Resting-State Functional Connectivity Emerges from Structurally and Dynamically Shaped Slow Linear Fluctuations.

Brain fluctuations at rest are not random but are structured in spatial patterns of correlated activity across different brain areas. The question of how resting-state functional connectivity (FC) emerges from the brain's anatomical connections has motivated several experimental and computational studies to understand structure-function relationships. However, the mechanistic origin of resting state is obscured by large-scale models' complexity, and a close structure-function relation is still an open problem. Thus, a realistic but simple enough description of relevant brain dynamics is needed. Here, we derived a dynamic mean field model that consistently summarizes the realistic dynamics of a detailed spiking and conductance-based synaptic large-scale network, in which connectivity is constrained by diffusion imaging data from human subjects. The dynamic mean field approximates the ensemble dynamics, whose temporal evolution is dominated by the longest time scale of the system. With this reduction, we demonstrated that FC emerges as structured linear fluctuations around a stable low firing activity state close to destabilization. Moreover, the model can be further and crucially simplified into a set of motion equations for statistical moments, providing a direct analytical link between anatomical structure, neural network dynamics, and FC. Our study suggests that FC arises from noise propagation and dynamical slowing down of fluctuations in an anatomically constrained dynamical system. Altogether, the reduction from spiking models to statistical moments presented here provides a new framework to explicitly understand the building up of FC through neuronal dynamics underpinned by anatomical connections and to drive hypotheses in task-evoked studies and for clinical applications.

Parkinson's disease.

In advanced Parkinson's disease (PD), the emergence of symptoms refractory to conventional therapy poses therapeutic challenges. The success of deep brain stimulation (DBS) and advances in the understanding of the pathophysiology of PD have raised interest in noninvasive brain stimulation as an alternative therapeutic tool. The rationale for its use draws from the concept that reversing abnormalities in brain activity and physiology thought to cause the clinical deficits may restore normal functioning. Currently the best evidence in support of this concept comes from DBS, which improves motor deficits, and modulates brain activity and motor cortex physiology, although whether a causal interaction exists remains largely undetermined. Most trials of noninvasive brain stimulation in PD have applied repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS), targeting the motor cortex. Current studies suggest a possible therapeutic potential for rTMS and transcranial direct current stimulation (tDCS), but clinical effects so far have been small and negligible with regard to functional independence and quality of life. Approaches to potentiate the efficacy of rTMS include increasing stimulation intensity and novel stimulation parameters that derive their rationale from studies on brain physiology. These novel parameters are intended to simulate normal firing patterns or to act on the hypothesized role of oscillatory activity in the motor cortex and basal ganglia with regard to motor control and its contribution to the pathogenesis of motor disorders. Noninvasive brain stimulation studies will enhance our understanding of PD pathophysiology and might provide further evidence for potential therapeutic applications.

Auditory cues support place navigation in rats when associated with a visual cue.

Rats, like other crepuscular animals, have excellent auditory capacities and they discriminate well between different sounds [Heffner HE, Heffner RS, Hearing in two cricetid rodents: wood rats (Neotoma floridana) and grasshopper mouse (Onychomys leucogaster). J Comp Psychol 1985;99(3):275-88]. However, most experimental literature concerning spatial orientation almost exclusively emphasizes the use of visual landmarks [Cressant A, Muller RU, Poucet B. Failure of centrally placed objects to control the firing fields of hippocampal place cells. J Neurosci 1997;17(7):2531-42; and Goodridge JP, Taube JS. Preferential use of the landmark navigational system by head direction cells in rats. Behav Neurosci 1995;109(1):49-61]. To address the important issue of whether rats are able to achieve a place navigation task relative to auditory beacons, we designed a place learning task in the water maze. We controlled cue availability by conducting the experiment in total darkness. Three auditory cues did not allow place navigation whereas three visual cues in the same positions did support place navigation. One auditory beacon directly associated with the goal location did not support taxon navigation (a beacon strategy allowing the animal to find the goal just by swimming toward the cue). Replacing the auditory beacons by one single visual beacon did support taxon navigation. A multimodal configuration of two auditory cues and one visual cue allowed correct place navigation. The deletion of the two auditory or of the one visual cue did disrupt the spatial performance. Thus rats can combine information from different sensory modalities to achieve a place navigation task. In particular, auditory cues support place navigation when associated with a visual one.

