloid-beta accumulation in AbetaPP/PS1 Alzheimer's disease mice subiculum. J Alzheimers Dis 42, 521-541 (2014)10.3233/JAD-140495).

332. L. Leung, Y. Andrews-Zwilling, S. Y. Yoon, S. Jain, K. Ring, J. Dai, M. M. Wang, L. Tong, D.

Walker, Y. Huang, Apolipoprotein E4 causes age- and sex-dependent impairments of hilar GABAergic interneurons and learning and memory deficits in mice. PLoS One 7, e53569 (2012)10.1371/journal.pone.0053569).

333. Y. Andrews-Zwilling, N. Bien-Ly, Q. Xu, G. Li, A. Bernardo, S. Y. Yoon, D. Zwilling, T. X. Yan, L.

Chen, Y. Huang, Apolipoprotein E4 causes age- and Tau-dependent impairment of GABAergic interneurons, leading to learning and memory deficits in mice. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 30, 13707-13717 (2010); published online EpubOct 13 (10.1523/JNEUROSCI.4040-10.2010).

334. M. A. Busche, G. Eichhoff, H. Adelsberger, D. Abramowski, K. H. Wiederhold, C. Haass, M.

Staufenbiel, A. Konnerth, O. Garaschuk, Clusters of hyperactive neurons near amyloid plaques in a mouse model of Alzheimer's disease. Science 321, 1686-1689 (2008); published online EpubSep 19 (321/5896/1686 [pii]10.1126/science.1162844).

335. M. H. Meisler, J. A. Kearney, Sodium channel mutations in epilepsy and other neurological disorders. J Clin Invest 115, 2010-2017 (2005); published online EpubAug (10.1172/JCI25466).

336. L. M. Tong, B. Djukic, C. Arnold, A. K. Gillespie, S. Y. Yoon, M. M. Wang, O. Zhang, J. Knoferle,

J. L. Rubenstein, A. Alvarez-Buylla, Y. Huang, Inhibitory interneuron progenitor transplantation restores normal learning and memory in ApoE4 knock-in mice without or with Abeta accumulation. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 34, 9506-9515 (2014); published online EpubJul 16 (10.1523/JNEUROSCI.0693-14.2014).

337. A. Hazra, F. Gu, A. Aulakh, C. Berridge, J. L. Eriksen, J. Ziburkus, Inhibitory neuron and

hippocampal circuit dysfunction in an aged mouse model of Alzheimer's disease. PLoS One 8, e64318 (2013)10.1371/journal.pone.0064318).

338. K. V. Kuchibhotla, C. R. Lattarulo, B. T. Hyman, B. J. Bacskai, Synchronous hyperactivity and

intercellular calcium waves in astrocytes in Alzheimer mice. Science 323, 1211-1215 (2009); published online EpubFeb 27 (10.1126/science.1169096).

229

339. A. Vezzani, Inflammation and epilepsy. Epilepsy Curr 5, 1-6 (2005); published online EpubJan-

Feb (10.1111/j.1535-7597.2005.05101.x). 340. B. A. Lynch, N. Lambeng, K. Nocka, P. Kensel-Hammes, S. M. Bajjalieh, A. Matagne, B. Fuks,

The synaptic vesicle protein SV2A is the binding site for the antiepileptic drug levetiracetam. Proc Natl Acad Sci U S A 101, 9861-9866 (2004); published online EpubJun 29 (10.1073/pnas.0308208101).

341. K. L. Custer, N. S. Austin, J. M. Sullivan, S. M. Bajjalieh, Synaptic vesicle protein 2 enhances

release probability at quiescent synapses. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 26, 1303-1313 (2006); published online EpubJan 25 (10.1523/JNEUROSCI.2699-05.2006).

342. W. P. Chang, T. C. Sudhof, SV2 renders primed synaptic vesicles competent for Ca2+ -induced

exocytosis. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 29, 883-897 (2009); published online EpubJan 28 (10.1523/JNEUROSCI.4521-08.2009).

343. M. A. Busche, X. Chen, H. A. Henning, J. Reichwald, M. Staufenbiel, B. Sakmann, A. Konnerth,

Critical role of soluble amyloid-beta for early hippocampal hyperactivity in a mouse model of Alzheimer's disease. Proc Natl Acad Sci U S A 109, 8740-8745 (2012); published online EpubMay 29 (10.1073/pnas.1206171109).

344. Q. Liu, X. Xie, R. J. Lukas, P. A. St John, J. Wu, A novel nicotinic mechanism underlies beta-

amyloid-induced neuronal hyperexcitation. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 33, 7253-7263 (2013); published online EpubApr 24 (10.1523/JNEUROSCI.3235-12.2013).

345. J. R. Cirrito, K. A. Yamada, M. B. Finn, R. S. Sloviter, K. R. Bales, P. C. May, D. D. Schoepp, S. M.

Paul, S. Mennerick, D. M. Holtzman, Synaptic activity regulates interstitial fluid amyloid-beta levels in vivo. Neuron 48, 913-922 (2005); published online EpubDec 22 (10.1016/j.neuron.2005.10.028).

346. J. J. Palop, L. Mucke, Amyloid-beta-induced neuronal dysfunction in Alzheimer's disease:

from synapses toward neural networks. Nat Neurosci 13, 812-818 (2010); published online EpubJul (10.1038/nn.2583).

347. D. L. Vogt, D. Thomas, V. Galvan, D. E. Bredesen, B. T. Lamb, S. W. Pimplikar, Abnormal

neuronal networks and seizure susceptibility in mice overexpressing the APP intracellular domain. Neurobiology of aging 32, 1725-1729 (2011); published online EpubSep (10.1016/j.neurobiolaging.2009.09.002).

348. K. Ghosal, S. W. Pimplikar, Aging and excitotoxic stress exacerbate neural circuit

reorganization in amyloid precursor protein intracellular domain transgenic mice. Neurobiology of aging 32, 2320 e2321-2329 (2011); published online EpubDec (10.1016/j.neurobiolaging.2010.04.020).

349. D. Y. Kim, B. W. Carey, H. Wang, L. A. Ingano, A. M. Binshtok, M. H. Wertz, W. H. Pettingell, P. He, V. M. Lee, C. J. Woolf, D. M. Kovacs, BACE1 regulates voltage-gated sodium channels and neuronal activity. Nat Cell Biol 9, 755-764 (2007); published online EpubJul (ncb1602 [pii]10.1038/ncb1602).

230

350. G. Gerenu, M. Dobarro, M. J. Ramirez, F. J. Gil-Bea, Early cognitive stimulation compensates for memory and pathological changes in Tg2576 mice. Biochim Biophys Acta 1832, 837-847 (2013); published online EpubJun (10.1016/j.bbadis.2013.02.018).

351. B. Wang, Z. Wang, L. Sun, L. Yang, H. Li, A. L. Cole, J. Rodriguez-Rivera, H. C. Lu, H. Zheng, The

amyloid precursor protein controls adult hippocampal neurogenesis through GABAergic interneurons. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 34, 13314-13325 (2014); published online EpubOct 1 (10.1523/JNEUROSCI.2848-14.2014).

352. A. L. Gheyara, R. Ponnusamy, B. Djukic, R. J. Craft, K. Ho, W. Guo, M. M. Finucane, P. E. Sanchez, L. Mucke, Tau reduction prevents disease in a mouse model of Dravet syndrome. Ann Neurol 76, 443-456 (2014); published online EpubSep (10.1002/ana.24230).

353. A. M. Garcia-Cabrero, R. Guerrero-Lopez, B. G. Giraldez, M. Llorens-Martin, J. Avila, J. M.

Serratosa, M. P. Sanchez, Hyperexcitability and epileptic seizures in a model of frontotemporal dementia. Neurobiol Dis 58, 200-208 (2013); published online EpubOct (S0969-9961(13)00172-1 [pii]10.1016/j.nbd.2013.06.005).

354. R. Sulkava, K. Amberla, Alzheimer's disease and senile dementia of Alzheimer type. A neuropsychological study. Acta Neurol Scand 65, 651-660 (1982); published online EpubJun (

355. M. J. McAreavey, B. R. Ballinger, G. W. Fenton, Epileptic seizures in elderly patients with

dementia. Epilepsia 33, 657-660 (1992); published online EpubJul-Aug ( 356. J. S. Aller-Alvarez, M. Menendez-Gonzalez, R. Ribacoba-Montero, M. Salvado, V. Vega, R.

Suarez-Moro, M. Sueiras, M. Toledo, J. Salas-Puig, J. Alvarez-Sabin, Myoclonic epilepsy in Down syndrome and Alzheimer disease. Neurologia, (2015); published online EpubFeb 5 (10.1016/j.nrl.2014.12.008).

