Les effets de la stimulation électrique transcrânienne à courant direct appliquée au cortex somatosensoriel primaire sur la perception vibrotactile

La stimulation électrique transcrânienne à courant direct (tDCS) est une technique non invasive de neuromodulation qui modifie l’excitabilité corticale via deux grosses électrodes de surface. Les effets dépendent de la polarité du courant, anodique = augmentation de l’excitabilité corticale et cathodique = diminution. Chez l’humain, il n’existe pas de consensus sur des effets de la tDCS appliquée au cortex somatosensoriel primaire (S1) sur la perception somesthésique. Nous avons étudié la perception vibrotactile (20 Hz, amplitudes variées) sur le majeur avant, pendant et après la tDCS appliquée au S1 controlatéral (anodale, a; cathodale, c; sham, s). Notre hypothèse « shift-gain » a prédit une diminution des seuils de détection et de discrimination pour la tDCS-a (déplacement vers la gauche de la courbe stimulus-réponse et une augmentation de sa pente). On attendait les effets opposés avec la tDCS-c, soit une augmentation des seuils (déplacement à droite et diminution de la pente). Chez la majorité des participants, des diminutions des seuils ont été observées pendant et immédiatement suivant la tDCS-a (1 mA, 20 min) en comparaison à la stimulation sham. Les effets n’étaient plus présents 30 min plus tard. Une diminution du seuil de discrimination a également été observée pendant, mais non après la tDCS-c (aucun effet pour détection). Nos résultats supportent notre hypothèse, uniquement pour la tDCS-a. Une suite logique serait d’étudier si des séances répétées de tDCS-a mènent à des améliorations durables sur la perception tactile. Ceci serait bénéfique pour la réadaptation sensorielle (ex. suite à un accident vasculaire cérébral).

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Benign Epilepsy with Centro-temporal Spikes: Spike Triggered fMRI Shows Somato-sensory Cortex Activity

Summary:  Objective: We performed spike triggered functional MRI (fMRI) in a 12 year old girl with Benign Epilepsy with Centro-temporal Spikes (BECTS) and left-sided spikes. Our aim was to demonstrate the cerebral origin of her interictal spikes. Methods: EEG was recorded within the 3 Tesla MRI. Whole brain fMRI images were acquired, beginning 2–3 seconds after spikes. Baseline fMRI images were acquired when there were no spikes for 20 seconds. Image sets were compared with the Student's t-test. Results: Ten spike and 20 baseline brain volumes were analysed. Focal activiation was seen in the inferior left sensorimotor cortex near the face area. The anterior cingulate was more active during baseline than spikes. Conclusions: Left sided epileptiform activity in this patient with BECTS is associated with fMRI activation in the left face region of the somatosensory cortex, which would be consistent with the facial sensorimotor involvement in BECT seizures. The presence of BOLD signal change in other regions raises the possibility that the scalp recorded field of this patient with BECTs may reflect electrical change in more than one brain region.

Protein markers for Alzheimer disease in the frontal cortex and cerebellum

Objective: To compare proteins related to Alzheimer disease ( AD) in the frontal cortex and cerebellum of subjects with early-onset AD (EOAD) with or without presenilin 1 (PS1) mutations with sporadic late-onset AD ( LOAD) and nondemented control subjects. Methods: Immunohistochemistry, immunoblot analysis, and ELISA were used to detect and assess protein levels in brain. Results: In EOAD and to a lesser extent in LOAD, there was increased amyloid beta (Abeta) deposition (by immunohistochemistry), increased soluble Abeta (by immunoblot analysis), and specific increases in Abeta(40) and Abeta(42) ( by ELISA) in the frontal cortex and, in some cases, in the cerebellum. Surprisingly, immunoblot analysis revealed reduced levels of PS1 in many of the subjects with EOAD with or without PS1 mutations. In those PS1 mutation-bearing subjects with the highest Abeta, PS1 was barely, if at all, detectable. This decrease in PS1 was specific and not attributable solely to neuronal loss because amyloid precursor protein (APP) and the PS1-interacting protein beta-catenin levels were unchanged. Conclusions: This study shows that in the frontal cortex and cerebellum from Alzheimer disease patients harboring certain presenilin 1 mutations, high levels of amyloid beta are associated with low levels of presenilin 1. The study provides the premise for further investigation of mechanisms underlying the downregulation of presenilin 1, which may have considerable pathogenic and therapeutic relevance.

