Neuroplasticity of inhibitory control

Executive control refers to a set of abilities enabling us to plan, control and implement our behavior to rapidly and flexibly adapt to environmental requirements. These adaptations notably involve the suppression of intended or ongoing cognitive or motor processes, a skill referred to as "inhibitory control". To implement efficient executive control of behavior, one must monitor our performance following errors to adjust our behavior accordingly. Deficits in inhibitory control have been associated with the emergènce of a wide range of psychiatric disorders, ranging from drug addiction to attention deficit/hyperactivity disorders. Inhibitory control deficits could, however, be remediated- The brain has indeed the amazing possibility to reorganize following training to allow for behavioral improvements. This mechanism is referred to as neural and behavioral plasticity. Here, our aim is to investigate training-induced plasticity in inhibitory control and propose a model of inhibitory control explaining the spatio- temporal brain mechanisms supporting inhibitory control processes and their plasticity. In the two studies entitled "Brain dynamics underlying training-induced improvement in suppressing inappropriate action" (Manuel et al., 2010) and "Training-induced neuroplastic reinforcement óf top-down inhibitory control" (Manuel et al., 2012c), we investigated the neurophysiological and behavioral changes induced by inhibitory control training with two different tasks and populations of healthy participants. We report that different inhibitory control training developed either automatic/bottom-up inhibition in parietal areas or reinforced controlled/top-down inhibitory control in frontal brain regions. We discuss the results of both studies in the light of a model of fronto-basal inhibition processes. In "Spatio-temporal brain dynamics mediating post-error behavioral adjustments" (Manuel et al., 2012a), we investigated how error detection modulates the processing of following stimuli and in turn impact behavior. We showed that during early integration of stimuli, the activity of prefrontal and parietal areas is modulated according to previous performance and impacts the post-error behavioral adjustments. We discuss these results in terms of a shift from an automatic to a controlled form of inhibition induced by the detection of errors, which in turn influenced response speed. In "Inter- and intra-hemispheric dissociations in ideomotor apraxia: a large-scale lesion- symptom mapping study in subacute brain-damaged patients" (Manuel et al., 2012b), we investigated ideomotor apraxia, a deficit in performing pantomime gestures of object use, and identified the anatomical correlates of distinct ideomotor apraxia error types in 150 subacute brain-damaged patients. Our results reveal a left intra-hemispheric dissociation for different pantomime error types, but with an unspecific role for inferior frontal areas. Les fonctions exécutives désignent un ensemble de processus nous permettant de planifier et contrôler notre comportement afin de nous adapter de manière rapide et flexible à l'environnement. L'une des manières de s'adapter consiste à arrêter un processus cognitif ou moteur en cours ; le contrôle de l'inhibition. Afin que le contrôle exécutif soit optimal il est nécessaire d'ajuster notre comportement après avoir fait des erreurs. Les déficits du contrôle de l'inhibition sont à l'origine de divers troubles psychiatriques tels que l'addiction à la drogue ou les déficits d'attention et d'hyperactivité. De tels déficits pourraient être réhabilités. En effet, le cerveau a l'incroyable capacité de se réorganiser après un entraînement et ainsi engendrer des améliorations comportementales. Ce mécanisme s'appelle la plasticité neuronale et comportementale. Ici, notre but èst d'étudier la plasticité du contrôle de l'inhibition après un bref entraînement et de proposer un modèle du contrôle de l'inhibition qui permette d'expliquer les mécanismes cérébraux spatiaux-temporels sous-tendant l'amélioration du contrôle de l'inhibition et de leur plasticité. Dans les deux études intitulées "Brain dynamics underlying training-induced improvement in suppressing inappropriate action" (Manuel et al., 2010) et "Training-induced neuroplastic reinforcement of top-down inhibitory control" (Manuel et al., 2012c), nous nous sommes intéressés aux changements neurophysiologiques et comportementaux liés à un entraînement du contrôle de l'inhibition. Pour ce faire, nous avons étudié l'inhibition à l'aide de deux différentes tâches et deux populations de sujets sains. Nous avons démontré que différents entraînements pouvaient soit développer une inhibition automatique/bottom-up dans les aires pariétales soit renforcer une inhibition contrôlée/top-down dans les aires frontales. Nous discutons ces résultats dans le contexte du modèle fronto-basal du contrôle de l'inhibition. Dans "Spatio-temporal brain dynamics mediating post-error behavioral adjustments" (Manuel et al., 2012a), nous avons investigué comment la détection d'erreurs influençait le traitement du prochain stimulus et comment elle agissait sur le comportement post-erreur. Nous avons montré que pendant l'intégration précoce des stimuli, l'activité des aires préfrontales et pariétales était modulée en fonction de la performance précédente et avait un impact sur les ajustements post-erreur. Nous proposons que la détection d'erreur ait induit un « shift » d'un mode d'inhibition automatique à un mode contrôlé qui a à son tour influencé le temps de réponse. Dans "Inter- and intra-hemispheric dissociations in ideomotor apraxia: a large-scale lesion-symptom mapping study in subacute brain-damaged patients" (Manuel et al., 2012b), nous avons examiné l'apraxie idémotrice, une incapacité à exécuter des gestes d'utilisation d'objets, chez 150 patients cérébro-lésés. Nous avons mis en avant une dissociation intra-hémisphérique pour différents types d'erreurs avec un rôle non spécifique pour les aires frontales inférieures.

