Commentary on "The Cognitive-Emotional Brain: From Interactions to Integration" by Luiz Pessoa - "On theory integration: Toward developing affective components within cognitive architectures"

In The Cognitive-Emotional Brain, Pessoa (2013) suggests that cognition and emotion should not be considered separately. We agree with this and argue that cognitive architectures can provide steady ground for this kind of theory integration and for investigating interactions among underlying cognitive processes. We briefly explore how affective components can be implemented and how neuroimaging measures can help validate models and influence theory development.

Serum anticholinergic activity and postoperative cognitive dysfunction in elderly parients

BACKGROUND: Cerebral cholinergic transmission plays a key role in cognitive function, and anticholinergic drugs administered during the perioperative phase are a hypothetical cause of postoperative cognitive dysfunction (POCD). We hypothesized that a perioperative increase in serum anticholinergic activity (SAA) is associated with POCD in elderly patients. METHODS: Seventy-nine patients aged >65 years undergoing elective major surgery under stan- dardized general anesthesia (thiopental, sevoflurane, fentanyl, and atracurium) were investi- gated. Cognitive functions were assessed preoperatively and 7 days postoperatively using the extended version of the CERAD-Neuropsychological Assessment Battery. POCD was defined as a postoperative decline >1 z-score in at least 2 test variables. SAA was measured preop- eratively and 7 days postoperatively at the time of cognitive testing. Hodges-Lehmann median differences and their 95% confidence intervals were calculated for between-group comparisons. RESULTS: Of the patients who completed the study, 46% developed POCD. Patients with POCD were slightly older and less educated than patients without POCD. There were no relevant differences between patients with and without POCD regarding gender, demographically cor- rected baseline cognitive functions, and duration of anesthesia. There were no large differences between patients with and without POCD regarding SAA preoperatively (pmol/mL, median [inter- quartile range]/median difference [95% CI], P; 1.14 [0.72, 2.37] vs 1.13 [0.68, 1.68]/0.12 [−0.31, 0.57], P = 0.56), SAA 7 days postoperatively (1.32 [0.68, 2.59] vs 0.97 [0.65, 1.83]/0.25 [−0.26, 0.81], P = 0.37), or changes in SAA (0.08 [−0.50, 0.70] vs −0.02 [−0.53, 0.41]/0.1 [−0.31, 0.52], P = 0.62). There was no significant relationship between changes in SAA and changes in cognitive function (Spearman rank correlation coefficient preoperatively of 0.03 [95% CI, −0.21, 0.26] and postoperatively of −0.002 [95% CI, −0.24, 0.23]). CONCLUSIONS: In this panel of patients with low baseline SAA and clinically insignificant periopera- tive anticholinergic burden, although a relationship cannot be excluded in some patients, our analysis suggests that POCD is probably not a substantial consequence of anticholinergic medications admin- istered perioperatively but rather due to other mechanisms.

A multi-contrast MRI study of microstructural brain damage in patients with mild cognitive impairment.

OBJECTIVES: The aim of this study was to investigate pathological mechanisms underlying brain tissue alterations in mild cognitive impairment (MCI) using multi-contrast 3 T magnetic resonance imaging (MRI). METHODS: Forty-two MCI patients and 77 healthy controls (HC) underwent T1/T2* relaxometry as well as Magnetization Transfer (MT) MRI. Between-groups comparisons in MRI metrics were performed using permutation-based tests. Using MRI data, a generalized linear model (GLM) was computed to predict clinical performance and a support-vector machine (SVM) classification was used to classify MCI and HC subjects. RESULTS: Multi-parametric MRI data showed microstructural brain alterations in MCI patients vs HC that might be interpreted as: (i) a broad loss of myelin/cellular proteins and tissue microstructure in the hippocampus (p ≤ 0.01) and global white matter (p < 0.05); and (ii) iron accumulation in the pallidus nucleus (p ≤ 0.05). MRI metrics accurately predicted memory and executive performances in patients (p ≤ 0.005). SVM classification reached an accuracy of 75% to separate MCI and HC, and performed best using both volumes and T1/T2*/MT metrics. CONCLUSION: Multi-contrast MRI appears to be a promising approach to infer pathophysiological mechanisms leading to brain tissue alterations in MCI. Likewise, parametric MRI data provide powerful correlates of cognitive deficits and improve automatic disease classification based on morphometric features.