GLUT2 in pancreatic and extra-pancreatic gluco-detection (review).

Detection of variations in blood glucose concentrations by pancreatic beta-cells and a subsequent appropriate secretion of insulin are key events in the control of glucose homeostasis. Because a decreased capability to sense glycemic changes is a hallmark of type 2 diabetes, the glucose signalling pathway leading to insulin secretion in pancreatic beta-cells has been extensively studied. This signalling mechanism depends on glucose metabolism and requires the presence of specific molecules such as GLUT2, glucokinase and the K(ATP) channel subunits Kir6.2 and SUR1. Other cells are also able to sense variations in glycemia or in local glucose concentrations and to modulate different physiological functions participating in the general control of glucose and energy homeostasis. These include cells forming the hepatoportal vein glucose sensor, which controls glucose storage in the liver, counterregulation, food intake and glucose utilization by peripheral tissues and neurons in the hypothalamus and brainstem whose firing rates are modulated by local variations in glucose concentrations or, when not protected by a blood-brain barrier, directly by changes in blood glucose levels. These glucose-sensing neurons are involved in the control of insulin and glucagon secretion, food intake and energy expenditure. Here, recent physiological studies performed with GLUT2-/- mice will be described, which indicate that this transporter is essential for glucose sensing by pancreatic beta-cells, by the hepatoportal sensor and by sensors, probably located centrally, which control activity of the autonomic nervous system and stimulate glucagon secretion. These studies may pave the way to a fine dissection of the molecular and cellular components of extra-pancreatic glucose sensors involved in the control of glucose and energy homeostasis.

Specific inhibition of HCN channels slows rhythm differently in atria, ventricle and outflow tract and stabilizes conduction in the anoxic-reoxygenated embryonic heart model.

The hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) channels are expressed in pacemaker cells very early during cardiogenesis. This work aimed at determining to what extent these channels are implicated in the electromechanical disturbances induced by a transient oxygen lack which may occur in utero. Spontaneously beating hearts or isolated ventricles and outflow tracts dissected from 4-day-old chick embryos were exposed to a selective inhibitor of HCN channels (ivabradine 0.1-10microM) to establish a dose-response relationship. The effects of ivabradine on electrocardiogram, excitation-contraction coupling and contractility of hearts submitted to anoxia (30min) and reoxygenation (60min) were also determined. The distribution of the predominant channel isoform, HCN4, was established in atria, ventricle and outflow tract by immunoblotting. Intrinsic beating rate of atria, ventricle and outflow tract was 164+/-22 (n=10), 78+/-24 (n=8) and 40+/-12bpm (n=23, mean+/-SD), respectively. In the whole heart, ivabradine (0.3microM) slowed the firing rate of atria by 16% and stabilized PR interval. These effects persisted throughout anoxia-reoxygenation, whereas the variations of QT duration, excitation-contraction coupling and contractility, as well as the types and duration of arrhythmias were not altered. Ivabradine (10microM) reduced the intrinsic rate of atria and isolated ventricle by 27% and 52%, respectively, whereas it abolished activity of the isolated outflow tract. Protein expression of HCN4 channels was higher in atria and ventricle than in the outflow tract. Thus, HCN channels are specifically distributed and control finely atrial, ventricular and outflow tract pacemakers as well as conduction in the embryonic heart under normoxia and throughout anoxia-reoxygenation.

Surface modification of biomaterials for conjugation with human fetal osteoblasts.

Surface functionalization of hydroxyapatite (HA) and beta-tricalcium phosphate (TCP) bioceramics with chemical ligands containing a pyrrogallol moiety was developed to improve the adhesion of bone cell precursors to the biomaterials. Fast and biocompatible copper-free click reaction with azido-modified human fetal osteoblasts resulted in improved cell binding to both HA and TCP bioceramics, opening the way for using this methodology in the preparation of cell-engineered bone implants.

ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.

Early Iron Age Pottery: A Quantitative Approach. Proceedings of the International Round Table organized by the Swiss School of Archaeology in Greece (Athens, Novembre 28-30, 2008).

Quantitative approaches in ceramology are gaining ground in excavation reports, archaeological publications and thematic studies. Hence, a wide variety of methods are being used depending on the researchers' theoretical premise, the type of material which is examined, the context of discovery and the questions that are addressed. The round table that took place in Athens on November 2008 was intended to offer the participants the opportunity to present a selection of case studies on the basis of which methodological approaches were discussed. The aim was to define a set of guidelines for quantification that would prove to be of use to all researchers. Contents: 1) Introduction (Samuel Verdan); 2) Isthmia and beyond. How can quantification help the analysis of EIA sanctuary deposits? (Catherine Morgan); 3) Approaching aspects of cult practice and ethnicity in Early Iron Age Ephesos using quantitative analysis of a Protogeometric deposit from the Artemision (Michael Kerschner); 4) Development of a ceramic cultic assemblage: Analyzing pottery from Late Helladic IIIC through Late Geometric Kalapodi (Ivonne Kaiser, Laura-Concetta Rizzotto, Sara Strack); 5) 'Erfahrungsbericht' of application of different quantitative methods at Kalapodi (Sara Strack); 6) The Early Iron Age sanctuary at Olympia: counting sherds from the Pelopion excavations (1987-1996) (Birgitta Eder); 7) L'aire du pilier des Rhodiens à Delphes: Essai de quantification du mobilier (Jean-Marc Luce); 8) A new approach in ceramic statistical analyses: Pit 13 on Xeropolis at Lefkandi (David A. Mitchell, Irene S. Lemos); 9) Households and workshops at Early Iron Age Oropos: A quantitative approach of the fine, wheel-made pottery (Vicky Vlachou); 10) Counting sherds at Sindos: Pottery consumption and construction of identities in the Iron Age (Stefanos Gimatzidis); 11) Analyse quantitative du mobilier céramique des fouilles de Xombourgo à Ténos et le cas des supports de caisson (Jean-Sébastien Gros); 12) Defining a typology of pottery from Gortyn: The material from a pottery workshop pit, (Emanuela Santaniello); 13) Quantification of ceramics from Early Iron Age tombs (Antonis Kotsonas); 14) Quantitative analysis of the pottery from the Early Iron Age necropolis of Tsikalario on Naxos (Xenia Charalambidou); 15) Finding the Early Iron Age in field survey: Two case studies from Boeotia and Magnesia (Vladimir Stissi); 16) Pottery quantification: Some guidelines (Samuel Verdan).

Neurophysiologic and proteomic investigations of experience-dependent plasticity in the somatosensory cortex of the adult mouse following chronic whisker stimulation

