La substance noire et les structures dopaminergiques du mésencéphale

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Les domaines fonctionnels : matrice et striosomes

C’est sur la base de données neurochimiques que le striatum a été divisé en deux compartiments : les striosomes et la matrice. Ces compartiments furent déterminés par l’intensité du marquage histochimique pour l’acétylcholinestérase chez le chat et le primate (Graybiel & Ragsdale, 1978), ainsi que par la distribution hétérogène des récepteurs opioïdes µ chez les rongeurs (Herkenham & Pert, 1981) ( cf. figure 8). Cette compartimentation existe à la fois au niveau du striatum dorsal et ventral, à l’exception de la région shell du noyau accumbens (Voorn et al., 1989).
Les striosomes qui occupent environ 15% du striatum, sont riches en récepteurs opioïdes µ, en récepteurs de la neurotensine et en récepteurs AMPA. Ils sont entourés par une matrice abondante riche en acétylcholinestérase, somatostatine et calbindine. Cette architecture particulière donne au striatum une organisation modulaire qui est d’une certaine façon analogue à la structure en colonnes du cortex . Les neurones épineux respectent strictement les limites des compartiments striataux, en confinant leurs corps cellulaire et champ dendritique dans les striosomes ou dans la matrice. Les interneurones cholinergiques sont majoritairement localisés aux frontières des triosomes et de la matrice. Cette localisation préférentielle laisse supposer que ces interneurones permettent les interactions entre les projections striatales des deux compartiments (Aosaki et al., 1995; Kawaguchi et al., 1990). Il a été proposé que ces neurones puissent recevoir des afférences corticales, thalamiques et dopaminergiques (Wilson et al., 1990) et soient impliqués dans la plasticité striatale.

Le noyau accumbens

Le noyau accumbens (Acb) fait partie de la boucle striato-pallido-thalamo-corticale (Alexander & Crutcher, 1990), mais reçoit également de nombreuses informations en provenance de diverses structures limbiques, qui incluent l’amygdale, l’hippocampe et le cortex préfrontal. Les principales voies efférentesde l’Acb projettent sur diverses structures cérébrales, connues pour leur capacité à régulerexpressionl’ du comportement. Ainsi, il a été suggéré que l’Acb pourrait représenter une interfacentre système limbique et système moteur (Mogenson et al., 1980). D’un point de vue anatomique et neurochimique, l’Acb peut être sous-divisé en core (AcbC) et shell (AcbS) et le pattern de projection de ces deux noyaux diffère : l’AcbC ressemble au striatum dorsal et projette majoritairement sur le pallidum ventral, alors que l’AcbS projette en plus sur différents sites effecteurs comme l’hypothalamus et la substance grise périaqueducale. L’innervationdopaminergique de l’Acb joue un rôle critique dans les propriétés motivationnelles d’abus des drogues et des stimuli qui leur sont associés, et participe ainsi à l’addiction (Berridge & Robinson, 1998).

Le Globus Pallidus

Le globus pallidus (GP) est une structure triangulaire située entre le putamen et le bras postérieur de la capsule interne. Il est traversé arp de nombreuses fibres myélinisées, ce qui lui donne cette apparence caractéristique en coloration, à l’origine de son nom de « corps pâle ».
Le terme de noyau « lenticulaire ou lentiforme » est parfois utilisé pour désigner l’ensemble putamen-GP, en raison de sa forme de lentille sur des coupes de cerveau.
Le GP se divise en trois domaines fonctionnels : le globus pallidus interne (GPi), externe (GPe), et le pallidum ventral (PV, partie antérieure du GP, située sous la commissure antérieure). Les populations neuronales de ces domaines sont extrêmement similaires, GABAergiques, et non différenciables pour la plus grande part (Carpenter, 1981). Chez l’homme, le GPe représente 70% du volume total du GP (Thorner et al., 1975). Une représentation des deux principaux domaines fonctionnels du GP est donnée en figure 9. Chez les non-primates, le GPe et le GPi sont bien séparé et respectivement appelés pallidum et noyau entopédonculaire.