357. A. Bakker, G. L. Krauss, M. S. Albert, C. L. Speck, L. R. Jones, C. E. Stark, M. A. Yassa, S. S.

Bassett, A. L. Shelton, M. Gallagher, Reduction of hippocampal hyperactivity improves cognition in amnestic mild cognitive impairment. Neuron 74, 467-474 (2012); published online EpubMay 10 (S0896-6273(12)00325-X [pii]10.1016/j.neuron.2012.03.023).

358. R. E. Marchetti C., Pimpinella D., Curia G., Middei S., Excitability of Hippocampal cells and the role of seizures in early stages of Alzeimer's disease. 12th International Conference on Alzheimer's and Parkinson's Diseases and Related Neurological Disorders, Nice, France, (2015); published online EpubMarch 18-22 (

359. Hebb, The effects of early experience on problem solving at maturity. American Psychologist

2, 306–307 (1947). 360. M. R. Rosenzweig, D. Krech, E. L. Bennett, M. C. Diamond, Effects of environmental

complexity and training on brain chemistry and anatomy: a replication and extension. J Comp Physiol Psychol 55, 429-437 (1962); published online EpubAug (

361. M. C. Diamond, C. A. Ingham, R. E. Johnson, E. L. Bennett, M. R. Rosenzweig, Effects of

environment on morphology of rat cerebral cortex and hippocampus. J Neurobiol 7, 75-85 (1976); published online EpubJan (10.1002/neu.480070108).

362. J. Altman, G. D. Das, Autoradiographic Examination of the Effects of Enriched Environment on

the Rate of Glial Multiplication in the Adult Rat Brain. Nature 204, 1161-1163 (1964); published online EpubDec 19 (

231

363. H. F. Harlow, S. J. Suomi, Social recovery by isolation-reared monkeys. Proc Natl Acad Sci U S

A 68, 1534-1538 (1971); published online EpubJul ( 364. Y. Stern, B. Gurland, T. K. Tatemichi, M. X. Tang, D. Wilder, R. Mayeux, Influence of education

and occupation on the incidence of Alzheimer's disease. JAMA 271, 1004-1010 (1994); published online EpubApr 6 (

365. N. Scarmeas, G. Levy, M. X. Tang, J. Manly, Y. Stern, Influence of leisure activity on the incidence of Alzheimer's disease. Neurology 57, 2236-2242 (2001); published online EpubDec 26 (

366. A. Foubert-Samier, M. Le Goff, C. Helmer, K. Peres, J. M. Orgogozo, P. Barberger-Gateau, H.

Amieva, J. F. Dartigues, Change in leisure and social activities and risk of dementia in elderly cohort. Journal of Nutrition Health & Aging 18, 876-882 (2014); published online EpubOct (DOI 10.1007/s12603-014-0475-7).

367. D. M. Rentz, J. J. Locascio, J. A. Becker, E. K. Moran, E. Eng, R. L. Buckner, R. A. Sperling, K. A.

Johnson, Cognition, Reserve, and Amyloid Deposition in Normal Aging. Annals of Neurology 67, 353-364 (2010); published online EpubMar (Doi 10.1002/Ana.21904).

368. J. A. Mortimer, D. A. Snowdon, W. R. Markesbery, Head circumference, education and risk of

dementia: findings from the Nun Study. J Clin Exp Neuropsychol 25, 671-679 (2003); published online EpubAug (10.1076/jcen.25.5.671.14584).

369. Y. Stern, J. R. Moeller, K. E. Anderson, B. Luber, N. R. Zubin, A. A. DiMauro, A. Park, C. E.

Campbell, K. Marder, K. Bell, R. Van Heertum, H. A. Sackeim, Different brain networks mediate task performance in normal aging and AD: defining compensation. Neurology 55, 1291-1297 (2000); published online EpubNov 14 (

370. Y. Stern, Cognitive reserve in ageing and Alzheimer's disease. Lancet Neurol 11, 1006-1012

(2012); published online EpubNov (S1474-4422(12)70191-6 [pii]10.1016/S1474-4422(12)70191-6).

371. H. van Praag, B. R. Christie, T. J. Sejnowski, F. H. Gage, Running enhances neurogenesis, learning, and long-term potentiation in mice. Proc Natl Acad Sci U S A 96, 13427-13431 (1999); published online EpubNov 9 (

372. N. Madronal, C. Lopez-Aracil, A. Rangel, J. A. del Rio, J. M. Delgado-Garcia, A. Gruart, Effects

of enriched physical and social environments on motor performance, associative learning, and hippocampal neurogenesis in mice. PLoS One 5, e11130 (2010)10.1371/journal.pone.0011130).

373. R. P. Fares, A. Belmeguenai, P. E. Sanchez, H. Y. Kouchi, J. Bodennec, A. Morales, B. Georges,

C. Bonnet, S. Bouvard, R. S. Sloviter, L. Bezin, Standardized environmental enrichment supports enhanced brain plasticity in healthy rats and prevents cognitive impairment in epileptic rats. PLoS One 8, e53888 (2013)10.1371/journal.pone.0053888PONE-D-12-23314 [pii]).

374. J. Nithianantharajah, A. J. Hannan, Enriched environments, experience-dependent plasticity and disorders of the nervous system. Nature reviews. Neuroscience 7, 697-709 (2006); published online EpubSep (nrn1970 [pii]10.1038/nrn1970).

232

375. M. R. Rosenzweig, E. L. Bennett, Psychobiology of plasticity: effects of training and experience on brain and behavior. Behav Brain Res 78, 57-65 (1996); published online EpubJun (0166432895002162 [pii]).

376. E. Bruel-Jungerman, S. Laroche, C. Rampon, New neurons in the dentate gyrus are involved in

the expression of enhanced long-term memory following environmental enrichment. Eur J Neurosci 21, 513-521 (2005); published online EpubJan (10.1111/j.1460-9568.2005.03875.x).

377. S. Mirochnic, S. Wolf, M. Staufenbiel, G. Kempermann, Age effects on the regulation of adult hippocampal neurogenesis by physical activity and environmental enrichment in the APP23 mouse model of Alzheimer disease. Hippocampus 19, 1008-1018 (2009); published online EpubOct (10.1002/hipo.20560).

378. S. He, J. Ma, N. Liu, X. Yu, Early enriched environment promotes neonatal GABAergic

neurotransmission and accelerates synapse maturation. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 30, 7910-7916 (2010); published online EpubJun 9 (30/23/7910 [pii]10.1523/JNEUROSCI.6375-09.2010).

379. C. Rampon, Y. P. Tang, J. Goodhouse, E. Shimizu, M. Kyin, J. Z. Tsien, Enrichment induces structural changes and recovery from nonspatial memory deficits in CA1 NMDAR1-knockout mice. Nat Neurosci 3, 238-244 (2000); published online EpubMar (10.1038/72945).

380. J. Nithianantharajah, H. Levis, M. Murphy, Environmental enrichment results in cortical and

subcortical changes in levels of synaptophysin and PSD-95 proteins. Neurobiology of learning and memory 81, 200-210 (2004); published online EpubMay (10.1016/j.nlm.2004.02.002S1074742704000206 [pii]).

381. S. N. Duffy, K. J. Craddock, T. Abel, P. V. Nguyen, Environmental enrichment modifies the PKA-dependence of hippocampal LTP and improves hippocampus-dependent memory. Learn Mem 8, 26-34 (2001); published online EpubJan-Feb (10.1101/lm.36301).

382. G. I. Irvine, B. Logan, M. Eckert, W. C. Abraham, Enriched environment exposure regulates

excitability, synaptic transmission, and LTP in the dentate gyrus of freely moving rats. Hippocampus 16, 149-160 (2006)10.1002/hipo.20142).

383. S. Jha, B. Dong, K. Sakata, Enriched environment treatment reverses depression-like behavior

and restores reduced hippocampal neurogenesis and protein levels of brain-derived neurotrophic factor in mice lacking its expression through promoter IV. Transl Psychiatry 1, e40 (2011)tp201133 [pii]10.1038/tp.2011.33).

384. D. Young, P. A. Lawlor, P. Leone, M. Dragunow, M. J. During, Environmental enrichment inhibits spontaneous apoptosis, prevents seizures and is neuroprotective. Nat Med 5, 448-453 (1999); published online EpubApr (10.1038/7449).

385. F. Naka, N. Narita, N. Okado, M. Narita, Modification of AMPA receptor properties following

environmental enrichment. Brain Dev 27, 275-278 (2005); published online EpubJun (S0387-7604(04)00152-4 [pii]10.1016/j.braindev.2004.07.006).

386. F. Donato, S. B. Rompani, P. Caroni, Parvalbumin-expressing basket-cell network plasticity induced by experience regulates adult learning. Nature 504, 272-276 (2013); published online EpubDec 12 (nature12866 [pii]10.1038/nature12866).

