Dynamics of the recruitment of lateral amygdala neurons following successive fear learning to different conditional stimuli

In fear conditioning, an animal learns to associate an unconditioned stimulus (US), such as a shock, and a conditioned stimulus (CS), such as a tone, so that the presentation of the CS alone can trigger conditioned responses. Recent research on the lateral amygdala has shown that following cued fear conditioning, only a subset of higher-excitable neurons are recruited in the memory trace. Their selective deletion after fear conditioning results in a selective erasure of the fearful memory. I hypothesize that the recruitment of highly excitable neurons depends on responsiveness to stimuli, intrinsic excitability and local connectivity. In addition, I hypothesize that neurons recruited for an initial memory also participate in subsequent memories, and that changes in neuronal excitability affect secondary fear learning. To address these hypotheses, I will show that A) a rat can learn to associate two successive short-term fearful memories; B) neuronal populations in the LA are competitively recruited in the memory traces depending on individual neuronal advantages, as well as advantages granted by the local network. By performing two successive cued fear conditioning experiments, I found that rats were able to learn and extinguish the two successive short-term memories, when tested 1 hour after learning for each memory. These rats were equipped with a system of stable extracellular recordings that I developed, which allowed to monitor neuronal activity during fear learning. 233 individual putative pyramidal neurons could modulate their firing rate in response to the conditioned tone (conditioned neurons) and/or non- conditioned tones (generalizing neurons). Out of these recorded putative pyramidal neurons 86 (37%) neurons were conditioned to one or both tones. More precisely, one population of neurons encoded for a shared memory while another group of neurons likely encoded the memories' new features. Notably, in spite of a successful behavioral extinction, the firing rate of those conditioned neurons in response to the conditioned tone remained unchanged throughout memory testing. Furthermore, by analyzing the pre-conditioning characteristics of the conditioned neurons, I determined that it was possible to predict neuronal recruitment based on three factors: 1) initial sensitivity to auditory inputs, with tone-sensitive neurons being more easily recruited than tone- insensitive neurons; 2) baseline excitability levels, with more highly excitable neurons being more likely to become conditioned; and 3) the number of afferent connections received from local neurons, with neurons destined to become conditioned receiving more connections than non-conditioned neurons. - En conditionnement de la peur, un animal apprend à associer un stimulus inconditionnel (SI), tel un choc électrique, et un stimulus conditionné (SC), comme un son, de sorte que la présentation du SC seul suffit pour déclencher des réflexes conditionnés. Des recherches récentes sur l'amygdale latérale (AL) ont montré que, suite au conditionnement à la peur, seul un sous-ensemble de neurones plus excitables sont recrutés pour constituer la trace mnésique. Pour apprendre à associer deux sons au même SI, je fais l'hypothèse que les neurones entrent en compétition afin d'être sélectionnés lors du recrutement pour coder la trace mnésique. Ce recrutement dépendrait d'un part à une activation facilité des neurones ainsi qu'une activation facilité de réseaux de neurones locaux. En outre, je fais l'hypothèse que l'activation de ces réseaux de l'AL, en soi, est suffisante pour induire une mémoire effrayante. Pour répondre à ces hypothèses, je vais montrer que A) selon un processus de mémoire à court terme, un rat peut apprendre à associer deux mémoires effrayantes apprises successivement; B) des populations neuronales dans l'AL sont compétitivement recrutées dans les traces mnésiques en fonction des avantages neuronaux individuels, ainsi que les avantages consentis par le réseau local. En effectuant deux expériences successives de conditionnement à la peur, des rats étaient capables d'apprendre, ainsi que de subir un processus d'extinction, pour les deux souvenirs effrayants. La mesure de l'efficacité du conditionnement à la peur a été effectuée 1 heure après l'apprentissage pour chaque souvenir. Ces rats ont été équipés d'un système d'enregistrements extracellulaires stables que j'ai développé, ce qui a permis de suivre l'activité neuronale pendant l'apprentissage de la peur. 233 neurones pyramidaux individuels pouvaient moduler leur taux d'activité en réponse au son conditionné (neurones conditionnés) et/ou au son non conditionné (neurones généralisant). Sur les 233 neurones pyramidaux putatifs enregistrés 86 (37%) d'entre eux ont été conditionnés à un ou deux tons. Plus précisément, une population de neurones code conjointement pour un souvenir partagé, alors qu'un groupe de neurones différent code pour de nouvelles caractéristiques de nouveaux souvenirs. En particulier, en dépit d'une extinction du comportement réussie, le taux de décharge de ces neurones conditionné en réponse à la tonalité conditionnée est resté inchangée tout au long de la mesure d'apprentissage. En outre, en analysant les caractéristiques de pré-conditionnement des neurones conditionnés, j'ai déterminé qu'il était possible de prévoir le recrutement neuronal basé sur trois facteurs : 1) la sensibilité initiale aux entrées auditives, avec les neurones sensibles aux sons étant plus facilement recrutés que les neurones ne répondant pas aux stimuli auditifs; 2) les niveaux d'excitabilité des neurones, avec les neurones plus facilement excitables étant plus susceptibles d'être conditionnés au son ; et 3) le nombre de connexions reçues, puisque les neurones conditionné reçoivent plus de connexions que les neurones non-conditionnés. Enfin, nous avons constaté qu'il était possible de remplacer de façon satisfaisante le SI lors d'un conditionnement à la peur par des injections bilatérales de bicuculline, un antagoniste des récepteurs de l'acide y-Aminobutirique.