RESUME Les follicules des vibrisses des rongeurs sont représentés sous la forme d'une carte topographique dans le cortex à tonneaux. Lorsque un groupe de vibrisses est coupé pendant plusieurs jours chez un rongeur adulte, en laissant les autres vibrisses intactes, le champ réceptif des neurones du cortex à tonneaux est modifié, ce qui démontre que les cartes corticales sont plastiques. Dans notre étude, une expérience sensorielle a été induite chez une souris adulte se comportant librement en stimulant chroniquement une de ses vibrisses pendant 24h. Par une analyse des potentiels de champ locaux, nous démontrons que les caractéristiques spatiotemporelles du flux d'excitation évoqué par la vibrisse principale (VP) dans la colonne corticale correspondante à la vibrisse stimulée n'est pas altéré. Par contre, l'enregistrement des potentiels d'actions d'un total de 1041 neurones à travers le cortex à tonneaux révèlent plusieurs modifications de l'activité neuronale. L'activité spontanée ainsi que la réponse évoquée par la VP sont déprimées dans la colonne corticale stimulée (nombre moyen de potentiels d'action évoqués par la VP diminue de 25 % et 36% dans la couche IV et les couches II&III). La réponse des neurones à la vibrisse stimulée diminue également dans les colonnes corticales adjacentes, «non-stimulées». La dépression de l'activité spontanée et de la réponse à la VP est localisée à la colonne corticale stimulée. Dans le tonneau stimulé, la première partie de la réponse à la VP n'est pas affaiblie, démontrant que la dépression de la réponse n'est pas due à un phénomène de plasticité sous-corticale ou thalamocorticale. La stimulation chronique d'une vibrisse entraîne une augmentation du nombre de synapses GABAergiques dans la couche IV du tonneau correspondant (Knott et al, 2002). Dès lors, nos résultats suggèrent qu'une augmentation de l'inhibition dans le tonneau stimulé serait à l'origine de la diminution des potentiels d'action évoqués par la vibrisse stimulée et en conséquence de l'amplitude du flux d'excitation vers les couches II&III puis vers les colonnes corticales adjacentes. Toutes les réponses des neurones du tonneau stimulé ne sont pas déprimées. Les réponses des neurones à la vibrisse voisine caudale à VP diminuent dans la couche IV (42%) et dans les couches II&III (52%) mais pas les réponses aux 7 autres vibrisses voisines. Les entrées synaptiques en provenance de la vibrisse caudale pourraient avoir été spécifiquement déprimées en raison d'une décorrélation prolongée entre l'activité évoquée dans les chemins sensoriels relatifs à la vibrisse stimulée et à la vibrisse caudale, spécificité qui découlerait du fait que, parmi les vibrisses voisines à la VP, la vibrisse caudale génère les réponses les plus fortes dans la colonne corticale. Quatre jours après l'arrêt de la stimulation, l'activité neuronale n'est plus déprimée; au contraire, nous observons une potentiation des réponses à la VP dans la couche IV de la colonne corticale stimulée. De plus, nous montrons que l'expression des protéines GLT-1 et GLAST, deux transporteurs astrocytaires du glutamate, est augmentée de ~2.5 fois dans la colonne corticale stimulée, indiquant l'existence d'une «plasticité gliale» et suggérant que les cellules gliales participent activement à l'adaptation du cerveau à l'expérience. ABSTRACT In the barrel cortex, mystacial whisker follicles are represented in the form of a topographie map. The selective removal of a set of whiskers while sparing others for several days in an adult rodent alters receptive field of barrel cortex neurons, demonstrating experience-dependent plasticity of cortical maps. Here sensory experience was altered by chronic stimulation of a whisker for a 24h period in a freely behaving adult mouse. By means of an evoked local field potential analysis, we show that chronic stimulation does not alter the flow of excitation evoked by the principal whisker (PW) in the stimulated barrel column. However, the recording of neuronal firing from a total of 1041 single units throughout the barrel cortex reveals several changes in neuronal activity. Immediately after chronic stimulation, spontaneous activity as well as PW-responses are depressed in the stimulated barrel column (mean number of spikes per PW-deflection decreases by 25% and 36% in layer IV and layers II&III, respectively). Neuronal responses towards the chronically stimulated whisker are also significantly depressed in layers II&III of the adjacent "non-stimulated" barrel' columns. The depression of both spontaneous activity and PW-responses are restricted to the stimulated ban-el column. The earliest time epoch of the PW-response in the stimulated barrel is not depressed, demonstrating that the decrease of cortical responses is not due to subcortical or thalamocortical plasticity. The depression of PW-response in the stimulated barrel correlates with an increase in the number of GABAergic synapses in layer IV (Knott et al., 2002). Therefore, our results suggest that an increase in inhibition within the stimulated barrel may reduce its excitatory output and accordingly the flow of excitation towards layers and the subsequent horizontal spread into adjacent barrel columns. Not all responses of neurons in the stimulated barrel are depressed. Neuronal responses towards the caudal in-row whisker decrease by 42% in layer IV and 52% in layers MM but responses to the other 7 immediate surround whiskers (SWs) are not affected. The synaptic inputs from the SW that elicit the strongest responses in the stimulated barrel may have been specifically depressed following a prolonged period of diminished coherence between neuronal activity evoked in the pathways from the chronically stimulated whisker and from its surrounding in-row whisker. Four days after the cessation of the stimulation, depression of neuronal activity is no longer present; on the contrary, we observe a small but significant potentiation of PW-responses in layer IV of the stimulated barrel column. Moreover we show that the expression of astrocytic glutamate transporters GLT-1 and GLAST proteins were both upregulated by ~2.5 fold in the stimulated barrel column, which indicates that glial cells exhibit experience-dependent functional changes and could actively take part in the adaptation of the cerebral cortex to experience.

