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.

Modulation of the epithelial sodium channel by serine proteases

Abstract The epithelial sodium channel (ENaC) is composed of three homologous subunits α, ß, and γ. This channel is involved in the regulation of sodium balance, which influences the periciliary liquid level in the lung, and blood pressure via the kidney. ENaC expressed in Xenopus laevis oocytes is preferentially and rapidly assembled into heteromeric αßγ complexes. Expression of homomeric α or heteromeric αß and αγ complexes lead to channel expression at the cell surface wíth low activities. Recent studies have demonstrated that α and γ (but not ß) ENaC subunits undergo proteolytic cleavage by endogenous proteases (i.e. furin) correlating with increased channel activity. We therefore assayed the full-length subunits and their cleavage products at the cell surface, as well as in the intracellular pool for all homo- and heteromeric combínations (α, ß, γ, ßγ, αß, αγ, ßγ and αßγ) and measured the corresponding channel activities as amiloride-sensitive sodíum transport (INa). We showed that upon assembly, cleavage of the y ENaC subunit ís responsible for increasing INa. We further demonstrated that in disease states such as cystic fibrosis (CF) where there is disequilibrium in the proteaseprotease inhibitor balance, ENaC is over-activated by the serine protease elastase (NE). We demonstrated that elevated NE concentrations can cleave cell surface expressed γ ENaC (but not α, or ß ENaC), suggesting a causal relationship between γ ENaC cleavage and ENaC activation, taking place at the plasma membrane. In addition, we demonstrated that the serine protease inhibitor (serpin) serpinH1, which is co-expressed with ENaC in the distal nephron is capable of inhibiting the channel by preventing cleavage of the γ ENaC subunit. Aldosterone mediated increases in INa aze known to be inhibted by TGFß. TGFß is also known to increase serpinHl expression. The demonstrated inhibition of γ ENaC cleavage and channel activation by serpinH1 may be responsible for the effect of TGFß on aldosterone stimulation in the distal nephron. In summary, we show that cleavage of the γ subunit, but not the α or ß subunit is linked to channel activation in three seperate contexts. Résumé Le canal épithélial à sodium (ENaC) est constitué de trois sous-unités homologues α, ß, and γ. Ce canal est impliqué dans le maintien de la balance sodique qui influence le niveau du liquide périciliaire du poumon et la pression sanguine via le rein. Dans les ovocytes de Xenopus laevis ENaC est préférentiellement et rapidement exprimé en formant un complexe hétéromérique αßγ. En revanche, l'expression homomérique de α ou hétéromérique des complexes αß et αγ conduit à une expression à la surface cellulaire d'un canal ENaC ne possédant qu'une faible activité. Des études récentes ont mis en évidence que les sous-unités α et γ d'ENaC (mais pas ß) sont coupées par des protéases endogènes (les farines) et que ces clivages augmentent l'activité du canal. Nous avons donc analysé, aussi bien à la surface cellulaire que dans le cytoplasme, les produits des clivages de combinaison homo- et hétéromérique des sous-unités d'ENaC (α, ß, γ, ßγ, αß, αγ, ßγ et αßγ). En parallèle, nous avons étudié l'activité correspondante à ces canaux par la mesure du transport de sodium sensible à l'amiloride (INa). Nous avons montré que lors de l'assemblage des sous-unités d'ENaC, le clivage de γ correspond à l'augmentation de INa. Nous avons également mis en évidence que dans une maladie telle que la fibrose cystique (CF) caractérisée par un déséquilibre de la balance protéase-inhibiteur de protéase, ENaC est suractivé par une sérine protéase nommée élastase (NE). L'augmentation de la concentration de NE clive γ ENaC exprimé à la surface cellulaire (mais pas α, ni ß ENaC) suggérant une causalité entre le clivage d'ENaC et son activation à la membrane plasmique. De plus, nous avons démontré que l'inhibiteur de sérine protéase (serpin) serpinH1, qui est co-exprimé avec ENaC dans le néphron distal, inhibe l'activité du canal en empêchant le clivage de la sous-unité γ ENaC. Il est connu que le INa induit par l'aldostérone peut être inhibé par TGFß. Or TGFß augmente l'expression de serpinH1. L'inhibition du clivage de γ ENaC et de l'activation du canal par la serpinH1 que nous avons mis en évidence pourrait ainsi être responsable de l'effet de TGFß sur la stimulation du courant par l'aldostérone dans le néphron distal. En résumé, nous avons montré que le clivage de la sous-unité γ, mais pas des sous-unités α et ß, est lié à l'activation du canal dans trois contextes distincts. Résumé tout public Le corps humain est composé d'environ 10 000 milliards de cellules et d'approximativement 60% d'eau. Les cellules du corps sont les unités fondamentales de la vie et elles sont dépendantes de certains nutriments et molécules. Ces nutriments et molécules sont dissous dans l'eau qui est présente dans et hors des cellules. Le maintien d'une concentration adéquate - de ces nutriments et de ces molécules dans l'eau à l'intérieur et à l'extérieur des cellules est -..essentiel pour leur survie. L'eau hors des cellules est nommée le fluide extracellulaire et peut être subdivisée en fluide interstitiel, qui se trouve autour des cellules, et en plasma, qui est le fluide des vaisseaux sanguins. Les fluides, les nutriments et les molécules sont constamment échangés entre les cellules, le fluide interstitiel, et le plasma. Le plasma circule dans le système circulatoire afin de distribuer les nutriments et molécules dans tout le corps et afin d'enlever les déchets cellulaires. Le rein joue un rôle essentiel dans la régulation du volume et de la concentration du plasma en éliminant sélectivement les nutriments et les molécules via la formation de l'urine. L'être humain possède deux reins, constitués chacun d'environ 1 million de néphrons. Ces derniers sont responsables de réabsorber et de sécréter sélectivement les nutriments et les molécules. Le canal épithélial à sodium (ENaC) est localisé à la surface cellulaire des néphrons et est responsable de la réabsorption du sodium (Na+). Le Na+ est présent dans quasiment toute la nourriture que nous mangeons et représente, en terme de molécule, 50% du sel de cuisine. Si trop de sodium est consommé, ENaC est inactif, si bien que le Na+ n'est pas réabsorbé et quitte le corps par l'urine. Ce mécanisme permet d'éviter que la concentration plasmatique de Na+ ne devienne trop grande, ce qui résulterait en une augmentation de la pression sanguine. Si trop peu de Na+ est consommé, ENaC réabsorbe le Na+ de l'urine primaire ce qui permet de conserver la concentration de Na+ et de prévenir une diminution de la pression sanguine par une perte de Na+. ENaC est aussi présent dans les cellules des poumons qui sont les organes permettant la respiration. La respiration est aussi essentielle pour la survie des cellules. Les poumons ne doivent pas contenir trop de liquide afin de permettre la respiration, mais en même temps ils ne doivent pas non plus être trop secs. En effet, ceci tuerait les cellules et empêcherait aussi la respiration. ENaC permet de maintenir un niveau d'humidité approprié dans les poumons en absorbant du Na+ ce qui entraîne un mouvement osmotique d'eau. L'absorption de sodium par ENaC ~ est augmentée par les protéases (in vitro et ex vivo). Les protéases sont des molécules qui peuvent couper d'autres molécules à des endroits précis. Nous avons démonté que certaines protéases augmentent l'absorption de Na+ en coupant ENaC à des endroits spécifiques. L'inhibition de ces protéases diminue le transport de Na+ et empêche le clivage d'ENaC. Dans certaines maladies telle que la mucoviscidose, des protéases sont suractivées et augmentent l'activité d'ENaC de manière inappropriée conduisant à une trop forte absorption de Na+ et à un déséquilibre de la muqueuse des poumons. Cette étude est donc particulièrement importante dans le cadre de la recherche thérapeutique de ce genre de maladie.