233

387. M. Nilsson, E. Perfilieva, U. Johansson, O. Orwar, P. S. Eriksson, Enriched environment increases neurogenesis in the adult rat dentate gyrus and improves spatial memory. J Neurobiol 39, 569-578 (1999); published online EpubJun 15 (

388. I. D'Andrea, F. Gracci, E. Alleva, I. Branchi, Early social enrichment provided by communal

nest increases resilience to depression-like behavior more in female than in male mice. Behav Brain Res 215, 71-76 (2010); published online EpubDec 20 (S0166-4328(10)00474-2 [pii]10.1016/j.bbr.2010.06.030).

389. J. E. Friske, S. C. Gammie, Environmental enrichment alters plus maze, but not maternal defense performance in mice. Physiol Behav 85, 187-194 (2005); published online EpubJun 2 (S0031-9384(05)00112-5 [pii]10.1016/j.physbeh.2005.03.022).

390. J. Nithianantharajah, A. J. Hannan, Mechanisms mediating brain and cognitive reserve: experience-dependent neuroprotection and functional compensation in animal models of neurodegenerative diseases. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry 35, 331-339 (2011); published online EpubMar 30 (S0278-5846(10)00415-X [pii]10.1016/j.pnpbp.2010.10.026).

391. J. L. Jankowsky, T. Melnikova, D. J. Fadale, G. M. Xu, H. H. Slunt, V. Gonzales, L. H. Younkin, S. G. Younkin, D. R. Borchelt, A. V. Savonenko, Environmental enrichment mitigates cognitive deficits in a mouse model of Alzheimer's disease. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 25, 5217-5224 (2005); published online EpubMay 25 (25/21/5217 [pii]10.1523/JNEUROSCI.5080-04.2005).

392. N. Berardi, C. Braschi, S. Capsoni, A. Cattaneo, L. Maffei, Environmental enrichment delays the onset of memory deficits and reduces neuropathological hallmarks in a mouse model of Alzheimer-like neurodegeneration. J Alzheimers Dis 11, 359-370 (2007); published online EpubJun (

393. D. A. Costa, J. R. Cracchiolo, A. D. Bachstetter, T. F. Hughes, K. R. Bales, S. M. Paul, R. F.

Mervis, G. W. Arendash, H. Potter, Enrichment improves cognition in AD mice by amyloid-related and unrelated mechanisms. Neurobiology of aging 28, 831-844 (2007); published online EpubJun (S0197-4580(06)00122-9 [pii]10.1016/j.neurobiolaging.2006.04.009).

394. J. R. Cracchiolo, T. Mori, S. J. Nazian, J. Tan, H. Potter, G. W. Arendash, Enhanced cognitive activity--over and above social or physical activity--is required to protect Alzheimer's mice against cognitive impairment, reduce Abeta deposition, and increase synaptic immunoreactivity. Neurobiology of learning and memory 88, 277-294 (2007); published online EpubOct (S1074-7427(07)00088-3 [pii]10.1016/j.nlm.2007.07.007).

395. S. Dong, C. Li, P. Wu, J. Z. Tsien, Y. Hu, Environment enrichment rescues the neurodegenerative phenotypes in presenilins-deficient mice. Eur J Neurosci 26, 101-112 (2007); published online EpubJul (EJN5641 [pii]10.1111/j.1460-9568.2007.05641.x).

396. N. Gortz, L. Lewejohann, M. Tomm, O. Ambree, K. Keyvani, W. Paulus, N. Sachser, Effects of environmental enrichment on exploration, anxiety, and memory in female TgCRND8 Alzheimer mice. Behav Brain Res 191, 43-48 (2008); published online EpubAug 5 (S0166-4328(08)00139-3 [pii]10.1016/j.bbr.2008.03.006).

397. M. C. Cotel, S. Jawhar, D. Z. Christensen, T. A. Bayer, O. Wirths, Environmental enrichment fails to rescue working memory deficits, neuron loss, and neurogenesis in APP/PS1KI mice. Neurobiology of aging 33, 96-107 (2012); published online EpubJan (S0197-4580(10)00090-4 [pii]10.1016/j.neurobiolaging.2010.02.012).

234

398. O. Wirths, T. A. Bayer, Neuron loss in transgenic mouse models of Alzheimer's disease. Int J Alzheimers Dis 2010, (2010)10.4061/2010/723782).

399. T. Freret, J. M. Billard, P. Schumann-Bard, P. Dutar, F. Dauphin, M. Boulouard, V. Bouet,

Rescue of cognitive aging by long-lasting environmental enrichment exposure initiated before median lifespan. Neurobiology of aging 33, 1005 e1001-1010 (2012); published online EpubMay (S0197-4580(11)00380-0 [pii]10.1016/j.neurobiolaging.2011.09.028).

400. S. Li, M. Jin, D. Zhang, T. Yang, T. Koeglsperger, H. Fu, D. J. Selkoe, Environmental novelty activates beta2-adrenergic signaling to prevent the impairment of hippocampal LTP by Abeta oligomers. Neuron 77, 929-941 (2013); published online EpubMar 6 (S0896-6273(13)00048-2 [pii]10.1016/j.neuron.2012.12.040).

401. S. M. Korbey, S. C. Heinrichs, M. P. Leussis, Seizure susceptibility and locus ceruleus activation are reduced following environmental enrichment in an animal model of epilepsy. Epilepsy & behavior : E&B 12, 30-38 (2008); published online EpubJan (S1525-5050(07)00319-8 [pii]10.1016/j.yebeh.2007.09.013).

402. R. Auvergne, C. Lere, B. El Bahh, S. Arthaud, V. Lespinet, A. Rougier, G. Le Gal La Salle, Delayed kindling epileptogenesis and increased neurogenesis in adult rats housed in an enriched environment. Brain Res 954, 277-285 (2002); published online EpubNov 8 (S0006899302033553 [pii]).

403. I. Manno, F. Macchi, M. Caleo, Y. Bozzi, Environmental enrichment reduces spontaneous

seizures in the Q54 transgenic mouse model of temporal lobe epilepsy. Epilepsia 52, e113-117 (2011); published online EpubSep (10.1111/j.1528-1167.2011.03166.x).

404. B. Cheng, K. Furukawa, J. A. O'Keefe, Y. Goodman, M. Kihiko, T. Fabian, M. P. Mattson, Basic

fibroblast growth factor selectively increases AMPA-receptor subunit GluR1 protein level and differentially modulates Ca2+ responses to AMPA and NMDA in hippocampal neurons. J Neurochem 65, 2525-2536 (1995); published online EpubDec (

405. O. Lindvall, Z. Kokaia, J. Bengzon, E. Elmer, M. Kokaia, Neurotrophins and brain insults.

Trends Neurosci 17, 490-496 (1994); published online EpubNov ( 406. A. Rutten, M. van Albada, D. C. Silveira, B. H. Cha, X. Liu, Y. N. Hu, M. R. Cilio, G. L. Holmes,

Memory impairment following status epilepticus in immature rats: time-course and environmental effects. Eur J Neurosci 16, 501-513 (2002); published online EpubAug (2103 [pii]).

407. E. Morelli, V. Ghiglieri, V. Pendolino, V. Bagetta, A. Pignataro, A. Fejtova, C. Costa, M.

Ammassari-Teule, E. D. Gundelfinger, B. Picconi, P. Calabresi, Environmental enrichment restores CA1 hippocampal LTP and reduces severity of seizures in epileptic mice. Exp Neurol 261, 320-327 (2014); published online EpubNov (S0014-4886(14)00152-6 [pii]10.1016/j.expneurol.2014.05.010).

408. U. Schridde, G. van Luijtelaar, The influence of strain and housing on two types of spike-wave discharges in rats. Genes Brain Behav 3, 1-7 (2004); published online EpubFeb (034 [pii]).

409. B. Oesch, D. Westaway, M. Walchli, M. P. McKinley, S. B. Kent, R. Aebersold, R. A. Barry, P.

Tempst, D. B. Teplow, L. E. Hood, et al., A cellular gene encodes scrapie PrP 27-30 protein. Cell 40, 735-746 (1985); published online EpubApr (

235

410. B. Caughey, R. E. Race, B. Chesebro, Detection of prion protein mRNA in normal and scrapie-infected tissues and cell lines. J Gen Virol 69 ( Pt 3), 711-716 (1988); published online EpubMar

411. W. Loscher, D. Honack, C. P. Fassbender, B. Nolting, The role of technical, biological and

pharmacological factors in the laboratory evaluation of anticonvulsant drugs. III. Pentylenetetrazole seizure models. Epilepsy Res 8, 171-189 (1991); published online EpubApr

412. A. Dhir, Pentylenetetrazol (PTZ) kindling model of epilepsy. Curr Protoc Neurosci Chapter 9, Unit9 37 (2012)10.1002/0471142301.ns0937s58).