Emergence of oriented circuits driven by synaptic pruning associated with spike-timing-dependent plasticity (STDP)

ABSTRACT: Massive synaptic pruning following over-growth is a general feature of mammalian brain maturation. Pruning starts near time of birth and is completed by time of sexual maturation. Trigger signals able to induce synaptic pruning could be related to dynamic functions that depend on the timing of action potentials. Spike-timing-dependent synaptic plasticity (STDP) is a change in the synaptic strength based on the ordering of pre- and postsynaptic spikes. The relation between synaptic efficacy and synaptic pruning suggests that the weak synapses may be modified and removed through competitive "learning" rules. This plasticity rule might produce the strengthening of the connections among neurons that belong to cell assemblies characterized by recurrent patterns of firing. Conversely, the connections that are not recurrently activated might decrease in efficiency and eventually be eliminated. The main goal of our study is to determine whether or not, and under which conditions, such cell assemblies may emerge out of a locally connected random network of integrate-and-fire units distributed on a 2D lattice receiving background noise and content-related input organized in both temporal and spatial dimensions. The originality of our study stands on the relatively large size of the network, 10,000 units, the duration of the experiment, 10E6 time units (one time unit corresponding to the duration of a spike), and the application of an original bio-inspired STDP modification rule compatible with hardware implementation. A first batch of experiments was performed to test that the randomly generated connectivity and the STDP-driven pruning did not show any spurious bias in absence of stimulation. Among other things, a scale factor was approximated to compensate for the network size on the ac¬tivity. Networks were then stimulated with the spatiotemporal patterns. The analysis of the connections remaining at the end of the simulations, as well as the analysis of the time series resulting from the interconnected units activity, suggest that feed-forward circuits emerge from the initially randomly connected networks by pruning. RESUME: L'élagage massif des synapses après une croissance excessive est une phase normale de la ma¬turation du cerveau des mammifères. L'élagage commence peu avant la naissance et est complété avant l'âge de la maturité sexuelle. Les facteurs déclenchants capables d'induire l'élagage des synapses pourraient être liés à des processus dynamiques qui dépendent de la temporalité rela¬tive des potentiels d'actions. La plasticité synaptique à modulation temporelle relative (STDP) correspond à un changement de la force synaptique basé sur l'ordre des décharges pré- et post- synaptiques. La relation entre l'efficacité synaptique et l'élagage des synapses suggère que les synapses les plus faibles pourraient être modifiées et retirées au moyen d'une règle "d'appren¬tissage" faisant intervenir une compétition. Cette règle de plasticité pourrait produire le ren¬forcement des connexions parmi les neurones qui appartiennent à une assemblée de cellules caractérisée par des motifs de décharge récurrents. A l'inverse, les connexions qui ne sont pas activées de façon récurrente pourraient voir leur efficacité diminuée et être finalement éliminées. Le but principal de notre travail est de déterminer s'il serait possible, et dans quelles conditions, que de telles assemblées de cellules émergent d'un réseau d'unités integrate-and¬-fire connectées aléatoirement et distribuées à la surface d'une grille bidimensionnelle recevant à la fois du bruit et des entrées organisées dans les dimensions temporelle et spatiale. L'originalité de notre étude tient dans la taille relativement grande du réseau, 10'000 unités, dans la durée des simulations, 1 million d'unités de temps (une unité de temps correspondant à une milliseconde), et dans l'utilisation d'une règle STDP originale compatible avec une implémentation matérielle. Une première série d'expériences a été effectuée pour tester que la connectivité produite aléatoirement et que l'élagage dirigé par STDP ne produisaient pas de biais en absence de stimu¬lation extérieure. Entre autres choses, un facteur d'échelle a pu être approximé pour compenser l'effet de la variation de la taille du réseau sur son activité. Les réseaux ont ensuite été stimulés avec des motifs spatiotemporels. L'analyse des connexions se maintenant à la fin des simulations, ainsi que l'analyse des séries temporelles résultantes de l'activité des neurones, suggèrent que des circuits feed-forward émergent par l'élagage des réseaux initialement connectés au hasard.