Novel immunotherapeutic strategies against human papillomavirus type 16 (HPV 16) induced lesions and cervical cancer

RESUME Le cancer du col de l'utérus, deuxième cause de mort par cancer chez la femme, a pu être associé à une infection par plusieurs types de virus du Papillome Humain (HPV), et en particulier HPV 16. Les vaccins prophylactiques sont efficaces à prévenir le cancer du col utérin alors que les lésions de haut grade sont généralement traitées par ablation chirurgicale et par d'éventuels traitements additionnels. Les risques de récurrence liés aux ablations et le taux de mortalité (50%) lié au cancer, démontrent le besoin de développer des stratégies alternatives afin de cibler les lésions précancéreuses. A ce jour, les vaccins thérapeutiques ont démontré peu de résultats cliniques, contrastant avec les régressions de tumeurs ectopiques observées après vaccination dans des modèles murins avec tumeurs associées à HPV. L'induction de réponses immunitaires protectrices dans la muqueuse génitale semble être cruciale pour l'efficacité des vaccins thérapeutiques HPV et évaluer leur efficacité dans un modèle murin avec tumeurs-HPV génitales représente un pré-requis important avant de procéder à des études cliniques. Par conséquent, nous avons établi un modèle murin orthotopique où des tumeurs se développent dans (a muqueuse génitale après une instillation intra-vaginale (i.vag) de cellules tumorales exprimant les oncogènes E6/E7 d'HPV 16 et transduites par un vecteur lentiviral codant la luciferase afin de suivre le développement de ces tumeurs in vivo par imagerie. La caractérisation histologique a démontré que les tumeurs grandissaient dans l'épithélium vaginal et en accord avec leur localisation, des cellules Τ CD8 spécifiques à E7 induites par la tumeur n'étaient détectées que dans la muqueuse génitale et les ganglions drainants. Une infiltration de cellules Τ régulatrices a aussi été mise en évidence, empêchant la régression spontanée de ces tumeurs. Par conséquent, ce modèle devrait être plus adéquat pour tester des stratégies thérapeutiques, étant donné qu'il partage certaines similarités immunologiques avec les lésions génitales naturelles causées par HPV. Etant donné que les oncogènes E6 et E7 d'HPV sont nécessaires à la maintenance du phénotype cancéreux des cellules cervicales, elles représentent des antigènes cibles pour la vaccination thérapeutique. Nous avons démontré que des souris immunisées par voie sous-cutanée (s.c.) avec une dose d'un vaccin à base de polypeptide E7 d'HPV 16 et d'adjuvants, présentaient de nombreuses cellules Τ CD8 sécrétant de l'IFN-γ spécifiquement à E7 dans leurs organes lymphatiques mais également dans la muqueuse génitale. De plus, le manque de corrélation entre les réponses spécifiques mesurées dans la périphérie et dans la muqueuse génitale souligne la nécessité et l'importance de déterminer les réponses immunitaires localement là où les lésions dues à HPV se développent. Si une vaccination par voie muqueuse est plus propice à traiter/régresser des infections génitales/tumeurs que le voie parentérale est un sujet débattu. Nos données montrent que seule la voie s.c. était capable de régresser la quasi totalité des tumeurs génitales chez la souris bien que des réponses CD8 spécifiques à E7 similaires étaient mesurées dans la muqueuse génitale après des vaccinations intra-nasale et i.vag. Afin d'augmenter la réponse spécifique au vaccin dans la muqueuse génitale, des immunostimulants ont été administrés par voie i.vag après vaccination. Nous avons démontré qu'une application i.vag d'agonistes des Toll like receptors après une vaccination s.c. induisait de manière significative une augmentation des cellules Τ CD8 sécrétant de l'IFN-γ spécifiquement à E7 dans la muqueuse génitale. Plus précisément et concernant les CpG et Poly l:C, l'effet était probablement associé à une attraction locale des cellules Τ CD8 