413. J. B. McCarthy, M. Walker, J. Pierce, P. Camp, J. D. White, Biosynthesis and metabolism of

native and oxidized neuropeptide Y in the hippocampal mossy fiber system. J Neurochem 70, 1950-1963 (1998); published online EpubMay (

414. A. G. Herzog, P. Klein, B. J. Ransil, Three patterns of catamenial epilepsy. Epilepsia 38, 1082-

1088 (1997); published online EpubOct ( 415. B. Tu, O. Timofeeva, Y. Jiao, J. V. Nadler, Spontaneous release of neuropeptide Y tonically

inhibits recurrent mossy fiber synaptic transmission in epileptic brain. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 25, 1718-1729 (2005); published online EpubFeb 16 (25/7/1718 [pii]10.1523/JNEUROSCI.4835-04.2005).

416. S. D. Croll, C. Suri, D. L. Compton, M. V. Simmons, G. D. Yancopoulos, R. M. Lindsay, S. J. Wiegand, J. S. Rudge, H. E. Scharfman, Brain-derived neurotrophic factor transgenic mice exhibit passive avoidance deficits, increased seizure severity and in vitro hyperexcitability in the hippocampus and entorhinal cortex. Neuroscience 93, 1491-1506 (1999)S0306-4522(99)00296-1 [pii]).

417. J. M. Conner, J. C. Lauterborn, Q. Yan, C. M. Gall, S. Varon, Distribution of brain-derived

neurotrophic factor (BDNF) protein and mRNA in the normal adult rat CNS: evidence for anterograde axonal transport. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 17, 2295-2313 (1997); published online EpubApr 1 (

418. A. Barnea, J. Roberts, Induction of functional and morphological expression of neuropeptide

Y (NPY) in cortical cultures by brain-derived neurotrophic factor (BDNF): evidence for a requirement for extracellular-regulated kinase (ERK)-dependent and ERK-independent mechanisms. Brain Res 919, 57-69 (2001); published online EpubNov 16 (S0006-8993(01)02999-7 [pii]).

419. M. J. Wirth, S. Patz, P. Wahle, Transcellular induction of neuropeptide Y expression by NT4

and BDNF. Proc Natl Acad Sci U S A 102, 3064-3069 (2005); published online EpubFeb 22 (0404712102 [pii]10.1073/pnas.0404712102).

420. B. L. Jacobs, C. A. Fornal, Activity of brain serotonergic neurons in the behaving animal. Pharmacol Rev 43, 563-578 (1991); published online EpubDec (

421. K. Rasmussen, D. A. Morilak, B. L. Jacobs, Single unit activity of locus coeruleus neurons in the

freely moving cat. I. During naturalistic behaviors and in response to simple and complex stimuli. Brain Res 371, 324-334 (1986); published online EpubApr 23 (

422. J. A. Hobson, R. W. McCarley, P. W. Wyzinski, Sleep cycle oscillation: reciprocal discharge by

two brainstem neuronal groups. Science 189, 55-58 (1975); published online EpubJul 4 (

236

423. D. Weinshenker, P. Szot, N. S. Miller, R. D. Palmiter, Alpha(1) and beta(2) adrenoreceptor

agonists inhibit pentylenetetrazole-induced seizures in mice lacking norepinephrine. J Pharmacol Exp Ther 298, 1042-1048 (2001); published online EpubSep (

424. L. V. Colom, M. T. Castaneda, C. Banuelos, G. Puras, A. Garcia-Hernandez, S. Hernandez, S.

Mounsey, J. Benavidez, C. Lehker, Medial septal beta-amyloid 1-40 injections alter septo-hippocampal anatomy and function. Neurobiology of aging 31, 46-57 (2010); published online EpubJan (10.1016/j.neurobiolaging.2008.05.006).

425. L. L. Colgin, Do slow and fast gamma rhythms correspond to distinct functional states in the

hippocampal network? Brain Res, (2015); published online EpubJan 12 (S0006-8993(15)00008-6 [pii]10.1016/j.brainres.2015.01.005).

426. W. Xu, S. Fitzgerald, R. A. Nixon, E. Levy, D. A. Wilson, Early hyperactivity in lateral entorhinal cortex is associated with elevated levels of AbetaPP metabolites in the Tg2576 mouse model of Alzheimer's disease. Exp Neurol 264, 82-91 (2015); published online EpubFeb (S0014-4886(14)00393-8 [pii]10.1016/j.expneurol.2014.12.008).

427. S. J. Slaght, N. Leresche, J. M. Deniau, V. Crunelli, S. Charpier, Activity of thalamic reticular neurons during spontaneous genetically determined spike and wave discharges. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 22, 2323-2334 (2002); published online EpubMar 15 (

428. J. L. Hellier, P. R. Patrylo, P. Dou, M. Nett, G. M. Rose, F. E. Dudek, Assessment of inhibition

and epileptiform activity in the septal dentate gyrus of freely behaving rats during the first week after kainate treatment. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 19, 10053-10064 (1999); published online EpubNov 15 (

429. J. M. Parent, M. M. Kron, Neurogenesis and Epilepsy. (2012)NBK98198 [bookaccession]). 430. E. Trushina, E. Nemutlu, S. Zhang, T. Christensen, J. Camp, J. Mesa, A. Siddiqui, Y. Tamura, H.

Sesaki, T. M. Wengenack, P. P. Dzeja, J. F. Poduslo, Defects in mitochondrial dynamics and metabolomic signatures of evolving energetic stress in mouse models of familial Alzheimer's disease. PLoS One 7, e32737 (2012)10.1371/journal.pone.0032737).

431. J. Q. Shi, B. R. Wang, Y. Y. Tian, J. Xu, L. Gao, S. L. Zhao, T. Jiang, H. G. Xie, Y. D. Zhang,

Antiepileptics topiramate and levetiracetam alleviate behavioral deficits and reduce neuropathology in APPswe/PS1dE9 transgenic mice. CNS Neurosci Ther 19, 871-881 (2013); published online EpubNov (10.1111/cns.12144).

432. J. Graff, L. H. Tsai, Histone acetylation: molecular mnemonics on the chromatin. Nature

reviews. Neuroscience 14, 97-111 (2013); published online EpubFeb (10.1038/nrn3427). 433. A. T. Sorensen, I. Kanter-Schlifke, M. Carli, C. Balducci, F. Noe, M. J. During, A. Vezzani, M.

Kokaia, NPY gene transfer in the hippocampus attenuates synaptic plasticity and learning. Hippocampus 18, 564-574 (2008)10.1002/hipo.20415).

434. J. Engel, Jr., R. F. Ackermann, Interictal EEG spikes correlate with decreased, rather than

increased, epileptogenicity in amygdaloid kindled rats. Brain Res 190, 543-548 (1980); published online EpubMay 26 (0006-8993(80)90296-6 [pii]).

237

435. L. Librizzi, M. de Curtis, Epileptiform ictal discharges are prevented by periodic interictal spiking in the olfactory cortex. Ann Neurol 53, 382-389 (2003); published online EpubMar (10.1002/ana.10471).

436. S. Jessberger, K. Nakashima, G. D. Clemenson, Jr., E. Mejia, E. Mathews, K. Ure, S. Ogawa, C.

M. Sinton, F. H. Gage, J. Hsieh, Epigenetic modulation of seizure-induced neurogenesis and cognitive decline. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 27, 5967-5975 (2007); published online EpubMay 30 (10.1523/JNEUROSCI.0110-07.2007).

437. A. Fischer, F. Sananbenesi, X. Wang, M. Dobbin, L. H. Tsai, Recovery of learning and memory

is associated with chromatin remodelling. Nature 447, 178-182 (2007); published online EpubMay 10 (10.1038/nature05772).

438. M. R. Sarkisian, Overview of the Current Animal Models for Human Seizure and Epileptic

Disorders. Epilepsy & behavior : E&B 2, 201-216 (2001); published online EpubJun (10.1006/ebeh.2001.0193).

439. A. Bilkei-Gorzo, Genetic mouse models of brain ageing and Alzheimer's disease. Pharmacol

Ther 142, 244-257 (2014); published online EpubMay (10.1016/j.pharmthera.2013.12.009). 440. D. J. Selkoe, Resolving controversies on the path to Alzheimer's therapeutics. Nat Med 17,

1060-1065 (2011); published online EpubSep (10.1038/nm.2460).