Le noyau subthalamique

Le noyau subthalamique est une structure biconvexe située entre la partie ventrale de la zona incerta et la partie dorsale des pédoncules cérébraux. Il fut découvert en 1865 par Jules Bernard Luys, et fut par la suite appelé corps de Luys par August Forel. Luys découvrit non seulement le noyau subthalamique (NST), mais fut également le premier à penser que cette structure était étroitement liée aux GB. Parmi les neurones des GB, ceux du NST sont les seuls à être excitateurs et à utiliser le glutamate comme neurotransmetteur.

La substance noire et les structures dopaminergiques du mésencéphale

La substance noire

La substance noire est le plus grand noyau mésencéphalique se situant dans le tegmentum ventral du mésencéphale. Elle se divise ne deux parties qui possèdent des connections et des neurotransmetteurs distincts : une partie ventrale à faible densité cellulaire, la substantia nigra pars reticulata (SNr), et une partie dorsale à haute densité cellulaire, la substantia nigra pars compacta (SNc).
La SNc est composée de grands neurones qui présentent, chez les primates, une pigmentation noire à l’origine du nom de la structu re (substance noire ou locus niger). Les neurones de la SNc sont dopaminergiques et projettent principalement sur le striatum. Leurs caractéristiques chimiques et morphologiques sont détaillées enII.2.5.2.
Les neurones de la SNr projettent surtout sur le thalamus (noyau antérieur, ventral latéral et médiodorsal), mais aussi sur des noyauxdu tronc cérébral (colliculus supérieur, noyau pédonculopontique), et sont GABAergiques. L’arbre dendritique de ces neurones est extrêmement étendu, et peut parfois couvrir 80 % dela longueur de la SNr et 70 % de sa largeur (Francois et al., 1987). L’orientation du champ dendritique d’un ne urone dépend de la position de celui-ci à l’intérieur de la structure. Les neurones de la partie dorsale de la SNr étendent leurs dendrites suivant les 3 axes alors que les neurones de la partie ventrale confinent leurs dendrites dans le plan ventral du noyau (cf. figure 10).

Les structures dopaminergiques du mésencéphale

Le système dopaminergique mésencéphalique est le plus grand système dopaminergique cérébral. L’organisation des neurones dopaminergiques chez les primates et les rongeurs est globalement similaire. Tout d’abord décrit chez le rat (Dahlstrom & Fuxe, 1964), puis chez les primates non-humains (Felten et al., 1974) et l’homme (Nobin & Bjorklund, 1973), le système dopaminergique mésencéphalique est composé de trois groupes cellulaires : l’aire rétrorubrale (ARR, groupe A8), la substance noire (quasi exclusivement la SNc, groupe A9) et l’aire tegmentale ventrale (ATV, groupe A10). Chez le rat, l’immunocytochimie de la tyrosine hydroxylase révèle environ 20 000 neurones mésencéphaliques dopaminergiques dans chaque hémisphère, dont 9 000 appartiennent à l’ATV (Björklund & Lindvall, 1984).
La division anatomique des cellules dopaminergiques en ensembles ventral et dorsal est supposée refléter des efférences et des caractéristiques morphologiques et chimiques différentes. Les neurones de l’ensemble dorsal possèdent des dendrites orientées selon un plan médiolatéral, et sont situés dans la région dorsalede la SNc, l’ATV et l’ARR. Une des caractéristiques majeures de ces neurones est leur forte immunoréactivité pour la calbindine D-28K (CALB1) (Haber et al., 1995). Les neurones de l’ensemble ventral sont organisés en deux sous-groupes (cf. figure 10) : i) une partie à forte densité cellulaire située dorsalement par rapport à la SNr ; ii) des colonnes de neurones dopaminergiques qui pénètrent profondément dans la SNr (Lewis & Sesack, 1997). Les neurones de la partie ventrale ne présentent pas de marquage CALB1 (Haberet al., 1995). Chez le rat, les neurones contenant la calbindine projettent spécifiquement sur la matrice striatale, alors qu’au contraire, les neurones calbindine-négatifs innervent préférentiellement les striosomes (Gerfen et al., 1987).
Une forte proportion de neurones dopaminergiques de la SNc médiane et de l’ATV contient de la cholecystokinine (CCK) et de la neurotensine (NT) (Kalivas, 1985). Bien que plus de 90% des neurones contenant de la NT contiennent également de la CCK, seuls 10 à 15% des neurones CCK-positifs contiennent de la NT. Les neurones dopaminergiques du mésencéphale qui contiennent l’une et/ou l’autre deces deux protéines sont connus pour projeter sur le noyau accumbens, le cortex préfrontal et l’amygdale (Kalivas, 1985).
Les neurones de la substance noire (SN) font partie des ganglions de la base et projettent sur le striatum. Ils sont impliqués dansla régulation des mouvements volontaires et des réflexes. Les neurones de l’aire tegmentale ventrale (ATV), situés juste à côté de la SN, donnent naissance aux fibres dopaminergiques ascendantes mésolimbiques et mésocorticales en projetant de manière diffuse sur plusieurs structures corticales et sous-corticales. Les neurones de l’ATV sont connus pour jouer un rôle da ns la mémoire, l’attention et la régulation des comportements addictifs ou émotifs.Une troisième population de neurones dopaminergiques mésencéphaliques se situe dans l’aire rétrorubrale (ARR) et projette vers le striatum dorsal et la formation réticulée ; cette opulation de neurones est impliquée dans les mouvements orofaciaux. Il existe par ailleurs des connections entre les neurones dopaminergiques de SN/ATV et ceux de l’ARR.