et deuxièmement dépendait respectivement des voies de signalisation TLR9 et TLR3/Mda5. Finalement, cette stratégie combinatoire a permis de régresser des grosses tumeurs génitales chez la souris, suggérant qu'une telle immunothérapie pourrait adéquatement traiter des lésions dues à HPV chez les femmes. SUMMARY Cervical cancer is the second leading cause of cancer mortality in women worldwide and results from an infection with a subset of Human Papillomavirus (HPV), HPV 16 representing the most prevalent type. The available prophylactic vaccines are an effective strategy to prevent cervical cancer while already established high grade lesions usually require surgical ablation of lesion with possible additional treatments. Recurrence risks linked to conventional ablations and the high mortality (50%) related to cervical cancer demonstrate the need for alternative strategies like immunotherapies to target pre¬cancerous lesions. Until now, therapeutic vaccines only showed limited clinical results, which strongly contrast with the regression of ectopic tumors observed in the available murine HPV tumor models after vaccination. Induction of protective immune responses in the genital mucosa (GM) may be crucial for efficacy of HPV therapeutic vaccines and evaluating their efficacy in a murine model with genital HPV- tumors represents an important prerequisite for clinical trials. Thus, we have here established an orthotopic mouse model where tumors in the GM develop after an intravaginal (i.vag) instillation of HPV 16 E6/E7 oncogenes-expressing tumor cells transduced with a luciferase encoding lentivirus vector for in vivo imaging of tumor growth. Histological characterization showed that tumor grew within the vaginal epithelium and according to their mucosal location tumor- induced E7-specific CD8 Τ cells were restricted to the GM and genital draining lymph nodes together with high Τ regulatory cells infiltrates preventing spontaneous regression. Consequently, sharing several immunological similarities with natural genital HPV lesions, this novel genital tumor model may be more adequate to test therapeutic strategies. As E6 and/or E7 HPV oncogenes expression is required for the maintenance of the cancerous phenotype of cervical cells, they represent target antigens for therapeutic vaccination. We reported that mice subcutaneously (s.c.) immunized once with an adjuvanted HPV 16 E7 polypeptide vaccine harbored high E7-specific IFN-γ secreting CD8 Τ cells in their lymphoid organs and more importantly in the GM. In addition, the lack of correlation between specific responses measured in the periphery with those measured in the GM highlighted the necessity and relevance to determine the immune responses locally where HPV 16-induced lesions develop. Whether a mucosal route of immunization is better to treat/regress genital infections/tumors than parenteral immunization is still debated. Our data shows that although similar E7-specific IFN-γ secreting CD8 Τ cells responses were measured in the GM upon mucosal routes of E7 vaccine delivery (nasal and vaginal immunizations), only the s.c immunization was able to regress at least all genital tumors in mice. To further increase the vaccine-specific responses in the GM, immunostimulatory agents were i.vag administrated after vaccination. We demonstrated that a single i.vag application of toll like receptor (TLR) agonists after a s.c. E7 vaccination induced a significant increase of E7-specific IFN-γ secreting CD8 Τ cells in the GM. More precisely, regarding CpG and Poly l:C, the effect is most probably associated with a local attraction of total CD8 Τ cells and secondly depends on TLR9 and TLR3/Mda5 signaling pathways, respectively. Finally, this combinatorial strategy induced tumor regression in mice harboring large genital tumors, suggesting that such an immunotherapy could be adequate to treat HPV-induced lesions in women.