Sox4 participates in the modulation of Schwann cell myelination.

In order to identify new regulators of Schwann cell myelination potentially playing a role in peripheral nervous system (PNS) pathologies, we analysed gene expression profiling data from three mouse models of demyelinating neuropathies and from the developing PNS. This analysis revealed that Sox4, which encodes a member of the Sry-related high-mobility group box protein family, was consistently upregulated in all three analysed models of neuropathy. Moreover, Sox4 showed a peak in its expression during development that corresponded with the onset of myelination. To gain further insights into the role of Sox4 in PNS development, we generated a transgenic mouse that specifically overexpresses Sox4 in Schwann cells. Sox4 overexpression led to a temporary delay in PNS myelination without affecting axonal sorting. Importantly, we observed that, whereas Sox4 mRNA could be efficiently overexpressed, Sox4 protein expression in Schwann cells was strictly regulated. Finally, our data showed that enforced expression of Sox4 in the mouse model for Charcot-Marie-Tooth 4C aggravated its neuropathic phenotype. Together, these observations reveal that Sox4 contributes to the regulation of Schwann cell myelination, and also indicates its involvement in the pathophysiology of peripheral neuropathies.

Dual and Opposite Effects of hRAD51 Chemical Modulation on HIV-1 Integration.

The cellular DNA repair hRAD51 protein has been shown to restrict HIV-1 integration both in vitro and in vivo. To investigate its regulatory functions, we performed a pharmacological analysis of the retroviral integration modulation by hRAD51. We found that, in vitro, chemical activation of hRAD51 stimulates its integration inhibitory properties, whereas inhibition of hRAD51 decreases the integration restriction, indicating that the modulation of HIV-1 integration depends on the hRAD51 recombinase activity. Cellular analyses demonstrated that cells exhibiting high hRAD51 levels prior to de novo infection are more resistant to integration. On the other hand, when hRAD51 was activated during integration, cells were more permissive. Altogether, these data establish the functional link between hRAD51 activity and HIV-1 integration. Our results highlight the multiple and opposite effects of the recombinase during integration and provide new insights into the cellular regulation of HIV-1 replication.

Structural Brain Connectivity in School-Age Preterm Infants Provides Evidence for Impaired Networks Relevant for Higher Order Cognitive Skills and Social Cognition.

Extreme prematurity and pregnancy conditions leading to intrauterine growth restriction (IUGR) affect thousands of newborns every year and increase their risk for poor higher order cognitive and social skills at school age. However, little is known about the brain structural basis of these disabilities. To compare the structural integrity of neural circuits between prematurely born controls and children born extreme preterm (EP) or with IUGR at school age, long-ranging and short-ranging connections were noninvasively mapped across cortical hemispheres by connection matrices derived from diffusion tensor tractography. Brain connectivity was modeled along fiber bundles connecting 83 brain regions by a weighted characterization of structural connectivity (SC). EP and IUGR subjects, when compared with controls, had decreased fractional anisotropy-weighted SC (FAw-SC) of cortico-basal ganglia-thalamo-cortical loop connections while cortico-cortical association connections showed both decreased and increased FAw-SC. FAw-SC strength of these connections was associated with poorer socio-cognitive performance in both EP and IUGR children.

Cognitive anatomy of the temporal lobe: Effect of personality in population with mild cognitive impairment & Functional specialization for memory systems in healthy individuals.