Les afférences des ganglions de la base

Le circuit fonctionnel des GB est classiquement considéré comme une boucle cortico-corticale passant par le striatum, le pallidum et la substance noire, puis le thalamus. Le striatum est la structure d’entrée des GB. Le GPi et la SNr constituent quant à eux les principales voies de sortie des GB. Le striatum reç oit les projections de la quasi-totalité des régions corticales aussi bien que sous-corticales. Parmi ces différentes afférences, les projections du cortex sont de loin les plus importantes et proviennent essentiellement du cortex ipsilatéral. En fonction de leur cible striatale, les projections proviennent de neurones situés dans les couches corticales supragranulaire ou infragranulaire (Gerfen, 1989). Ces projections corticales sont particulièrement intéressantes dans la mesure où elles semblent imposer au striatum un pattern d’organisation fonctionnelle conservé dans l’ensemble des GB (cf. figure 11).

Les projections cortico-striatales

Ces projections proviennent de l’ensemble du cortex (Gerfen & Wilson, 1996) et sont la principale source d’afférences du striatum (cf. figure 14).
Les fibres cortico-striées aboutissent principalement au niveau des épines dendritiques des neurones de projection du striatum dorsal et ventral (Dube et al., 1988; Kemp & Powell, 1971). Ces projections sont excitatrices et utilisent le glutamate comme neurotransmetteur (Christie et al., 1987; Divac et al., 1977; Fonnum et al., 1981; Kitai, 1981).
Les projections cortico-striatales gagnent le striatum selon un système de projection topographiquement organisé. Ce système fut tout d’abord mis en évidence chez le rat (Webster, 1961), puis confirmé à plusieurs reprises dans d’autres espèces (Donoghue & Herkenham, 1986; Donoghue & Kitai, 1981; Gerfen, 1984). Succinctement, le cortex sensorimoteur projette sur le striatum dorsolatéral, les cortex visuel et auditif sur les parties médiane et dorso-médiane du striatum, et les airesméso- et allocorticales sur le striatum ventromédian, le noyau accumbens et le striatum ventral (i.e.. les régions striatales des bulbes olfactifs) (McGeorge & Faull, 1989). L’organisation topographique des projections cortico-striatales respecte donc une régionalisation fonctionnelle. Différents modèles de fonctionnement des GB ont été proposés sur la basede cette organisation, sans qu’aucun ne soit néanmoins pleinement satisfaisant.

