Spatial learning by rats across visually disconnected environments

Experiments were designed to examine some properties of spatial representations in rats. Adult subjects were trained to escape through a hole at a fixed position in a large circular arena (see Schenk 1989). The experiments were conducted in the dark, with a limited number of controlled visual light cues in order to assess the minimal cue requirement for place learning. Three identical light cues (shape, height and distance from the table) were used. Depending on the condition, they were either permanently on, or alternatively on or off, depending on the position of the rat in the field. Two questions were asked: a) how many identical visual cues were necessary for spatial discrimination in the dark, and b) could rats integrate the relative positions of separate cues, under conditions in which the rat was never allowed to perceive all three cues simultaneously. The results suggest that rats are able to achieve a place discrimination task even if the three cues necessary for efficient orientation can never be seen simultaneously. A dissociation between the discrimination of the spatial position of the goal and the capacity to reach it by a direct path suggests that a reduced number of cues might require prolonged locomotion to allow an accurate orientation in the environment.

Indirect effects of peri-and postnatal choline treatment on place-learning abilities in rat.

This work was aimed at analyzing the effects of perinatal choline supplementation on the development of spatial abilities and upon adult performance. Choline supplementation (3.5 g/L in 0.02 M saccharin solution in tap water) was maintained for two weeks before birth and for up to four weeks postnatally. Additional supplementation was maintained from the fifth to the tenth week postnatally. Spatial-learning capacities were studied at the ages of 26, 65, or 80 days in a circular swimming pool (Morris place-navigation task) and at the age of 7 months in a homing arena. Treatment effects were found in both juvenile and adult rats, and thus persisted for several months after the cessation of the supplementation. The choline supplementation improved the performance in the water maze in a very selective manner. The most consistent effect was a reduction in the latency to reach a cued platform at a fixed position in space, whereas the improvement was limited when the platform was invisible and had to be located relative to distant cues only. However, after removal of the goal cue, the treated rats showed a better retention of the training position than did the control rats. A similar effect was observed in a dry-land task conducted in the homing arena. The choline supplementation thus induced a significant improvement of spatial memory. But since this effect was only evident following training with a salient cue, it might be regarded as an indirect effect promoted by an optimal combination of cue guidance with a place strategy.

MENTAL IMAGERY IN PERCEPTUAL LEARNING

L'imagerie mentale est définie comme une expérience similaire à la perception mais se déroulant en l'absence d'une stimulation physique. Des recherches antérieures ont montré que l'imagerie mentale améliore la performance dans certains domaines, comme par exemple le domaine moteur. Cependant, son rôle dans l'apprentissage perceptif n'a pas encore été étudié. L'apprentissage perceptif correspond à l'amélioration permanente des performances suite à la répétition de la même tâche. Cette thèse présente une série des résultats empiriques qui montrent que l'apprentissage perceptif peut aussi être achevé en l'absence des stimuli physiques. En effet, imaginer des stimuli visuels amène à une meilleure performance avec les stimuli réels. Donc, les processus sous-jacents l'apprentissage perceptif ne sont pas uniquement déclenchés par les stimuli sensoriels, mais également par des signaux internes. En plus, l'apprentissage perceptif à travers l'imagerie mentale ne se réalise que seule-ment quand les stimuli ne sont pas (complètement) présents, mais gaiement quand les stimuli montrés ne sont pas utiles quant à la résolution de la tâche. - Mental imagery is described as an experience that resembles pereeptnal ex-perience but which occurs in the absence ef a physical stimulation. Despite its beneficial effects in, among others, motor performance, the role of mental imagery m perceptual learning has not yet been addressed. Here we focus on a specific sensory modality: vision. Perceptual learning is the ability to improve perception in a stable way through the repetition of a given task Here I demonstrate by a series of empirical results that a perceptual improve¬ment can also occur in the absence of a stimulation. Imagining visual stimuli is sufficient for successful perceptual learning. Hence, processes underlying perceptual learning are not only stimulus-driven but can also be driven by internally generated signals. Moreover, I also show that perceptual learning via mental imagery can occur not only when physical stimuli are (partially) absent, but also in conditions where stimuli are uninformative with respect to the task that has to be learned.