Résumé: L'impact de la maladie d'Alzheimer (MA) est dévastateur pour la vie quotidienne de la personne affectée, avec perte progressive de la mémoire et d'autres facultés cognitives jusqu'à la démence. Il n'existe toujours pas de traitement contre cette maladie et il y a aussi une grande incertitude sur le diagnostic des premiers stades de la MA. La signature anatomique de la MA, en particulier l'atrophie du lobe temporal moyen (LTM) mesurée avec la neuroimagerie, peut être utilisée comme un biomarqueur précoce, in vivo, des premiers stades de la MA. Toutefois, malgré le rôle évident du LMT dans les processus de la mémoire, nous savons que les modèles anatomiques prédictifs de la MA basés seulement sur des mesures d'atrophie du LTM n'expliquent pas tous les cas cliniques. Au cours de ma thèse, j'ai conduit trois projets pour comprendre l'anatomie et le fonctionnement du LMT dans (1) les processus de la maladie et dans (2) les processus de mémoire ainsi que (3) ceux de l'apprentissage. Je me suis intéressée à une population avec déficit cognitif léger (« Mild Cognitive Impairment », MCI), à risque pour la MA. Le but du premier projet était de tester l'hypothèse que des facteurs, autres que ceux cognitifs, tels que les traits de personnalité peuvent expliquer les différences interindividuelles dans le LTM. De plus, la diversité phénotypique des manifestations précliniques de la MA provient aussi d'une connaissance limitée des processus de mémoire et d'apprentissage dans le cerveau sain. L'objectif du deuxième projet porte sur l'investigation des sous-régions du LTM, et plus particulièrement de leur contribution dans différentes composantes de la mémoire de reconnaissance chez le sujet sain. Pour étudier cela, j'ai utilisé une nouvelle méthode multivariée ainsi que l'IRM à haute résolution pour tester la contribution de ces sous-régions dans les processus de familiarité (« ou Know ») et de remémoration (ou « Recollection »). Finalement, l'objectif du troisième projet était de tester la contribution du LTM en tant que système de mémoire dans l'apprentissage et l'interaction dynamique entre différents systèmes de mémoire durant l'apprentissage. Les résultats du premier projet montrent que, en plus du déficit cognitif observé dans une population avec MCI, les traits de personnalité peuvent expliquer les différences interindividuelles du LTM ; notamment avec une plus grande contribution du neuroticisme liée à une vulnérabilité au stress et à la dépression. Mon étude a permis d'identifier un pattern d'anormalité anatomique dans le LTM associé à la personnalité avec des mesures de volume et de diffusion moyenne du tissu. Ce pattern est caractérisé par une asymétrie droite-gauche du LTM et un gradient antéro-postérieur dans le LTM. J'ai interprété ce résultat par des propriétés tissulaires et neurochimiques différemment sensibles au stress. Les résultats de mon deuxième projet ont contribué au débat actuel sur la contribution des sous-régions du LTM dans les processus de familiarité et de remémoration. Utilisant une nouvelle méthode multivariée, les résultats supportent premièrement une dissociation des sous-régions associées aux différentes composantes de la mémoire. L'hippocampe est le plus associé à la mémoire de type remémoration et le cortex parahippocampique, à la mémoire de type familiarité. Deuxièmement, l'activation correspondant à la trace mnésique pour chaque type de mémoire est caractérisée par une distribution spatiale distincte. La représentation neuronale spécifique, « sparse-distributed», associée à la mémoire de remémoration dans l'hippocampe serait la meilleure manière d'encoder rapidement des souvenirs détaillés sans interférer les souvenirs précédemment stockés. Dans mon troisième projet, j'ai mis en place une tâche d'apprentissage en IRM fonctionnelle pour étudier les processus d'apprentissage d'associations probabilistes basé sur le feedback/récompense. Cette étude m'a permis de mettre en évidence le rôle du LTM dans l'apprentissage et l'interaction entre différents systèmes de mémoire comme la mémoire procédurale, perceptuelle ou d'amorçage et la mémoire de travail. Nous avons trouvé des activations dans le LTM correspondant à un processus de mémoire épisodique; les ganglions de la base (GB), à la mémoire procédurale et la récompense; le cortex occipito-temporal (OT), à la mémoire de représentation perceptive ou l'amorçage et le cortex préfrontal, à la mémoire de travail. Nous avons également observé que ces régions peuvent interagir; le type de relation entre le LTM et les GB a été interprété comme une compétition, ce qui a déjà été reporté dans des études récentes. De plus, avec un modèle dynamique causal, j'ai démontré l'existence d'une connectivité effective entre des régions. Elle se caractérise par une influence causale de type « top-down » venant de régions corticales associées avec des processus de plus haut niveau venant du cortex préfrontal sur des régions corticales plus primaires comme le OT cortex. Cette influence diminue au cours du de l'apprentissage; cela pourrait correspondre à un mécanisme de diminution de l'erreur de prédiction. Mon interprétation est que cela est à l'origine de la connaissance sémantique. J'ai également montré que les choix du sujet et l'activation cérébrale associée sont influencés par les traits de personnalité et des états affectifs négatifs. Les résultats de cette thèse m'ont amenée à proposer (1) un modèle expliquant les mécanismes possibles liés à l'influence de la personnalité sur le LTM dans une population avec MCI, (2) une dissociation des sous-régions du LTM dans différents types de mémoire et une représentation neuronale spécifique à ces régions. Cela pourrait être une piste pour résoudre les débats actuels sur la mémoire de reconnaissance. Finalement, (3) le LTM est aussi un système de mémoire impliqué dans l'apprentissage