Les projections nigro-striatales

Des études antérieures ont décrit l’innervation catecholaminergique du télencéphale basal (Fallon & Moore, 1978; Moore, 1978). Ces études ont montré qu’alors que les projections noradrénergiques du tronc cérébral etudlocus coeruleus vers le télencéphale basal ne présentent pas une topographie évidente, les projections dopaminergiques sont au contraire topographiquement organisées.
GPL: globus pallidus latéral ; SNr: substance noireréticulée ; GPM: globus pallidus médian. Les flèches vertes indiquent les projections excitatrices glutamatergiques, tandis qu’en rose sont représentées les projections inhibitrices GABAergiques.
L’organisation générale de ces projections vers letélencéphale se dessine en trois voies majeures : la voie nigrostriatale irradiant des aires A8 et A9 ; la voie mésolimbique prenant son origine dans l’aire A10 ; et la voie mésocorticale venant d’A10 et probablement d’A9.
Fallon et Moore (1978), ont étudié en détail les ojectionspr des neurones dopaminergiques mésencéphaliques à l’aide de trois méthodes. Premièrement, la localisation des corps cellulaires des neurones dopaminergiques fut déterminée par une adaptation de la technique histochimique de Falck-Hillarp (Lindvall & Bjorklund, 1974). Deuxièmement, le pattern de projection global de ces cellules fut analysé grâce à une méthode de traçage radioactif par transport antérograde (Cowan et al., 1972), et troisièmement, la méthode du transport de la HRP (horseradish peroxidase) fut employée pour définir précisément la topographie de ces projections. La synthèse de ces résultats et de ceux obtenus dans des études antérieures (Fallon & Moore, 1978; Moore, 1978) permet d’établir une corrélation démontrant la topographie des projections des neurones mésencéphaliques dopaminergiques vers le cortex cérébral, le télencéphale basal et striatuml. Les projections nigrostriatales proviennent des groupes de cellules dopaminergiques A9, A10 et A8. L’organisation de ces projections a été étudiée chez le singe (Haber & Fudge, 1997). Cette étude a aboutit à trois conclusions majeures : i) le striatum sensori-moteur reçoit ses afférences dopaminergiques principales des colonnes cellulaires de la partie ventrale de la SNc ; ii) le striatum limbique est préférentiellement innervé par l’ATV et la partie dorsale de la SNc ; iii) le striatum associatif reçoit les afférences de neurones dopaminergiques situés majoritairement dans la région dense de la SNc ventrale (cf. figure 12). La situation est différente chez le rat où les neurones de la SNc dorsale projettent sur le striatum dorsal (Gerfen et al., 1987) (cf. figure 13).

Les projections thalamo-striatales

De la même façon que le cortex cérébral, le thalamus est une importante source d’afférences excitatrices pour le striatum (cf. figure 14). Ces projections sont presque exclusivement ipsilatérales et innervent la totalité du striatum, noyau accumbens inclus (Parent, 1986).
Les projections thalamiques vers le striatum sont majoritairement issues des noyaux intralaminaires (Cowan & Powell, 1956; Powell & Cowan, 1954), et plus particulièrement du complexe centromédian parafasciculaire (Deschenes et al., 1995). Ces projections sont topographiquement organisées : le noyau médiodorsalet le noyau parafasciculaire projettent majoritairement vers les territoires limbique et associatif du striatum, alors que les noyaux ventraux, centromédians et latéropostérieurs projettent sur le territoire sensorimoteur (Gimenez-Amaya et al., 1995; Nakano et al., 1990).

Autres afférences striatales

Le cortex, la substance noire et le thalamus sont à l’origine des trois principales voies afférentes du striatum. D’autres projections, quantitativement mineures, ont cependant été mises en évidence. Ainsi, l’amygdale envoie des afférences probablement excitatrices (Noda, 1968) topographiquement organisées. Cette structure appartenant au système limbique, il a été suggéré que ses projections vers le striatum étaienprincipalement dirigées vers le striatum limbique. Une étude chez le primate a montré que les efférences de l’amygdale étaient majoritairement dirigées sur la partieshell du noyau accumbens (Fudge et al., 2002).
La sérotonine est un neuromédiateur présent à des oncentrations relativement élevées dans le striatum, où elle est supposée exercer une action inhibitrice (Miller et al., 1975; Olpe & Koella, 1977). Les fibres sérotoninergiques prennent naissance dans le noyau dorsal du raphé (Szabo, 1970), et innervent le striatum, la ubstance noire et le globus pallidus (Halliday et al., 1995).