Utilisation des céramiques biphasées dans les pertes de substance osseuse acétabulaire sévères dans les reprises de prothèse totale de hanche (PTH) : étude de 22 cas avec suivi à long terme

Management of bone loss in revision total hip replacement remains a challenge. To eliminate any immunological or infectious problem and so to try to improve the long-term results obtained with allografts, the authors used synthetic ceramics as bone substitutes since 1995. We reviewed 13 of the patients of our study, we previously reported in 2005 (Schwartz and Bordei in Eur J Orthop Surg Traumatol 15: 191 2005), which was a pro- spective cohort of thirty-two cases of acetabular revision reconstruction, with a mean follow-up of 14.4 years yet (from 9 to 16 years). Clinical results were assessed according to Oxford scale and Postel and Merle d'Aubigne (PMA) scale. Since 2005, no specific complications were noted. The average PMA functional hip score was 14.9 (vs. 9.2 before revision) at follow-up over 9 years. Nine patients still alive in 2013 were seen again by a surgeon, which was not the operator, with a mean follow-up of 15.3 years: Their Oxford average score was 40.3. Radio- logical assessment affirmed a good integration of the sub- stitutes in bone without any edging in all cases. A progressive invasion of the ceramics by bone can be seen on the X-ray. We conclude that about 15 years of average delay, which is a significant follow-up in orthopedic sur- gery, the outcomes without specific complications are satisfactory and allow one to go with these materials in total hip revision surgery.

Drosophila Ionotropic Receptor 25a mediates circadian clock resetting by temperature.

Circadian clocks are endogenous timers adjusting behaviour and physiology with the solar day. Synchronized circadian clocks improve fitness and are crucial for our physical and mental well-being. Visual and non-visual photoreceptors are responsible for synchronizing circadian clocks to light, but clock-resetting is also achieved by alternating day and night temperatures with only 2-4 °C difference. This temperature sensitivity is remarkable considering that the circadian clock period (~24 h) is largely independent of surrounding ambient temperatures. Here we show that Drosophila Ionotropic Receptor 25a (IR25a) is required for behavioural synchronization to low-amplitude temperature cycles. This channel is expressed in sensory neurons of internal stretch receptors previously implicated in temperature synchronization of the circadian clock. IR25a is required for temperature-synchronized clock protein oscillations in subsets of central clock neurons. Extracellular leg nerve recordings reveal temperature- and IR25a-dependent sensory responses, and IR25a misexpression confers temperature-dependent firing of heterologous neurons. We propose that IR25a is part of an input pathway to the circadian clock that detects small temperature differences. This pathway operates in the absence of known 'hot' and 'cold' sensors in the Drosophila antenna, revealing the existence of novel periphery-to-brain temperature signalling channels.