238

TABLE DES ILLUSTRATIONS Figure 1: Progression des symptômes de la maladie d’Alzheimer. ....................................................... 19

Figure 2. Dessins de coupes coronales de cerveau humain sain (gauche) et atteint de la MA (droite) 21

Figure 3. Photographie d’une plaque sénile ......................................................................................... 22

Figure 4. Illustration d'un marqueur histopathologique de la MA : les dégénérescences

neurofibrillaires révélées ici avec un marquage à l'imprégnation argentique sur une coupe de cerveau

d'une personne atteinte de la MA. (32). ............................................................................................... 22

Figure 5. Schéma des voies amyloïdogènes et non amyloïdogènes. .................................................... 24

Figure 6. Schéma illustrant les effets synaptotoxiques des oligomères d’Aβ ....................................... 26

Figure 7. Génération des potentiels de champs extracellulaires et polarité des potentiels de surface

en fonction du niveau dendritique de l’activité synaptique. ................................................................ 33

Figure 8. Décomposition du signal EEG par la transformée de Fourier et grandeurs d’une fonction

oscillante ............................................................................................................................................... 34

Figure 9. Structure interne de l’hippocampe. ....................................................................................... 35

Figure 10. Interneurone à parvalbumine en panier dans la région CA1 de l’hippocampe, mis en

évidence par un marquage intracellulaire à la neurobiotine. ............................................................... 37

Figure 11. Diversité interneuronale dans la région CA1 de l’hippocampe ........................................... 38

Figure 12. Principales caractéristiques du sommeil lent (gauche) et paradoxal (droite) ..................... 41

Figure 13. Représentation schématique des circuits de l’éveil et du sommeil ..................................... 43

Figure 14. Photographies du gyrus denté et du hile de l’hippocampe de rats contrôle (gauche) et

traité avec du kaïnate (droite). .............................................................................................................. 48

Figure 15. Représentation des connections synaptiques septales sur l’hippocampe et leur altération

dans un contexte d’épilepsie................................................................................................................. 50

Figure 16. Altérations de l’expression du NPY et de la calbindine chez les souris modèles de la MA .. 63

Figure 17. Altérations cellulaires et moléculaires au niveau du gyrus denté hippocampique chez les

souris hAPPJ20 et les modèles d’épilepsie ............................................................................................ 64

Figure 18. Hyperexcitabilité des cellules pyramidales du cortex chez les souris APPswexPS1dE9 ....... 65

Figure 19. Activité des neurones et leur localisation par rapport aux plaques amyloïdes dans le cortex

frontal des souris APP23xPS45 .............................................................................................................. 68

Figure 20. Illustration théorique de la façon dont la réserve cognitive pourrait agir sur le déclin

cognitif associé à la progression de la MA. ........................................................................................... 74

Figure 21. L’environnement enrichi et les zones cérébrales sollicitées par ses différentes

composantes. ........................................................................................................................................ 75

Figure 22. Conditions d’hébergement (Chapitre II)............................................................................... 88

Figure 23. Principe général de l’immunohistochimie en visible............................................................ 91

Figure 24. Les différentes expressions du NPY dans l’hippocampe : interneuronale et dans les fibres

moussues. .............................................................................................................................................. 93

Figure 25. Emplacement des électrodes EEG (noir) et vis de référence (rouge). ................................ 95

Figure 26. Photographie d’une souris après la chirurgie ...................................................................... 96

Figure 27. Photographie du dispositif d’enregistrement EEG. .............................................................. 97

Figure 28. Tracés EEG des différents états de vigilance. ....................................................................... 98

Figure 29. Les différents types de déflections de l’EEG : artefact ou pointe interictale ..................... 100

Figure 30. Analyse quantitative des états du cycle veille-sommeil chez les souris Tg2576 et NTg .... 142

239

Figure 31. Nombre et fréquence des pointes interictales pendant les différents états de vigilance chez

les souris Tg2576. ................................................................................................................................ 144

Figure 32. Spectres de puissance des quatre états comportementaux chez les souris NTg et Tg2576

âgées de 1 mois ½ : ............................................................................................................................. 152

Figure 33. Spectres de puissance des quatre états comportementaux chez les souris NTg et Tg2576

âgées de 6 mois. .................................................................................................................................. 153

Figure 34. Puissances cumulées dans les différentes bandes de fréquence pour les quatre états

comportementaux chez les souris NTg et Tg2576 âgées de 1 mois ½ et 6 mois. ............................... 156

Figure 35. Spectres de puissance avant et après les pointes chez les souris Tg2576. ........................ 158

Figure 36. Spectres de puissances pour les quatre états comportementaux chez les souris NTg et

Tg2576 femelles âgées de 3 mois (avant la période d’EE) assignées au groupe d’hébergement

standard. ............................................................................................................................................. 166

Figure 37. Spectres de puissances pour les quatre états comportementaux chez les souris NTg et

Tg2576 femelles âgées de 3 mois (avant la période d’EE) assignées au groupe d’hébergement enrichi.

............................................................................................................................................................. 167

Figure 38. Spectres de puissances pour les quatre états comportementaux chez les souris NTg et

Tg2576 femelles âgées de 6 mois (après la période d’EE) assignées au groupe d’hébergement

standard. ............................................................................................................................................. 168

Figure 39. Spectres de puissances pour les quatre états comportementaux chez les souris NTg et

Tg2576 femelles âgées de 6 mois (après la période d’EE) assignées au groupe d’hébergement enrichi.

............................................................................................................................................................. 169

Figure 40. Puissances cumulées dans la bande de fréquence delta (1-3 Hz) chez les souris NTg et

Tg2576 femelles âgées de 3 mois et 6 mois, hébergées en milieu standard ou exposées au milieu

enrichi. ................................................................................................................................................. 171

Figure 41.Puissances cumulées dans la bande de fréquence thêta (5-10 Hz) chez les souris NTg et

Tg2576 femelles âgées de 3 mois et 6 mois, hébergées en milieu standard ou exposées au milieu

enrichi. ................................................................................................................................................. 172

Figure 42. Puissances cumulées dans la bande de fréquence bêta (10-30 Hz) chez les souris NTg et

Tg2576 femelles âgées de 3 mois et 6 mois, hébergées en milieu standard ou exposées au milieu

enrichi. ................................................................................................................................................. 173

Figure 43. Puissances cumulées dans la bande de fréquence gamma lent (30-60 Hz) chez les souris

NTg et Tg2576 femelles âgées de 3 mois et 6 mois, hébergées en milieu standard ou exposées au

milieu enrichi. ...................................................................................................................................... 174

Figure 44. Puissances cumulées dans la bande de fréquence gamma rapide (60-100 Hz) chez les

souris NTg et Tg2576 femelles âgées de 3 mois et 6 mois, hébergées en milieu standard ou exposées

au milieu enrichi. ................................................................................................................................. 175

Figure 45. Schéma résumant les hypothèses sur l’origine de l’hypersynchronie neuronale dans les

modèles murins de la MA. ................................................................................................................... 187

240

241

ANNEXES

242

Journal Id

doi:

10.1

684/

nrp.

2013

.028

5

Charlo

UniversUMR51cogniti31062<claire.

Pour ciC. Résdans lamodèle5 (4) :

D

entification = NRP Article Identification = 0285 Date: February 10, 2014 Time: 12:32 pm

Article de synthèse

Rev Neuropsychol

2013 ; 5 (4) : 293-7 Réserve cérébrale et réservecognitive dans la maladie d’Alzheimer :l’apport des modèles murinsBrain reserve and cognitive reservein Alzheimer’s disease: lessons frommurine models

tte Bezzina, Claire Rampon

ité de Toulouse Paul-Sabatier, UPS,69 CNRS, centre de recherches sur laon animale, 118, route de Narbonne,Toulouse cedex 4, Francerampon@univ-tlse3.fr>

ter cet article : Bezzina C, Ramponerve cérébrale et réserve cognitive

maladie d’Alzheimer : l’apport dess murins. Rev Neuropsychol 2013 ;293-7 doi:10.1684/nrp.2013.0285

Résumé Le concept de réserve cognitive et cérébrale permetd’expliquer l’inadéquation parfois observée entre le niveau

d’atteinte cérébrale et les performances cognitives d’individus atteints de la maladied’Alzheimer. Cette réserve, dont l’établissement reposerait sur l’engagement régulier dans desactivités éducatives ou de loisirs, diminuerait le risque de démence de type Alzheimer. Dans lebut d’identifier les substrats neurobiologiques qui sous-tendent cette réserve, le modèle murinest largement utilisé. En effet, des souris transgéniques modèles de la maladie d’Alzheimerprésentent, après exposition à un milieu enrichi, une progression ralentie de la pathologie,mesurable aux niveaux cognitif et anatomique. Le paradigme d’enrichissement environne-mental semble donc adapté à l’étude des processus cérébraux impliqués dans l’expression dela réserve cognitive. Des études récentes ont analysé ces processus aux niveaux cellulaire etmoléculaire, et suggèrent notamment l’implication des nouveaux neurones hippocampiquesproduits dans le cerveau adulte.Mots clés : enrichissement environnemental · activité physique ·mémoire · hippocampe · neurogenèseadulte · souris transgéniques

Abstract The concept of cognitive and neural reserve has beenused to account for the discrepancy between the degree

of brain damage and cognitive performances of Alzheimer’s disease (AD) patients. Thisreserve, built on regular participation in educational or leisure activities, has been linked toa reduced risk of AD-related pathology. In order to identify the neurobiological substratesunderlying this reserve, murine models have largely been used. Indeed, AD transgenicmice models exhibit, after environmental enrichment exposure, a delayed progression of

the pathology, measurable at both cognitive and anatomical levels. Thus, the environmen-tal enrichment paradigm seems to be appropriate to study neural processes involved in

ent stg in p

enrich

the cognitive reserve. Recmolecular levels, suggestininvolved.