Cerebral cortex activation mapping upon electrical muscle stimulation by 32-channel time-domain functional near-infrared spectroscopy

The application of different EMS current thresholds on muscle activates not only the muscle but also peripheral sensory axons that send proprioceptive and pain signals to the cerebral cortex. A 32-channel time-domain fNIRS instrument was employed to map regional cortical activities under varied EMS current intensities applied on the right wrist extensor muscle. Eight healthy volunteers underwent four EMS at different current thresholds based on their individual maximal tolerated intensity (MTI), i.e., 10 % < 50 % < 100 % < over 100 % MTI. Time courses of the absolute oxygenated and deoxygenated hemoglobin concentrations primarily over the bilateral sensorimotor cortical (SMC) regions were extrapolated, and cortical activation maps were determined by general linear model using the NIRS-SPM software. The stimulation-induced wrist extension paradigm significantly increased activation of the contralateral SMC region according to the EMS intensities, while the ipsilateral SMC region showed no significant changes. This could be due in part to a nociceptive response to the higher EMS current intensities and result also from increased sensorimotor integration in these cortical regions.

Expression Profiles of Mitochondrial Genes in the Frontal Cortex and the Caudate Nucleus of Developing Humans and Mice Selectively Bred for High and Low Fear

A growing body of evidence suggests that mitochondrial function may be important in brain development and psychiatric disorders. However, detailed expression profiles of those genes in human brain development and fear-related behavior remain unclear. Using microarray data available from the public domain and the Gene Ontology analysis, we identified the genes and the functional categories associated with chronological age in the prefrontal cortex (PFC) and the caudate nucleus (CN) of psychiatrically normal humans ranging in age from birth to 50 years. Among those, we found that a substantial number of genes in the PFC (115) and the CN (117) are associated with the GO term: mitochondrion (FDR qv <0.05). A greater number of the genes in the PFC (91%) than the genes in the CN (62%) showed a linear increase in expression during postnatal development. Using quantitative PCR, we validated the developmental expression pattern of four genes including monoamine oxidase B (MAOB), NADH dehydrogenase flavoprotein (NDUFV1), mitochondrial uncoupling protein 5 (SLC25A14) and tubulin beta-3 chain (TUBB3). In mice, overall developmental expression pattern of MAOB, SLC25A14 and TUBB3 in the PFC were comparable to the pattern observed in humans (p<0.05). However, mice selectively bred for high fear did not exhibit normal developmental changes of MAOB and TUBB3. These findings suggest that the genes associated with mitochondrial function in the PFC play a significant role in brain development and fear-related behavior.

Expression pattern of the cannabinoid receptor genes in the frontal cortex of mood disorder patients and mice selectively bred for high and low fear

Although the endocannabinoid system (ECS) has been implicated in brain development and various psychiatric disorders, precise mechanisms of the ECS on mood and anxiety disorders remain unclear. Here, we have investigated developmental and disease-related expression pattern of the cannabinoid receptor 1 (CB1) and the cannabinoid receptor 2 (CB2) genes in the dorsolateral prefrontal cortex (PFC) of humans. Using mice selectively bred for high and low fear, we further investigated potential association between fear memory and the cannabinoid receptor expression in the brain. The CB1, not the CB2, mRNA levels in the PFC gradually decrease during postnatal development ranging in age from birth to 50 years (r 2 > 0.6 & adj. p < 0.05). The CB1 levels in the PFC of major depression patients were higher when compared to the age-matched controls (adj. p < 0.05). In mice, the CB1, not the CB2, levels in the PFC were positively correlated with freezing behavior in classical fear conditioning (p < 0.05). These results suggest that the CB1 in the PFC may play a significant role in regulating mood and anxiety symptoms. Our study demonstrates the advantage of utilizing data from postmortem brain tissue and a mouse model of fear to enhance our understanding of the role of the cannabinoid receptors in mood and anxiety disorders