Blood monitoring of perfluorocarbon compounds (F-tert-butylcyclohexane, perfluoromethyldecalin and perfluorodecalin) by headspace-gas chromatography-tandem mass spectrometry.

A headspace-gas chromatography-tandem mass spectrometry (HS-GC-MS/MS) method for the trace measurement of perfluorocarbon compounds (PFCs) in blood was developed. Due to oxygen carrying capabilities of PFCs, application to doping and sports misuse is speculated. This study was therefore extended to perform validation methods for F-tert-butylcyclohexane (Oxycyte(®)), perfluoro(methyldecalin) (PFMD) and perfluorodecalin (PFD). The limit of detection of these compounds was established and found to be 1.2µg/mL blood for F-tert-butylcyclohexane, 4.9µg/mL blood for PFMD and 9.6µg/mL blood for PFD. The limit of quantification was assumed to be 12µg/mL blood (F-tert-butylcyclohexane), 48µg/mL blood (PFMD) and 96µg/mL blood (PFD). HS-GC-MS/MS technique allows detection from 1000 to 10,000 times lower than the estimated required dose to ensure a biological effect for the investigated PFCs. Thus, this technique could be used to identify a PFC misuse several hours, maybe days, after the injection or the sporting event. Clinical trials with those compounds are still required to evaluate the validation parameters with the calculated estimations.