Key words: environmentalneurogenesis · transgenic mice

REVUE DE NEUROPSNEUROSCIENCES COGNITI

ans plusieurs pathologies démentielles commela maladie d’Alzheimer (MA), on remarquel’inadéquation entre le niveau d’atteinte cérébrale

et les performances cognitives de l’individu [1, 2]. Lesétudes épidémiologiques révèlent que le lien entre ces deux

Tirés à part :C. Rampon

udies have analyzed these processes at the cellular andarticular, that hippocampal adult neurogenesis could be

ment · physical activity · memory · hippocampus · adult

variables serait influencé par des facteurs tels que le niveau

YCHOLOGIEVES ET CLINIQUES

293

d’éducation, la pratique d’une activité physique et de loi-sirs. Protecteurs, ces facteurs semblent associés à un risqueréduit de développer une démence de type Alzheimer [1].De ces observations a émergé le concept de réserve, entitécomposite expliquant les différences interindividuelles devulnérabilité aux atteintes neuropathologiques [3]. La théo-rie distingue deux composantes de la réserve : l’une dite

Journal Identification = NRP Article Identification = 0285 Date: February 10, 2014 Time: 12:32 pm

2

Article de synthèse

passive et l’autre dite active, car pouvant être modulée parl’expérience acquise au cours de la vie.

À la fin des années 1980, les différences interindivi-duelles de résistance à la pathologie étaient expliquéespar la composante passive de la réserve, souvent appeléeréserve cérébrale, selon laquelle l’atteinte neuropatholo-gique deviendrait symptomatique au-delà d’une certainequantité de détérioration cérébrale, identique pour tousles individus. Ainsi, la taille du cerveau, le nombre deneurones, de synapses seraient des facteurs cruciaux per-mettant d’expliquer que certains individus maintiennent debonnes performances cognitives malgré les atteintes neu-ropathologiques [2, 4]. Plus récemment, la notion de laréserve cognitive, composante active, est venue complé-ter ce concept en suggérant qu’au cours de la vie adulte,il est possible de développer des ressources cérébrales quivont réduire le risque d’atteinte cognitive. Ainsi, un individuavec une forte réserve cognitive serait capable d’endurerun niveau élevé d’atteinte cérébrale avant de parvenir auseuil au-delà duquel l’expression clinique de cette atteintedeviendrait mesurable. Ce maintien des performances mné-siques malgré l’atteinte neuropathologique résulterait àla fois d’un fonctionnement cérébral plus efficace, et demeilleures flexibilités et capacités cognitives mais égale-ment de l’utilisation de réseaux cérébraux additionnels etcompensatoires. Cela est illustré dans le cadre de la MA parde récentes études d’imagerie fonctionnelle réalisées chezl’homme montrant que, lors de la réalisation d’une tâchemnésique, le recrutement des réseaux cérébraux est modulépar la réserve cognitive des individus. Les personnes à forteréserve cognitive recruteraient davantage les réseaux céré-braux normalement impliqués et solliciteraient égalementdes réseaux alternatifs, afin d’assurer des performancescognitives normales [5], voir aussi Bastin et al. dans cenuméro.

Dans l’objectif d’identifier le(s) substrat(s) neurobiolo-gique(s) de la réserve cognitive, l’expérimentation animalea tenté de reproduire l’équivalent de cette réserve chez lerongeur, grâce à des protocoles d’enrichissement environ-nemental. Cela consiste à héberger des groupes d’animauxdans un large espace contenant une multitude d’objetsfréquemment renouvelés et que les animaux sont libresd’explorer (figure 1) [6]. Par comparaison avec les éle-vages standards de laboratoire, ces conditions de vieenrichies favorisent les stimulations sensorielles, phy-siques et sociales. Chez les rongeurs, on observe quel’enrichissement environnemental améliore les perfor-mances mnésiques et stimule la plasticité cérébrale [7, 8].Par exemple, il a été observé des augmentations de la neuro-genèse et de la synaptogenèse hippocampiques [8-10] et de

REVUE DE NEUROPSNEUROSCIENCES COGNITI

94

la potentialisation à long terme, un processus qui permet lerenforcement des synapses [10]. Le séjour en milieu enrichiinduit également une libération accrue de neurotransmet-teurs et de facteurs neurotrophiques [11]. Ces processus deplasticité expliquent, d’une part, l’augmentation du volumeneuronal (par neurogenèse) qui sous-tend la réserve céré-brale et, d’autre part, l’adaptabilité et l’efficacité accrue des

réseaux neuronaux à l’origine de la réserve cognitive (parsynaptogenèse et modification de l’efficacité synaptique).

Afin d’étudier l’effet bénéfique des stimulations environ-nementales sur les troubles cognitifs liés à la MA, plusieursétudes ont utilisé des souris modèles de la MA. Nombre deces souris transgéniques expriment une ou plusieurs muta-tions génétiques trouvées dans des formes familiales de MAchez l’homme et présentent de forts taux d’amyloïde cir-culant, la formation de dépôts amyloïdes extracellulairesavec l’âge, des accumulations intracellulaires de la protéineTau et des déficits mnésiques plus ou moins sévères selonles modèles [12]. Après exposition à un environnementenrichi, à un âge et pour une durée donnés, les perfor-mances mnésiques des animaux ainsi que certains corrélatsneurobiologiques ont été évalués. Il ressort de ces travauxque les stimulations cognitives, physiques et sociales indui-raient non seulement l’équivalent d’une réserve cognitivemais influenceraient également le processus neuropatholo-gique. En effet, si certains travaux ne montrent pas d’effet del’enrichissement environnemental sur la charge amyloïde,malgré l’amélioration des capacités mnésiques des souris[11, 13], un grand nombre d’entre eux rapporte en revancheune réduction de la surface ou du nombre des plaques amy-loïdes [14, 15] ou une diminution des niveaux d’expressionde peptides amyloïde � solubles [16] et ce, dans diffé-rentes lignées de souris modèles. De facon intéressante, ceteffet anti-amyloïdogénique des stimulations environnemen-tales a récemment été décrit dans une étude chez l’homme[17]. Il a été montré que les activités cognitives interve-nant tôt dans la vie de l’individu (avant 40 ans) seraientassociées à une diminution de la fixation du composé dePittsburgh (C11PIB), qui indique la présence de peptide amy-loïde fibrillaire, alors que ce n’est pas le cas lorsque l’activitécognitive est plus tardive [17]. Les stimulations cognitivesprécoces pourraient donc ralentir l’apparition et/ou la pro-gression de l’amyloïdogenèse. Dans une étude récente,nous avons testé l’influence de l’âge des souris au momentde l’exposition au milieu enrichi. Nous avons utilisé lessouris Tg2576 (qui expriment le gène humain de la pro-téine précurseur de l’amyloïde � (APP) portant la mutationfamiliale dite suédoise, APPswe) qui développent une amy-loïdogenèse progressive et des déficits mnésiques liés à l’âge[18]. Nous avons placé les souris Tg2576 âgées de troismois, alors qu’elles ne présentent encore aucun signe de lapathologie, dans un milieu enrichi pendant dix semaines.À l’âge de 13 mois, les souris Tg2576 restées en cagestandard de laboratoire montrent des atteintes neuropatho-logiques et cognitives sévères [15]. En revanche au mêmeâge, leurs congénères ayant bénéficié d’un environnementenrichi, présentent, elles, une diminution de la surface

YCHOLOGIEVES ET CLINIQUES

hippocampo-corticale occupée par les plaques amyloïdeset de meilleures performances cognitives dans des tests demémoire dépendante ou non de l’hippocampe, comme lelabyrinthe aquatique de Morris ou le test de reconnaissanced’objet [15]. Il est intéressant de noter que l’enrichissementenvironnemental réalisé chez des souris Tg2576 âgées dedix mois n’a pas d’effet sur les plaques amyloïdes et pré-

Journal Identification = NRP Article Identification = 0285 Date: February 10, 2014 Time: 12:32 pm

Article de synthèse

A B

(A) et d

Figure 1. Photographies d’un dispositif d’enrichissement environnemental

sente un effet cognitif variable selon le type de mémoiremesuré [15]. À dix mois et en conditions d’hébergementstandard, les souris Tg2576 possèdent des plaques amy-loïdes dans le cortex et présentent des déficits mnésiques,mimant donc à cet âge, un stade relativement avancé de lapathologie. Les souris soumises à un enrichissement envi-ronnemental à l’âge de dix mois montrent, à 13 mois, uneréduction de certaines anomalies comportementales tellesque l’hyperactivité ou la désinhibition comportementale[15]. Il est probable que ces améliorations comportementa-les contribuent aux effets promnésiques observés suite à unenrichissement environnemental tardif.