Les voies de sortie et les boucles des ganglions de la base

Le GPi et la SNr sont les principales structures de sortie des ganglions de la base. Ils envoient leurs projections vers le thalamus, le colliculus supérieur et les noyaux prémoteurs du tronc cérébral.
Il a été longtemps suggéré que le GPi était innervépar le striatum moteur alors que la SNr l’était par le striatum associatif. Cependant, un autre point de vue propose que chaque région striatale innerve à la fois le GPi et la SNr (Alexander & Crutcher, 1990; Alexander et al., 1990; Kawaguchi et al., 1990). La région ventrale du GPi, qui reçoit les informations sensorimotrices du striatum, projette sur le noyau ventrolatéral et le noyau centromédian, alors que les régions du GPi innervées par le striatum associatif et limbique, projettent sur le noyau antéroventral parvocellulaire et la partie rostrale du noyau parafasciculaire (Sidibe et al., 1997). Les différents noyaux thalamiques projettent en retour vers le cortex frontal, refermant ainsi la boucle (cf. figure 15).

Table des matières

OBJECTIFS DE LA THESE
INTRODUCTION
I Génomique fonctionnelle du cerveau
I.1 Les études par puces à ADN
I.1.1 Principe expérimental
I.1.2 Applications en neurobiologie
I.2 Les études par SAGE
I.2.1 Principe expérimental
I.2.2 Applications en neurobiologie
I.3 Les autres études
I.3.1 L’hybridation in situ
I.3.2 Le projet GENSAT
I.3.3 Le MPSS
I.3.4 Analyses de l’expression sur cellules isolées
I.3.5 La RT-PCR quantitative
II Choix de la méthode d’analyse : SAGE
II.1 La méthode originale
II.2 Les développements de la méthode
II.2.1 Adaptation à l’étude de petits échantillons
II.2.1.1 SADE, miniSAGE et microSAGE
II.2.1.2 SAGE-Lite et PCR-SAGE
II.2.1.3 Small amplified RNA-SAGE (SAR-SAGE)
II.2.2 Annotation des tags
II.2.2.1 LongSAGE
II.2.2.2 SuperSAGE
II.2.2.3 Generation of longer 3’ cDNA from SAGE tags for gene identification (GLGI)
II.2.3 Cap analysis of gene expression (CAGE)
II.2.4 Paired-end ditag
II.3 Avantages et limites
III Les ganglions de la base
III.1 Evolution historique du concept de ganglions de la base
III.2 Anatomie descriptive des ganglions de la base
III.2.1 Le striatum
III.2.1.1 Subdivisions anatomiques
III.2.1.2 Cytologie
III.2.1.2.1 Les neurones de projection : les neurones épineux.
III.2.1.2.2 Interneurones
III.2.1.3 Les domaines fonctionnels : matrice et striosomes
III.2.2 Le noyau accumbens
III.2.3 Le Globus Pallidus
III.2.4 Le noyau subthalamique
III.2.5 La substance noire et les structures dopaminergiques du mésencéphale
III.2.5.1 La substance noire
III.2.5.2 Les structures dopaminergiques du mésencéphale
III.3 Les afférences des ganglions de la base
III.3.1 Les projections cortico-striatales
III.3.2 Les projections nigro-striatales
III.3.3 Les projections thalamo-striatales
III.3.4 Autres afférences striatales
III.4 Les voies de sortie et les boucles des ganglions de la base
III.5 Les circuits internes des ganglions de la base : les voies directe et indirecte
III.5.1 Le modèle classique
III.5.2 La remise en cause du modèle classique
III.5.2.1 Structures d’entrée et de sortie
III.5.2.2 Voies directe et indirecte
IV La maladie de Huntington
IV.1 Caractéristiques cliniques
IV.2 Caractéristiques neurochimiques et neuropathologiques
IV.3 Génétique
IV.4 Epidémiologie
IV.5 Huntingtine et physiopathologie
IV.6 Modèles
IV.6.1 Modèles murins
IV.6.1.1 Changements comportementaux des souris R6
IV.6.1.2 Pathologie cérébrale dans les souris R6
IV.6.2 Modèles cellulaires – Modèle lentiviral
V La maladie de Parkinson
V.1 Caractéristiques cliniques
V.2 Caractéristiques neurochimiques et neuropathologiques
V.3 Etiologie
V.4 Génétique
V.5 Physiopathologie
V.5.1 Repliement et agrégation des protéines