Glutamatergic regulation of mitochondrial ion dynamics in astrocytes

Résumé grand public :Le cerveau se compose de cellules nerveuses appelées neurones et de cellules gliales dont font partie les astrocytes. Les neurones communiquent entre eux par signaux électriques et en libérant des molécules de signalisation comme le glutamate. Les astrocytes ont eux pour charge de capter le glucose depuis le sang circulant dans les vaisseaux sanguins, de le transformer et de le transmettre aux neurones pour qu'ils puissent l'utiliser comme source d'énergie. L'astrocyte peut ensuite utiliser ce glucose de deux façons différentes pour produire de l'énergie : la première s'opère dans des structures appelées mitochondries qui sont capables de produire plus de trente molécules riches en énergie (ATP) à partir d'une seule molécule de glucose ; la seconde possibilité appelée glycolyse peut produire deux molécules d'ATP et un dérivé du glucose appelé lactate. Une théorie couramment débattue propose que lorsque les astrocytes capturent le glutamate libéré par les neurones, ils libèrent en réponse du lactate qui servirait de base énergétique aux neurones. Cependant, ce mécanisme n'envisage pas une augmentation de l'activité des mitochondries des astrocytes, ce qui serait pourtant bien plus efficace pour produire de l'énergie.En utilisant la microscopie par fluorescence, nous avons pu mesurer les changements de concentrations ioniques dans les mitochondries d'astrocytes soumis à une stimulation glutamatergique. Nous avons démontré que les mitochondries des astrocytes manifestent des augmentations spontanées et transitoires de leur concentrations ioniques, dont la fréquence était diminuée au cours d'une stimulation avec du glutamate. Nous avons ensuite montré que la capture de glutamate augmentait la concentration en sodium et acidifiait les mitochondries des astrocytes. En approfondissant ces mécanismes, plusieurs éléments ont suggéré que l'acidification induite diminuerait le potentiel de synthèse d'énergie d'origine mitochondriale et la consommation d'oxygène dans les astrocytes. En résumé, l'ensemble de ces travaux suggère que la signalisation neuronale impliquant le glutamate dicte aux astrocytes de sacrifier temporairement l'efficacité de leur métabolisme énergétique, en diminuant l'activité de leurs mitochondries, afin d'augmenter la disponibilité des ressources énergétiques utiles aux neurones.Résumé :La remarquable efficacité du cerveau à compiler et propager des informations coûte au corps humain 20% de son budget énergétique total. Par conséquent, les mécanismes cellulaires responsables du métabolisme énergétique cérébral se sont adéquatement développés pour répondre aux besoins énergétiques du cerveau. Les dernières découvertes en neuroénergétique tendent à démontrer que le site principal de consommation d'énergie dans le cerveau est situé dans les processus astrocytaires qui entourent les synapses excitatrices. Un nombre croissant de preuves scientifiques a maintenant montré que le transport astrocytaire de glutamate est responsable d'un coût métabolique important qui est majoritairement pris en charge par une augmentation de l'activité glycolytique. Cependant, les astrocytes possèdent également un important métabolisme énergétique de type mitochondrial. Par conséquent, la localisation spatiale des mitochondries à proximité des transporteurs de glutamate suggère l'existence d'un mécanisme régulant le métabolisme énergétique astrocytaire, en particulier le métabolisme mitochondrial.Afin de fournir une explication à ce paradoxe énergétique, nous avons utilisé des techniques d'imagerie par fluorescence pour mesurer les modifications de concentrations ioniques spontanées et évoquées par une stimulation glutamatergique dans des astrocytes corticaux de souris. Nous avons montré que les mitochondries d'astrocytes au repos manifestaient des changements individuels, spontanés et sélectifs de leur potentiel électrique, de leur pH et de leur concentration en sodium. Nous avons trouvé que le glutamate diminuait la fréquence des augmentations spontanées de sodium en diminuant le niveau cellulaire d'ATP. Nous avons ensuite étudié la possibilité d'une régulation du métabolisme mitochondrial astrocytaire par le glutamate. Nous avons montré que le glutamate initie dans la population mitochondriale une augmentation rapide de la concentration en sodium due à l'augmentation cytosolique de sodium. Nous avons également montré que le relâchement neuronal de glutamate induit une acidification mitochondriale dans les astrocytes. Nos résultats ont indiqué que l'acidification induite par le glutamate induit une diminution de la production de radicaux libres et de la consommation d'oxygène par les astrocytes. Ces études ont montré que les mitochondries des astrocytes sont régulées individuellement et adaptent leur activité selon l'environnement intracellulaire. L'adaptation dynamique du métabolisme énergétique mitochondrial opéré par le glutamate permet d'augmenter la quantité d'oxygène disponible et amène au relâchement de lactate, tous deux bénéfiques pour les neurones.Abstract :The remarkable efficiency of the brain to compute and communicate information costs the body 20% of its total energy budget. Therefore, the cellular mechanisms responsible for brain energy metabolism developed adequately to face the energy needs. Recent advances in neuroenergetics tend to indicate that the main site of energy consumption in the brain is the astroglial process ensheating activated excitatory synapses. A large body of evidence has now shown that glutamate uptake by astrocytes surrounding synapses is responsible for a significant metabolic cost, whose metabolic response is apparently mainly glycolytic. However, astrocytes have also a significant mitochondrial oxidative metabolism. Therefore, the location of mitochondria close to glutamate transporters raises the question of the existence of mechanisms for tuning their energy metabolism, in particular their mitochondrial metabolism.To tackle these issues, we used real time imaging techniques to study mitochondrial ionic alterations occurring at resting state and during glutamatergic stimulation of mouse cortical astrocytes. We showed that mitochondria of intact resting astrocytes exhibited individual spontaneous and selective alterations of their electrical potential, pH and Na+ concentration. We found that glutamate decreased the frequency of mitochondrial Na+ transient activity by decreasing the cellular level of ATP. We then investigated a possible link between glutamatergic transmission and mitochondrial metabolism in astrocytes. We showed that glutamate triggered a rapid Na+ concentration increase in the mitochondrial population as a result of plasma-membrane Na+-dependent uptake. We then demonstrated that neuronally released glutamate also induced a mitochondrial acidification in astrocytes. Glutamate induced a pH-mediated and cytoprotective decrease of mitochondrial metabolism that diminished oxygen consumption. Taken together, these studies showed that astrocytes contain mitochondria that are individually regulated and sense the intracellular environment to modulate their own activity. The dynamic regulation of astrocyte mitochondrial energy output operated by glutamate allows increasing oxygen availability and lactate production both being beneficial for neurons.