Une étude récente menée chez les sourisTg2576 suggère que la réserve cognitive, et en particulierla capacité de recruter des réseaux cérébraux alternatifs,pourrait contribuer au ralentissement de l’amyloïdogenèse[19]. Ce travail montre en effet que le taux de peptideamyloïde soluble mesuré dans le liquide interstitiel (liquideextracellulaire du tissu cérébral) de souris Tg2576 jeunes,d’une part, et l’étendue des plaques amyloïdes dansle cerveau de souris Tg2576 âgées, d’autre part, sontremarquablement élevés dans les régions qui constituent,chez l’homme, le réseau du « mode par défaut » (DefaultMode Network [DMN]). Ce réseau, mis en évidence chezl’homme puis chez le singe, est formé de sous-régionsinterconnectées comme le lobe temporal médian et lecortex préfrontal médian. Typiquement, le DMN est actiflorsque l’activité cognitive de l’individu n’est pas dirigéevers le monde extérieur (réminiscences autobiographiques,introspection, prise de décisions, projection dans le futur,

REVUE DE NEUROPSNEUROSCIENCES COGNITI

etc.) [20]. En revanche, l’activité du DMN est réduitelorsque l’individu s’engage dans une tâche cognitive enlien avec l’environnement, par exemple lors d’activitésintellectuelles, physiques ou de loisirs. Or, comme l’activiténeuronale semble réguler la production et la sécrétiondu peptide amyloïde [21], il est possible d’envisager quela désactivation du DMN lors de ces tâches cognitives

e conditions standards d’élevage (B) chez la souris.

pourrait limiter l’accumulation du peptide amyloïde dansles régions cérébrales du DMN [19]. On peut supposer quel’effet serait d’autant plus robuste que l’activité cognitiverégulière débuterait tôt dans la vie de l’individu et avantl’apparition de la pathologie. Cette hypothèse est soutenuepar les résultats de Landau et al. [17] chez l’homme, etde Verret et al. [15] chez la souris modèle de la MA,qui suggèrent que les stimulations cognitives précocesralentiraient l’accumulation du peptide amyloïde et doncretarderaient l’apparition des troubles cognitifs de la MA.Toutefois, cette hypothèse, si elle est séduisante, n’expliquepas l’inadéquation entre une charge amyloïde importanteet de bonnes performances cognitives qu’ont observée uncertain nombre d’études.

Il est évident que de nombreux processus cérébrauxinterviennent dans la formation d’une réserve cogni-tive permettant de pallier l’atteinte neuropathologique.Parmi ceux-ci, la production de nouveaux neurones dansl’hippocampe adulte est une forme singulière de plas-ticité, qui reste difficile à étudier chez l’homme. Desdonnées récentes obtenues chez le rongeur montrent queles nouveaux neurones granulaires du gyrus denté sontimpliqués dans la formation de la mémoire à long terme,notamment lorsqu’elle dépend de l’hippocampe [22]. Laproduction, la survie et l’intégration des nouveaux neu-rones de l’hippocampe sont finement contrôlées. L’activitéphysique, cognitive et le séjour en milieu enrichi stimulentl’activité neurogénique de l’hippocampe chez la souris[23]. Nous avons montré que cette augmentation de laneurogenèse observée suite au séjour en milieu enrichi

YCHOLOGIEVES ET CLINIQUES

295

est indispensable à l’expression de l’effet pro-mnésique del’enrichissement [24].

S’inspirant du concept de réserve cérébrale présenté ci-dessus, Kemperman [25] a émis l’idée que la neurogenèseadulte, constituerait une forme de réserve neurale permet-tant d’assurer un bon fonctionnement de l’hippocampe aucours de la vie. La réserve neurogénique pouvant être éla-

Journal Identification = NRP Article Identification = 0285 Date: February 10, 2014 Time: 12:32 pm

2

Article de synthèse

borée par l’activité motrice et/ou mentale depuis l’enfance,contribuerait au maintien de la fonction hippocampique aucours du vieillissement et ce, malgré la pathologie [15]. Lesnouveaux neurones produits chez l’adulte présentent despropriétés plastiques exceptionnelles faisant d’eux un sub-strat de choix pour l’encodage de nouvelles informationsmnésiques [22]. Dans le contexte des maladies neurodégé-nératives, la réserve neurogénique représente un potentielde compensation du cerveau. Chez l’homme, l’existence deneurogenèse hippocampique a été démontrée [26, 27] etdes données obtenues sur des tissus post-mortem et qui res-tent à confirmer, semblent indiquer que ce processus seraitperturbé chez le patient atteint de MA [28, 29]. Nos tra-vaux et ceux d’autres équipes, ont contribué à montrer quela neurogenèse hippocampique adulte est également per-turbée chez les modèles murins transgéniques de la MA[12, 30]. De facon intéressante, des études récentes chezl’animal indiquent que ces perturbations surviennent trèsprécocement dans le décours de la maladie et précèdentl’expression d’autres marqueurs tels que les dépôts amy-loïdes et l’inflammation qui ont aussi un effet néfaste surla neurogenèse. En effet, les altérations de la neurogenèsesurviennent dès l’âge de deux mois chez les souris APPxPS1[31] et Tg2576 [32] par exemple, alors qu’à cet âge ces sou-ris ne présentent pas de plaques amyloïdes. On sait aussique certaines molécules clés dans la pathogenèse de la MAexercent également une influence régulatrice sur la neu-rogenèse adulte. C’est notamment le cas de l’apolipo-protéine E (ApoE), de la préséniline 1 (PS1) ou du peptideAICD (produit intracellulaire du clivage de l’APP, précur-

seur du peptide amyloïde). Ainsi, les recherches en courslaissent entrevoir un intérêt certain pour le développementde stratégies comportementales ou cognitives qui permet-traient de stimuler la neurogenèse hippocampique in vivo,de facon à favoriser la mise en place d’une réserve neu-rogénique dans le but de ralentir le déclin mnésique lié àla MA.

En conclusion, l’utilisation de souris modèles de la MAa permis d’identifier certains mécanismes neurobiologiquesparticipant à l’élaboration de la réserve cérébrale et cogni-tive du cerveau. S’ils semblent aujourd’hui multiples etdivers, ces processus agissent probablement de facon coor-donnée et complémentaire. Notons que l’amplitude del’effet pro-mnésique des stimulations environnementalessemble dépendre fortement du stade de la pathologie aumoment où elles sont débutées, soulignant, s’il en étaitbesoin, la nécessité de prendre en charge la MA dès lesstades les plus précoces.

Remerciements

Les auteurs remercient l’ANR MALZ (ANR-MALZ-2010),la Région Midi-Pyrénées (APRRTT 2010) et l’Agence régio-nale de santé d’Aquitaine pour leur soutien financier, etKevin Richetin (CRCA, UMR5169) pour les photos.

Liens d’intérêts

Les auteures déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt enrapport avec l’article.

Références

1. Stern Y, Gurland B, Tatemichi TK, et al. Influence of educa-tion and occupation on the incidence of Alzheimer’s disease. JAMA1994 ; 271 : 1004-10.2. Mortimer JA, Snowdon DA, Markesbery WR. Head circumference,education and risk of dementia: findings from the nun study. J Clin ExpNeuropsychol 2003 ; 25 : 671-9.3. Stern Y. Cognitive reserve. Neuropsychologia 2009 ; 47 : 2015-28.4. Katzman R, Terry R, DeTeresa R, et al. Clinical, pathological, andneurochemical changes in dementia: a subgroup with preserved mentalstatus and numerous neocortical plaques. Ann Neurol 1988 ; 23 : 138-44.5. Stern Y, Moeller JR, Anderson KE, et al. Different brain networksmediate task performance in normal aging and AD: defining compen-sation. Neurology 2000 ; 55 : 1291-7.6. Sztainberg Y, Chen A. An environmental enrichment model formice. Nat Protoc 2010 ; 5 : 1535-9.7. Frick KM, Fernandez SM. Enrichment enhances spatial memory andincreases synaptophysin levels in aged female mice. Neurobiol Aging2003 ; 24 : 615-26.8. Rampon C, Tang YP, Goodhouse J, et al. Enrichment induces struc-tural changes and recovery from non-spatial memory deficits in CA1

11. Wolf SA, Kronenberg G, Lehmann K, et al. Cognitive and physicalactivity differently modulate disease progression in the amyloid pre-cursor protein (APP)-23 model of Alzheimer’s disease. Biol Psychiatry2006 ; 60 : 1314-23.12. Rampon C, Verret L. Amyloidogenesis, neurogenesis, learning,and memory in Alzheimer’s disease: lessons from transgenic mousemodels. In: Derreumaux P, ed. Alzheimer’s disease: insights into lowmolecular weight and cytotoxic aggregates from in vitro and computerexperiments. London (UK): Imperial College Press, 2013 (p. 157-75).13. Arendash GW, Garcia MF, Costa DA, et al. Environmen-tal enrichment improves cognition in aged Alzheimer’s transgenicmice despite stable beta-amyloid deposition. Neuroreport 2004 ; 15 :1751-4.14. Herring A, Lewejohann L, Panzer AL, et al. Preventive andtherapeutic types of environmental enrichment counteract beta amy-loid pathology by different molecular mechanisms. Neurobiol Dis2011 ; 42 : 530-8.15. Verret L, Krezymon A, Halley H, et al. Transient enriched housingbefore amyloidosis onset sustains cognitive improvement in Tg2576mice. Neurobiol Aging 2013 ; 34 : 211-25.