Congenital anomalies associated with trisomy 18 or trisomy 13: A registry-based study in 16 european countries, 2000-2011.

The aim of this study was to examine the prevalence of trisomies 18 and 13 in Europe and the prevalence of associated anomalies. Twenty-five population-based registries in 16 European countries provided data from 2000-2011. Cases included live births, fetal deaths (20+ weeks' gestation), and terminations of pregnancy for fetal anomaly (TOPFAs). The prevalence of associated anomalies was reported in live births. The prevalence of trisomy 18 and trisomy 13 were 4.8 (95%CI: 4.7-5.0) and 1.9 (95%CI: 1.8-2.0) per 10,000 total births. Seventy three percent of cases with trisomy 18 or trisomy 13 resulted in a TOPFA. Amongst 468 live born babies with trisomy 18, 80% (76-83%) had a cardiac anomaly, 21% (17-25%) had a nervous system anomaly, 8% (6-11%) had esophageal atresia and 10% (8-13%) had an orofacial cleft. Amongst 240 Live born babies with trisomy 13, 57% (51-64%) had a cardiac anomaly, 39% (33-46%) had a nervous system anomaly, 30% (24-36%) had an eye anomaly, 44% (37-50%) had polydactyly and 45% (39-52%) had an orofacial cleft. For babies with trisomy 18 boys were less likely to have a cardiac anomaly compared with girls (OR = 0.48 (0.30-0.77) and with trisomy 13 were less likely to have a nervous system anomaly [OR = 0.46 (0.27-0.77)]. Babies with trisomy 18 or trisomy 13 do have a high proportion of associated anomalies with the distribution of anomalies being different in boys and girls. © 2015 Wiley Periodicals, Inc.

Extrafascial injection for interscalene brachial plexus block reduces respiratory complications compared with a conventional intrafascial injection: a randomized, controlled, double-blind trial?.

BACKGROUND: Hemidiaphragmatic paresis after ultrasound-guided interscalene brachial plexus block is reported to occur in up to 100% of patients. We tested the hypothesis that an injection lateral to the brachial plexus sheath reduces the incidence of hemidiaphragmatic paresis compared with a conventional intrafascial injection, while providing similar analgesia. METHODS: Forty ASA I-III patients undergoing elective shoulder and clavicle surgery under general anaesthesia were randomized to receive an ultrasound-guided interscalene brachial plexus block for analgesia, using 20 ml bupivacaine 0.5% with epinephrine 1:200 000 injected either between C5 and C6 within the interscalene groove (conventional intrafascial injection), or 4 mm lateral to the brachial plexus sheath (extrafascial injection). The primary outcome was incidence of hemidiaphragmatic paresis (diaphragmatic excursion reduction >75%), measured by M-mode ultrasonography, before and 30 min after the procedure. Secondary outcomes were forced vital capacity, forced expiratory volume in 1 s, and peak expiratory flow. Additional outcomes included time to first opioid request and pain scores at 24 h postoperatively (numeric rating scale, 0-10). RESULTS: The incidences of hemidiaphragmatic paresis were 90% (95% CI: 68-99%) and 21% (95% CI: 6-46%) in the conventional and extrafascial injection groups, respectively (P<0.0001). Other respiratory outcomes were significantly better preserved in the extrafascial injection group. The mean time to first opioid request was similar between groups (conventional: 802 min [95% CI: 620-984 min]; extrafascial: 973 min [95% CI: 791-1155 min]; P=0.19) as were pain scores at 24 h postoperatively (conventional: 1.6 [95% CI: 0.9-2.2]; extrafascial: 1.6 [95% CI: 0.8-2.4]; P=0.97). CONCLUSIONS: Ultrasound-guided interscalene brachial plexus block with an extrafascial injection reduces the incidence of hemidiaphragmatic paresis and impact on respiratory function while providing similar analgesia, when compared with a conventional injection. CLINICAL TRIAL REGISTRATION: NCT02074397.