Combining probabilistic land-use change and tree population dynamics modelling to simulate responses in mountain forests

Altitudinal tree lines are mainly constrained by temperature, but can also be influenced by factors such as human activity, particularly in the European Alps, where centuries of agricultural use have affected the tree-line. Over the last decades this trend has been reversed due to changing agricultural practices and land-abandonment. We aimed to combine a statistical land-abandonment model with a forest dynamics model, to take into account the combined effects of climate and human land-use on the Alpine tree-line in Switzerland. Land-abandonment probability was expressed by a logistic regression function of degree-day sum, distance from forest edge, soil stoniness, slope, proportion of employees in the secondary and tertiary sectors, proportion of commuters and proportion of full-time farms. This was implemented in the TreeMig spatio-temporal forest model. Distance from forest edge and degree-day sum vary through feed-back from the dynamics part of TreeMig and climate change scenarios, while the other variables remain constant for each grid cell over time. The new model, TreeMig-LAb, was tested on theoretical landscapes, where the variables in the land-abandonment model were varied one by one. This confirmed the strong influence of distance from forest and slope on the abandonment probability. Degree-day sum has a more complex role, with opposite influences on land-abandonment and forest growth. TreeMig-LAb was also applied to a case study area in the Upper Engadine (Swiss Alps), along with a model where abandonment probability was a constant. Two scenarios were used: natural succession only (100% probability) and a probability of abandonment based on past transition proportions in that area (2.1% per decade). The former showed new forest growing in all but the highest-altitude locations. The latter was more realistic as to numbers of newly forested cells, but their location was random and the resulting landscape heterogeneous. Using the logistic regression model gave results consistent with observed patterns of land-abandonment: existing forests expanded and gaps closed, leading to an increasingly homogeneous landscape.