et qui peut interagir avec les GB par une compétition. Nous avons aussi mis en évidence une interaction dynamique de type « top -down » et « bottom-up » entre le cortex préfrontal et le cortex OT. En conclusion, les résultats peuvent donner des indices afin de mieux comprendre certains dysfonctionnements de la mémoire liés à l'âge et la maladie d'Alzheimer ainsi qu'à améliorer le développement de traitement. Abstract: The impact of Alzheimer's disease is devastating for the daily life of the affected patients, with progressive loss of memory and other cognitive skills until dementia. We still lack disease modifying treatment and there is also a great amount of uncertainty regarding the accuracy of diagnostic classification in the early stages of AD. The anatomical signature of AD, in particular the medial temporal lobe (MTL) atrophy measured with neuroimaging, can be used as an early in vivo biomarker in early stages of AD. However, despite the evident role of MTL in memory, we know that the derived predictive anatomical model based only on measures of brain atrophy in MTL does not explain all clinical cases. Throughout my thesis, I have conducted three projects to understand the anatomy and the functioning of MTL on (1) disease's progression, (2) memory process and (3) learning process. I was interested in a population with mild cognitive impairment (MCI), at risk for AD. The objective of the first project was to test the hypothesis that factors, other than the cognitive ones, such as the personality traits, can explain inter-individual differences in the MTL. Moreover, the phenotypic diversity in the manifestations of preclinical AD arises also from the limited knowledge of memory and learning processes in healthy brain. The objective of the second project concerns the investigation of sub-regions of the MTL, and more particularly their contributions in the different components of recognition memory in healthy subjects. To study that, I have used a new multivariate method as well as MRI at high resolution to test the contribution of those sub-regions in the processes of familiarity and recollection. Finally, the objective of the third project was to test the contribution of the MTL as a memory system in learning and the dynamic interaction between memory systems during learning. The results of the first project show that, beyond cognitive state of impairment observed in the population with MCI, the personality traits can explain the inter-individual differences in the MTL; notably with a higher contribution of neuroticism linked to proneness to stress and depression. My study has allowed identifying a pattern of anatomical abnormality in the MTL related to personality with measures of volume and mean diffusion of the tissue. That pattern is characterized by right-left asymmetry in MTL and an anterior to posterior gradient within MTL. I have interpreted that result by tissue and neurochemical properties differently sensitive to stress. Results of my second project have contributed to the actual debate on the contribution of MTL sub-regions in the processes of familiarity and recollection. Using a new multivariate method, the results support firstly a dissociation of the subregions associated with different memory components. The hippocampus was mostly associated with recollection and the surrounding parahippocampal cortex, with familiarity type of memory. Secondly, the activation corresponding to the mensic trace for each type of memory is characterized by a distinct spatial distribution. The specific neuronal representation, "sparse-distributed", associated with recollection in the hippocampus would be the best way to rapidly encode detailed memories without overwriting previously stored memories. In the third project, I have created a learning task with functional MRI to sudy the processes of learning of probabilistic associations based on feedback/reward. That study allowed me to highlight the role of the MTL in learning and the interaction between different memory systems such as the procedural memory, the perceptual memory or priming and the working memory. We have found activations in the MTL corresponding to a process of episodic memory; the basal ganglia (BG), to a procedural memory and reward; the occipito-temporal (OT) cortex, to a perceptive memory or priming and the prefrontal cortex, to working memory. We have also observed that those regions can interact; the relation type between the MTL and the BG has been interpreted as a competition. In addition, with a dynamic causal model, I have demonstrated a "top-down" influence from cortical regions associated with high level cortical area such as the prefrontal cortex on lower level cortical regions such as the OT cortex. That influence decreases during learning; that could correspond to a mechanism linked to a diminution of prediction error. My interpretation is that this is at the origin of the semantic knowledge. I have also shown that the subject's choice and the associated brain activation are influenced by personality traits and negative affects. Overall results of this thesis have brought me to propose (1) a model explaining the possible mechanism linked to the influence of personality on the MTL in a population with MCI, (2) a dissociation of MTL sub-regions in different memory types and a neuronal representation specific to each region. This could be a cue to resolve the actual debates on recognition memory. Finally, (3) the MTL is also a system involved in learning and that can interact with the BG by a competition. We have also shown a dynamic interaction of « top -down » and « bottom-up » types between the pre-frontal cortex and the OT cortex. In conclusion, the results could give cues to better understand some memory dysfunctions in aging and Alzheimer's disease and to improve development of treatment.