Analysis of kinase gene expression in the frontal cortex of suicide victims: Implications of fear and stress

Suicide is a serious public health issue that results from an interaction between multiple risk factors including individual vulnerabilities to complex feelings of hopelessness, fear, and stress. Although kinase genes have been implicated in fear and stress, including the consolidation and extinction of fearful memories, expression profiles of those genes in the brain of suicide victims are less clear. Using gene expression microarray data from the Online Stanley Genomics Database 1 and a quantitative PCR, we investigated the expression profiles of multiple kinase genes including the calcium calmodulin-dependent kinase (CAMK), the cyclin-dependent kinase, the mitogen-activated protein kinase (MAPK), and the protein kinase C (PKC) in the prefrontal cortex (PFC) of mood disorder patients died with suicide (N = 45) and without suicide (N = 38). We also investigated the expression pattern of the same genes in the PFC of developing humans ranging in age from birth to 49 year (N = 46). The expression levels of CAMK2B, CDK5, MAPK9, and PRKCI were increased in the PFC of suicide victims as compared to non-suicide controls (false discovery rate, FDR-adjusted p < 0.05, fold change >1.1). Those genes also showed changes in expression pattern during the postnatal development (FDR-adjusted p < 0.05). These results suggest that multiple kinase genes undergo age-dependent changes in normal brains as well as pathological changes in suicide brains. These findings may provide an important link to protein kinases known to be important for the development of fear memory, stress associated neural plasticity, and up-regulation in the PFC of suicide victims. More research is needed to better understand the functional role of these kinase genes that may be associated with the pathophysiology of suicide

Integrating visual and tactile information in the perirhinal cortex

By virtue of its widespread afferent projections, perirhinal cortex is thought to bind polymodal information into abstract object-level representations. Consistent with this proposal, deficits in cross-modal integration have been reported after perirhinal lesions in nonhuman primates. It is therefore surprising that imaging studies of humans have not observed perirhinal activation during visual-tactile object matching. Critically, however, these studies did not differentiate between congruent and incongruent trials. This is important because successful integration can only occur when polymodal information indicates a single object (congruent) rather than different objects (incongruent). We scanned neurologically intact individuals using functional magnetic resonance imaging (fMRI) while they matched shapes. We found higher perirhinal activation bilaterally for cross-modal (visual-tactile) than unimodal (visual-visual or tactile-tactile) matching, but only when visual and tactile attributes were congruent. Our results demonstrate that the human perirhinal cortex is involved in cross-modal, visual-tactile, integration and, thus, indicate a functional homology between human and monkey perirhinal cortices.

Anterior temporal cortex and semantic memory : reconciling findings from neuropsychology and functional imaging

Studies of semantic impairment arising from brain disease suggest that the anterior temporal lobes are critical for semantic abilities in humans; yet activation of these regions is rarely reported in functional imaging studies of healthy controls performing semantic tasks. Here, we combined neuropsychological and PET functional imaging data to show that when healthy subjects identify concepts at a specific level, the regions activated correspond to the site of maximal atrophy in patients with relatively pure semantic impairment. The stimuli were color photographs of common animals or vehicles, and the task was category verification at specific (e.g., robin), intermediate (e.g., bird), or general (e.g., animal) levels. Specific, relative to general, categorization activated the antero-lateral temporal cortices bilaterally, despite matching of these experimental conditions for difficulty. Critically, in patients with atrophy in precisely these areas, the most pronounced deficit was in the retrieval of specific semantic information.