Red blood cell structure and dynamics explored with digital holographic microspcopy

Digital holographic microscopy (DHM) is a technique that allows obtaining, from a single recorded hologram, quantitative phase image of living cell with interferometric accuracy. Specifically the optical phase shift induced by the specimen on the transmitted wave front can be regarded as a powerful endogenous contrast agent, depending on both the thickness and the refractive index of the sample. Thanks to a decoupling procedure cell thickness and intracellular refractive index can be measured separately. Consequently, Mean corpuscular volume (MCV) and mean corpuscular hemoglobin concentration (MCHC), two highly relevant clinical parameters, have been measured non-invasively at a single cell level. The DHM nanometric axial and microsecond temporal sensitivities have permitted to measure the red blood cell membrane fluctuations (CMF) on the whole cell surface. ©2009 COPYRIGHT SPIE--The International Society for Optical Engineering.

How local excitation-inhibition ratio impacts the whole brain dynamics.

The spontaneous activity of the brain shows different features at different scales. On one hand, neuroimaging studies show that long-range correlations are highly structured in spatiotemporal patterns, known as resting-state networks, on the other hand, neurophysiological reports show that short-range correlations between neighboring neurons are low, despite a large amount of shared presynaptic inputs. Different dynamical mechanisms of local decorrelation have been proposed, among which is feedback inhibition. Here, we investigated the effect of locally regulating the feedback inhibition on the global dynamics of a large-scale brain model, in which the long-range connections are given by diffusion imaging data of human subjects. We used simulations and analytical methods to show that locally constraining the feedback inhibition to compensate for the excess of long-range excitatory connectivity, to preserve the asynchronous state, crucially changes the characteristics of the emergent resting and evoked activity. First, it significantly improves the model's prediction of the empirical human functional connectivity. Second, relaxing this constraint leads to an unrealistic network evoked activity, with systematic coactivation of cortical areas which are components of the default-mode network, whereas regulation of feedback inhibition prevents this. Finally, information theoretic analysis shows that regulation of the local feedback inhibition increases both the entropy and the Fisher information of the network evoked responses. Hence, it enhances the information capacity and the discrimination accuracy of the global network. In conclusion, the local excitation-inhibition ratio impacts the structure of the spontaneous activity and the information transmission at the large-scale brain level.

Birth records from Swiss married couples analyzed over the past 35 years reveal an aging of first-time mothers by 5.1 years while the interpregnancy interval has shortened.

Although the general trend for delaying childbearing is generally viewed as causing infertility, its consequences on the interpregnancy interval have been unknown. A study of birth records for Swiss married women from 1969 to 2006 revealed that the woman's age at first birth has increased from 25.0 to 30.1 years, whereas calculated theoretical interpregnancy intervals after the first and second child decreased from 23.2 to 13 and from 22.4 to 7.9 months, respectively.

"Accomodating science" : a new way of thinking about rhetorical dynamics

By analyzing three case studies (neutrinos, victimization survey and quality of mass media), our present issue is to figure out if underlying successive accommodations to new rhetorical situations will have an impact on the respective importance of logos, ethos and pathos. We would like to pinpoint the stakes of science's public dimensions considering the scientists' image, their expertise, and also the given results' implication. We will especially take into account scientific papers that may be or are potentially controversial in the political, media and civic spheres.

HIV-1 reverse transcriptase connection domain mutations: dynamics of emergence and implications for success of combination antiretroviral therapy.

BACKGROUND: Factors promoting the emergence of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) reverse transcriptase (RT) connection domain mutations and their effect on antiretroviral therapy (ART) are still largely undetermined. We investigated this matter by analyzing genotypic resistance tests covering 400 amino acid positions in the RT of HIV-1 subtype B viruses and corresponding treatment histories and laboratory measurements. METHODS: The emergence of connection domain mutations was studied in 334 patients receiving monotherapy or dual therapy with thymidine analogues at the time of the genotypic resistance test. Response to subsequent combination ART (cART) was analyzed using Cox regression for 291 patients receiving unboosted protease inhibitors. Response was defined by ever reaching an HIV RNA level <50 copies/mL during the first cART. RESULTS: The connection domain mutations N348I, R356K, R358K, A360V, and A371V were more frequently observed in ART-exposed than ART-naive patients, of which only N348I and A360V were nonpolymorphic (with a prevalence of <1.5% in untreated patients). N348I correlated with M184V and predominantly occurred in patients receiving lamivudine and zidovudine concomitantly. A360V was not associated with specific drug combinations and was found to emerge later than M184V or thymidine analogue mutations. Nonpolymorphic connection domain mutations were rarely detected in the absence of established drug resistance mutations in ART-exposed individuals (prevalence, <1%). None of the 5 connection domain mutations associated with treatment showed a statistically significant effect on response to cART. CONCLUSIONS: Despite their frequent emergence, connection domain mutations did not show large detrimental effects on response to cART. Currently, routine implementation of connection domain sequencing seems unnecessary for developed health care settings.