REVUE DE NEUROPSNEUROSCIENCES COGNITI

96

NMDAR1-knockout mice. Nat Neurosci 2000 ; 3 : 238-44.9. Mirochnic S, Wolf S, Staufenbiel M, et al. Age effects on the regu-lation of adult hippocampal neurogenesis by physical activity andenvironmental enrichment in the APP23 mouse model of Alzheimerdisease. Hippocampus 2009 ; 19 : 1008-18.10. Hu YS, Xu P, Pigino G, et al. Complex environment expe-rience rescues impaired neurogenesis, enhances synaptic plasticity,and attenuates neuropathology in familial Alzheimer’s disease-linkedAPPswe/PS1DeltaE9 mice. FASEB J 2010 ; 24 : 1667-81.

YCHOLOGIEVES ET CLINIQUES

16. Lazarov O, Robinson J, Tang YP, et al. Environmental enrichmentreduces Abeta levels and amyloid deposition in transgenic mice. Cell2005 ; 120 : 701-13.17. Landau SM, Marks SM, Mormino EC, et al. Association of lifetimecognitive engagement and low beta-amyloid deposition. Arch Neurol2012 ; 69 : 623-9.18. Hsiao K, Chapman P, Nilsen S, et al. Correlative memory defi-cits, Abeta elevation, and amyloid plaques in transgenic mice. Science1996 ; 274 : 99-102.

Journal Identification = NRP Article Identification = 0285 Date: February 10, 2014 Time: 12:32 pm

19. Bero AW, Yan P, Roh JH, et al. Neuronal activity regulatesthe regional vulnerability to amyloid-beta deposition. Nat Neurosci2011 ; 14 : 750-6.20. Buckner RL, Andrews-Hanna JR, Schacter DL. The brain’s defaultnetwork: anatomy, function, and relevance to disease. Ann N Y AcadSci 2008 ; 1124 : 1-38.21. Cirrito JR, Yamada KA, Finn MB, et al. Synaptic activity regulatesinterstitial fluid amyloid-beta levels in vivo. Neuron 2005 ; 48 : 913-22.22. Deng W, Aimone JB, Gage FH. New neurons and new memo-ries: How does adult hippocampal neurogenesis affect learning andmemory? Nat Rev Neurosci 2010 ; 11 : 339-50.23. Kempermann G, Kuhn HG, Gage FH. More hippocampal neu-

REVUE DE NEUROPSNEUROSCIENCES COGNITI

rons in adult mice living in an enriched environment. Nature1997 ; 386 : 493-5.24. Bruel-Jungerman E, Laroche S, Rampon C. New neurons in thedentate gyrus are involved in the expression of enhanced long-term memory following environmental enrichment. Eur J Neurosci2005 ; 21 : 513-21.25. Kempermann G. The neurogenic reserve hypothesis: what isadult hippocampal neurogenesis good for? Trends Neurosci 2008 ; 31 :163-9.

Article de synthèse

26. Eriksson PS, Perfilieva E, Bjork-Eriksson T, et al. Neurogenesis inthe adult human hippocampus. Nat Med 1998 ; 4 : 1313-7.27. Spalding KL, Bergmann O, Alkass K, et al. Dynamics of hippocam-pal neurogenesis in adult humans. Cell 2013 ; 153 : 1219-27.28. Jin K, Peel AL, Mao XO, et al. Increased hippocampal neuroge-nesis in Alzheimer’s disease. Proc Natl Acad Sci U S A 2004 ; 101 :343-7.29. Boekhoorn K, Joels M, Lucassen PJ. Increased proliferationreflects glial and vascular-associated changes, but not neurogenesisin the presenile Alzheimer hippocampus. Neurobiol Dis 2006 ; 24 :1-14.30. Marlatt MW, Lucassen PJ, Neurogenesis PJ. Alzheimer’s disease:

YCHOLOGIEVES ET CLINIQUES

297

biology and pathophysiology in mice and men. Curr Alzheimer Res2010 ; 7 : 113-25.31. Demars M, Hu YS, Gadadhar A, et al. Impaired neurogenesis is anearly event in the etiology of familial Alzheimer’s disease in transgenicmice. J Neurosci Res 2010 ; 88 : 2103-17.32. Krezymon A, Richetin K, Halley H, et al. Modifications ofhippocampal circuits and early disruption of adult neurogenesisin the Tg2576 mouse model of Alzheimer’s disease. PLoS One2013 ; 8 : e76497.

248

249

Hypersynchronous network activity in the Tg2576 mouse model of Alzheimer’s disease

and its modulation by environmental enrichment

Abstract

Alzheimer’s disease (AD) is characterized by an accumulation of amyloid peptides and by a

progressive memory loss. These AD features can be modeled in transgenic mouse lines that

overexpress mutant forms of the amyloid precursor protein. Environmental cognitive stimulations

can delay memory decline in AD patients. Our team showed that an early environmental enrichment

(EE) durably improves memory performances in Tg2576 mice, a progressive model of AD.

Nevertheless, the neurobiological processes underlying the maintenance of memory performances in

these mice remain unknown. EE might prevent some pathological events that contribute to memory

deficits in Tg2576 mice. Among them, we focused on neuronal hypersynchrony. Indeed, AD patients

and related mouse models exhibit seizures and some antiepileptic treatments can improve their

memory performances. In this context, the two principal aims of this work were: 1) to evidence

neuronal hypersynchrony in Tg2576 mice and precise its onset relative to the onset of memory

deficits in this mouse line, 2) to determine if an environmental enrichment protocol that durably

improves memory performances in these mice is able to reduce neuronal hypersynchrony. To this

purpose, we assessed neuronal hypersynchrony at different ages in Tg2576 males as well as in

Tg2576 females housed in enriched or standard conditions. To this end, we measured seizure

susceptibility to a proconvulsant agent and the frequency of spontaneous interictal spikes on

electroencephalographic recordings (EEG). We also looked for a marker of chronic seizures: the

expression of neuropeptide Y in mossy fibers. In this thesis, we evidenced that neuronal

hypersynchrony appears as soon as 1.5 months of age in Tg2576 mice, before their first memory

deficits but that environmental enrichment does not influence it. We also observed that interictal

spikes preferentially occur during sleep, their rate rising to its maximum during paradoxical sleep.

Finally, Tg2576 mice present an overall increase in the power of EEG oscillations between 5 and 100

Hz, which is not affected by environmental enrichment. In conclusion, my thesis work showed that

neuronal hypersynchrony precedes memory decline in Tg2576 mice and that environmental

enrichment would rather promote the establishment of alternative cognitive strategies than

preventing some alterations of brain neuronal activity such as neuronal hypersynchrony.

250

BEZZINA Charlotte

Directeur de thèse : Dr. Lionel Dahan et Dr. Claire Rampon

Université Paul Sabatier, le 14 septembre 2015

L’hypersynchronie neuronale chez les souris Tg2576 modèles de la maladie d’Alzheimer et sa

modulation par l’enrichissement environnemental

ETAT DES LIEUX : Les souris Tg2576, modèles de la maladie d’Alzheimer (MA), développent avec l’âge

des troubles mnésiques, qui peuvent être réduits par l’exposition précoce à des conditions de vie

cognitivement stimulantes, dite enrichissement environnemental.

HYPOTHESE : L’effet pro-mnésique de l’enrichissement environnemental précoce provient-il d’une

réduction de l’hypersynchronie neuronale, cause potentielle des troubles mnésiques chez les souris

modèles de la MA ?

METHODES : Nous avons mis en évidence une hypersynchronie neuronale puis étudié l’effet de

l’enrichissement environnemental sur ce phénotype chez les souris Tg2576, en utilisant des

méthodes pharmacologiques, électro-encéphalographiques et immunohistochimiques.

RESULTATS – CONCLUSION : L’hypersynchronie neuronale apparait avant les premiers troubles

mnésiques chez les souris Tg2576 mais n’est pas influencée par l’enrichissement environnemental.

Mots clés : Maladie d’Alzheimer, hypersynchronie neuronale, épilepsie, hippocampe, souris,

environnement enrichi, électroencéphalographie

Discipline : Neurosciences

École doctorale : Biologie Santé et Biotechnologie (BSB)

Unité de recherche : Centre de Recherches sur la Cognition Animale,

UMR 5169, Bât IVR3, 118 route de Narbonne

F-31062 Toulouse cedex 09