V.5.2 Dysfonctionnement mitochondrial et stress oxydant
V.6 Les modèles animaux pharmacologiques
V.6.1 MPTP
V.6.1.1 Mécanismes d’action
V.6.1.2 Protocoles d’intoxication
V.6.2 6-OHDA
V.6.2.1 Mécanismes d’action
V.6.2.2 Mode d’administration
CHAPITRE I – CARACTERISATION D’UN NOUVEAU MARQUEUR DU STRIATUM CHEZ LA SOURIS : CAPUCINE
I Introduction
II Publication n°1 : « Capucin : A novel striatal marker down-regulated in rodent models of Huntington disease »
III Discussion
CHAPITRE II – ETUDE DES TRANSCRIPTOMES DE DIFFERENTES REGIONS CEREBRALES PAR ANALYSE EN SERIE DE L’EXPRESSION DES GENES
I Introduction
II Analyse des banques SADE et LongSADE
II.1 Analyse des séquences
II.2 Analyse des tags
II.2.1 Nombre de tags par concatémère
II.2.2 Tags correspondant aux adaptateurs
II.2.3 Ditags dupliqués
II.2.4 Tags attribués à des erreurs de séquence
II.3 Identification des tags
III Publication n°2 – “Quantitative gene expression profiling of mouse brain regions reveals differential transcripts conserved in man and affected in disease models”.
IV Résultats complémentaires
IV.1 Hybridation in situ non-isotopique de marqueurs régionaux sur le cerveau de souris
IV.2 Expression des marqueurs dans le modèle du « rat 6OHDA » de la maladie de Parkinson
IV.2.1 Evaluation de la dénervation dopaminergique induite par la 6-OHDA
IV.2.1.1 Analyse comportementale
IV.2.1.2 Contrôle histologique
IV.2.2 Effets de l’intoxication à la 6-OHDA sur l’expression des gènes dans la substance noire et le striatum
IV.2.2.1 Les transcrits mésencéphaliques
IV.2.2.2 Les transcrits striataux
V Discussion
V.1 Gènes différentiellement exprimés
V.2 Classification fonctionnelle des transcrits présentant un enrichissement régional
V.3 Conservation des patterns d’expression chez l’homme
V.4 Expression génique dans le modèle R6/2
V.5 Expression génique dans les modèles « MPTP » et « 6-OHDA »
V.5.1 Altération des transcrits striataux dans le modèle « MPTP »
V.5.2 Altération des transcrits striataux dans le modèle « 6-OHDA »
V.5.3 Altération des transcrits mésencéphaliques dans le modèle « 6-OHDA »
V.6 Gènes régulés dans plusieurs modèles
CHAPITRE III – INACTIVATION D’Agpat4 CHEZ LA SOURIS
I Introduction
I.1 Données bibliographiques sur les 1-acylglycérol-3-phosphate O-acyltransférases
I.2 La stratégie Gene Trap, ou « piégeage » de gènes.
II Resultats
II.1 Profils d’expression des gènes de la famille Agpat dans les régions cérébrales
II.2 Génération de souris transgéniques hétérozygotes Agpat4+/- par « piégeage » de gène
II.3 Expression d’Agpat4 au cours du développement embryonnaire
III Discussion
CONCLUSIONS & PERSPECTIVES
ANNEXES
I Dissection des régions cérébrales
II Génération de la banque LongSADE de substance noire
II.1 Purification des ARNm
II.2 Synthèse de l’ADNc et clivage par l’enzyme d’ancrage Sau3AI.
II.3 Quantification des ADNc synthétisés
II.4 Liaison des adaptateurs.
II.5 Clivage par l’enzyme d’étiquetage MmeI et formation des ditags
II.6 Amplification PCR.
II.7 Isolement et concaténation des ditags.
II.8 Purification et clonage des concatémères
II.9 Séquençage des concatémères.
III Hybridation in situ
III.1 Synthèse des ribosondes
III.2 Préparation des tissus et des sections
III.3 Hybridation
III.4 Lavages post-hybridation
III.5 Révélation du marquage
IV Extraction d’ARN à partir de régions isolées
IV.1 Préparation des solutions
IV.2 Protocole d’extraction
V RT-PCR quantitative
V.1 Principe
V.2 Protocole
VI Intoxication des rats à la 6-hydroxydopamine
VI.1 Tests comportementaux
VI.1.1 Test du cylindre
VI.1.2 Test de rotation à l’apomorphine
VI.2 Immunohistochimie de la tyrosine hydroxylase
VII Génération de souris Agpat4+/-

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