ELECTROCORTICAL DYNAMICS OF MOTOR INHIBITORY CONTROL WITH AGING

Motor inhibitory control plays a central role in adaptive behaviors during the entire lifespan. Inhibitory motor control refers to the ability to stop all (global) or a part (selective) of a planned or ongoing motor action. Although the neural processing underlying the global inhibitory control has received much attention from cognitive neuroscientists, brain modulations that occur during selective inhibitory motor control remain unknown. The aim of the present thesis is to investigate the spatio-temporal brain processes of selective inhibitory motor control in young and old adults using high-density electroencephalography. In the first part, we focus on early (preparatory period) spatio-temporal brain processes involved in selective and global inhibitory control in young (study I) and old adults (study II) using a modified Go/No-go task. In study I, we distinguished global from selective inhibition in the early attentional stage of inhibitory control and provided neurophysiological evidence in favor of the combination model. In study II, we showed an under-recruitment of neural resources associated with preservation of performance in old adults during selective inhibition, suggesting efficient cerebral and behavioral adaptations to environmental changes. In the second part, we investigate beta oscillations in the late (post-execution period) spatio-temporal brain processes of selective inhibition during a motor Switching task (i.e., tapping movement from bimanual to unimanual) in young (study III) and old adults (study IV). In study III, we identified concomitant beta synchronization related (i) to sensory reafference processes, which enabled the stabilization of the movement that was perturbed after switching, and (ii) to active inhibition processes that prevented movement of the stopping hand. In study IV, we demonstrated a larger beta synchronization in frontal and parietal regions in old adults compared to young adults, suggesting age-related brain modulations in active inhibition processes. Apart from contributing to a basic understanding of the electrocortical dynamics underlying inhibitory motor control, the findings of the present studies contribute to knowledge regarding the further establishment of specific trainings with aging. -- Le contrôle de l'inhibition motrice joue un rôle central dans les adaptations comportementales quel que soit l'âge. L'inhibition motrice se réfère à la capacité à arrêter entièrement (globale) ou en partie (sélective) une action motrice planifiée ou en cours. Bien que les processus neuronaux sous-jacents de l'inhibition globale aient suscité un grand intérêt auprès des neurosciences cognitives, les modulations cérébrales dans le contrôle de l'inhibition motrice sélective sont encore peu connues. Le but de cette thèse est d'étudier les processus cérébraux spatio-temporels du contrôle de l'inhibition motrice sélective chez les adultes jeunes et âgés en utilisant l'électroencéphalogramme à haute densité. Dans la première partie, nous comparons les processus cérébraux spatio-temporels précoces (préparation motrice) de l'inhibition sélective et globale chez des adultes jeunes (étude I) et âgés (étude II) en utilisant une tâche Go/No-go modifiée. Dans l'étude I, nous avons distingué l'inhibition globale et sélective au niveau des processus attentionnels précoces du contrôle de l'inhibition et nous avons apporté des preuves neurophysiologiques de l'existence d'un modèle de combinaison. Dans l'étude II, nous avons montré une sous-activation neuronale associée à un maintien de la performance dans l'inhibition sélective chez les adultes âgés, suggérant des adaptations cérébrales et comportementales aux contraintes environnementales. Dans la seconde partie, nous examinons les processus cérébraux spatio-temporels tardifs (post-exécution motrice) de l'inhibition sélective pendant une tâche de Switching (tapping bimanuel vers un tapping unimanuel) chez des adultes jeunes (étude III) et âgés (étude IV). Dans l'étude III, nous avons distingué des synchronisations beta liées (i) au traitement des réafférences sensorielles permettant de stabiliser le mouvement perturbé après le switching, et (ii) aux processus d'inhibition active afin d'empêcher les mouvements de la main arrêtée. Dans l'étude IV, cette synchronisation beta était plus forte dans les régions frontales et pariétales chez les âgés par rapport aux jeunes adultes suggérant des modulations cérébrales de l'inhibition active avec l'âge. Outre la contribution fondamentale sur la compréhension des dynamiques électrocorticales dans le contrôle de l'inhibition motrice, les résultats de ces études contribuent à développer les connaissances pour la mise en place de programmes d'entraînements adaptés aux personnes âgées.