Sleep in vitro : Erk pathway regulates sleep duration and sleep related genes

To date, for most biological and physiological phenomena, the scientific community has reach a consensus on their related function, except for sleep, which has an undetermined, albeit mystery, function. To further our understanding of sleep function(s), we first focused on the level of complexity at which sleep-like phenomenon can be observed. This lead to the development of an in vitro model. The second approach was to understand the molecular and cellular pathways regulating sleep and wakefulness, using both our in vitro and in vivo models. The third approach (ongoing) is to look across evolution when sleep or wakefulness appears. (1) To address the question as to whether sleep is a cellular property and how this is linked to the entire brain functioning, we developed a model of sleep in vitro by using dissociated primary cortical cultures. We aimed at simulating the major characteristics of sleep and wakefulness in vitro. We have shown that mature cortical cultures display a spontaneous electrical activity similar to sleep. When these cultures are stimulated by waking neurotransmitters, they show a tonic firing activity, similar to wakefulness, but return spontaneously to the "sleep-like" state 24h after stimulation. We have also shown that transcriptional, electrophysiological, and metabolic correlates of sleep and wakefulness can be reliably detected in dissociated cortical cultures. (2) To further understand at which molecular and cellular levels changes between sleep and wakefulness occur, we have used a pharmacological and systematic gene transcription approach in vitro and discovered a major role played by the Erk pathway. Indeed, pharmacological inhibition of this pathway in living animals decreased sleep by 2 hours per day and consolidated both sleep and wakefulness by reducing their fragmentation. (3) Finally, we tried to evaluate the presence of sleep in one of the most primitive species with a neural network. We set up Hydra as a model organism. We hypothesized that sleep as a cellular (neuronal) property may occur with the appearance of the most primitive nervous system. We were able to show that Hydra have periodic rest phases amounting to up to 5 hours per day. In conclusion, our work established an in vitro model to study sleep, discovered one of the major signaling pathways regulating vigilance states, and strongly suggests that sleep is a cellular property highly conserved at the molecular level during evolution. -- Jusqu'à ce jour, la communauté scientifique s'est mise d'accord sur la fonction d'une majorité des processus physiologiques, excepté pour le sommeil. En effet, la fonction du sommeil reste un mystère, et aucun consensus n'est atteint le concernant. Pour mieux comprendre la ou les fonctions du sommeil, (1) nous nous sommes d'abord concentré sur le niveau de complexité auquel un état ressemblant au sommeil peut être observé. Nous avons ainsi développé un modèle du sommeil in vitro, (2) nous avons disséqué les mécanismes moléculaires et cellulaires qui pourraient réguler le sommeil, (3) nous avons cherché à savoir si un état de sommeil peut être trouvé dans l'hydre, l'animal le plus primitif avec un système nerveux. (1) Pour répondre à la question de savoir à quel niveau de complexité apparaît un état de sommeil ou d'éveil, nous avons développé un modèle du sommeil, en utilisant des cellules dissociées de cortex. Nous avons essayé de reproduire les corrélats du sommeil et de l'éveil in vitro. Pour ce faire, nous avons développé des cultures qui montrent les signes électrophysiologiques du sommeil, puis quand stimulées chimiquement passent à un état proche de l'éveil et retournent dans un état de sommeil 24 heures après la stimulation. Notre modèle n'est pas parfait, mais nous avons montré que nous pouvions obtenir les corrélats électrophysiologiques, transcriptionnels et métaboliques du sommeil dans des cellules corticales dissociées. (2) Pour mieux comprendre ce qui se passe au niveau moléculaire et cellulaire durant les différents états de vigilance, nous avons utilisé ce modèle in vitro pour disséquer les différentes voies de signalisation moléculaire. Nous avons donc bloqué pharmacologiquement les voies majeures. Nous avons mis en évidence la voie Erkl/2 qui joue un rôle majeur dans la régulation du sommeil et dans la transcription des gènes qui corrèlent avec le cycle veille-sommeil. En effet, l'inhibition pharmacologique de cette voie chez la souris diminue de 2 heures la quantité du sommeil journalier et consolide l'éveil et le sommeil en diminuant leur fragmentation. (3) Finalement, nous avons cherché la présence du sommeil chez l'Hydre. Pour cela, nous avons étudié le comportement de l'Hydre pendant 24-48h et montrons que des périodes d'inactivité, semblable au sommeil, sont présentes dans cette espèce primitive. L'ensemble de ces travaux indique que le sommeil est une propriété cellulaire, présent chez tout animal avec un système nerveux et régulé par une voie de signalisation phylogénétiquement conservée.