Modulation de la douleur neuropathique par l'utilisation d'un vecteur viral adéno-associé recombinant et ARN interférent

Une lésion nerveuse périphérique est susceptible d'engendrer une douleur neuropathique caractérisée par des changements d'expression génique dans les neurones nociceptifs des ganglions spinaux. Parmi ces modifications, on note une augmentation transcriptionnelle du gène codant pour la guanosine triphosphate cyclohydrolase 1 (GCH1) considérée comme modulateur clé des douleurs neuropathiques périphériques1. La surexpression de la GCH1 induit alors une hausse de la concentration de la tétrahydrobiopterin (BH4), un cofacteur essentiel pour la production de catécholamines, de sérotonine et d'oxide nitrique dans les ganglions spinaux. La surexpression de ce cofacteur induit la production de ces neurotransmetteurs et contribue à l'augmentation de la sensibilité douloureuse. Dans ce travail, j'ai modulé l'expression de GCH1 par l'utilisation d'un vecteur viral adéno-associé. Tout d'abord, j'ai testé in vitro dans des cellules PC12 différentes molécules d'ARN interfèrent permettant la régulation négative de GCH1. Les cellules PC 12 contiennent constitutionnellement la GCH1 et sont donc intéressantes afin de tester et sélectionner un plasmide permettant une régulation négative efficace de cette molécule in vitro. Cela m'a permis de choisir après sélection de cellules par FACS et quantification protéique par Western blot les meilleurs sh-ARN à utiliser tant pour la régulation négative de GCH1 que pour le vecteur contrôle. J'ai ensuite co- transfecté ces plasmides avec le plasmide pDF6 dans des cellules HEK293T pour la production de mon vecteur viral (rAAV2/6) permettant la régulation négative de la GCH1 ainsi que de mon vecteur contrôle. Après avoir étudié deux voies d'injection chez le rat (dans le nerf sciatique et en intrathécal), j'ai retenu la voie intrathécale comme ayant le meilleur taux de transduction de mon vecteur viral au niveau des ganglions spinaux. Utiliser cette voie d'injection pour mon vecteur permet de cibler plus particulièrement les neurones nociceptifs des ganglions spinaux. J'ai ensuite étudié la modulation de la GCH1 et sa répercussion sur le développement et le maintien des douleurs neuropathiques dans le modèle animal « spared nerve injury » (SNI). Je n'ai pas obtenu de diminution de douleur ni au niveau comportemental ni au niveau moléculaire chez le rat. Ayant répété l'expérience chez la souris, j'ai obtenu une diminution significative de l'expression de la GCH1 au niveau de l'ARN messager. Je n'ai pas étudié l'efficacité de mon vecteur in vivo chez la souris car un autre groupe m'a devancé dans cette expérience et a publié une étude similaire montrant une régulation négative et efficace de la GCH1 sur les symptômes de douleur neuropathique. Mes résultats, associés à cette publication, démontrent la validité de mon hypothèse de départ et ouvrent de nouvelles perspectives thérapeutiques en prenant comme cible la production de BH4.