Étude de l'influence de l'activité inflammatoire liée au TNFα sur les altérations cognitives et comportementales et le dépôt de plaques β amyloïdes chez la souris

Résumé Les mutations du gène APP (amyloïde de la protéine de précurseur) sur le chromosome 21 mènent à une surproduction de protéines β amyloïdes dans la maladie d'Alzheimer (MA). Il existe donc un consensus impliquant la cascade amyloïde dans la genèse et le développement de la MA. C'est pourquoi, afin d'évaluer l'hypothèse de la cascade inflammatoire de la MA, on combine des manipulations génétiques chez des modèles de souris transgéniques avec des traitements anti-inflammatoires. Les animaux porteurs d'une mutation génétique induite permettent d'évaluer le rôle de certains gènes dans le développement de la maladie. Pour ce faire j'ai étudié les performances de différentes cohortes de souris soumises à un ensemble de trois épreuves comportementales complémentaires ; la première étudiant les conduites exploratoires, la deuxième évaluant la capacité de l'animal à effectuer un apprentissage de lieu et la troisième explorant l'efficacité des animaux dans une tâche dite d'élimination. Enfin, une évaluation complémentaire a été fondée sur le répertoire des troubles du comportement des animaux. Chez les animaux APP homozygotes, l'organisation de la mémoire se dégrade et se modifie avec l'âge. Chez ces animaux, le déficit des mémoires de références et de travail se manifeste déjà chez les souris jeunes (dès l'âge de 50 jours).De plus, il est apparu un certain nombre de troubles comportementaux. Enfin les APP homozygotes sont ceux qui ont le plus de dépôt de plaques amyloïdes localisé dans l'hippocampe. Chez les animaux APP hétérozygotes, tant la mémoire de référence, utilisée au cours d'un apprentissage de lieu, que la mémoire de travail permettant d'éviter des bras déjà visités, ne sont affectées que chez les sujets de 15 mois. De plus, tous les troubles du comportement sont présents à 15 mois, mais de manière moins intense que chez les animaux APP homozygotes. Un traitement anti-TNF administré aux APP hétérozygotes n'a pas permis d'améliorer leur performance mais a un effet bénéfique sur les troubles du comportement. Enfin, le pourcentage des dépôts de plaques a été estimé à trois fois moins élevé chez ces animaux hétérozygotes de 16 mois que chez les APP homozygotes de 8 mois. Chez les animaux APP hétérozygotes dont le gène TNFα est bloqué, les mémoires de travail et de référence sont altérées déjà à l'âge de 6 mois, en dépit du blocage de l'expression de TNF. Ces jeunes animaux ont même une capacité cognitive inférieure à celle des animaux hétérozygotes APP, en gardant toutefois leur activité et performance exploratoires intactes. Ainsi, il semble que le blocage de l'expression du gène TNFα chez des souris APP n'influence pas leurs capacités cognitives mais permet, d'une part, d'éviter l'apparition des troubles du comportement et d'autre part, ralentit le processus du déclin cognitif. Enfin, le pourcentage de plaques amyloïdes a été évalué à deux fois plus élevés pour les KO TNF-α APP hétérozygotes de 15 mois par rapport à des APP hétérozygotes sans traitement du même âge. Chez les animaux APP hétérozygotes surexprimant le TNFα, cette association génétique péjore la performance cognitive comparée à celle des APP homozygotes. Ces animaux ont une altération des mémoires de travail et de référence équivalente à celle retrouvée chez des APP homozygotes. Un traitement anti-inflammatoire administré à ces souris n'améliore pas la capacité cognitive mais permet d'une part, d'éviter l'apparition des troubles comportementaux, et d'autre part, d'entraîner la presque disparition des plaques amyloïdes. Abstract Mutations on the amyloid precursor protein (APP) gene on chromosome 21 lead to an overproduction of β amyloid in both human early onset familial Alzheimer's Disease (AD) and transgenic (TG) mice. On the other hand, inflammatory responses in the brain seem to contribute to the genesis and evolution of neurodegenerative damage. To study the influence of inflammatory factors - especially TNFα - on brain amyloid and behavioural components, TG mice expressing mutant amyloid precursor protein were treated with anti-TNFα antibody and compared with controls injected with PBS buffer or human globulins, as well as with APP mice knockout for the TNFα gene. The APP/V717 mutation leads to a brain deposit of amyloid and to significant behavioural deficits in both homozygous at different ages and heterozygous only at 15 months. The percentage of amyloid is almost triple in APP+/+ than in APP+/- animals, indicating a gene dosage effect. There is no significant effect of an anti-TNF treatment on the deposit of brain amyloid nor spatial learning capabilities. Transgenic mice show also stereotyped behaviour but the anti-TNF treatment decreases the production of stereotypies. The blockade of gene TNFα seems several cognitive alterations and increases the production of amyloid in APP mice at 15 months; but this combination allows to avoid the appearance of stereotyped behavior and in addition, the process of the cognitive decline slows down. Tg6074 mice (overexpressing TNF) increase deleterious effects on behavioural adaptive resources. Treatment with anti-TNF doesn't show changes in cognitive performances but seems to increase the production of amyloid and the stereotyped behaviour.

The neurobiological basis of prefrontal cortex impairment in the phencyclidine model of schizophrenia : convergent reduction of synaptic glutamate release, energy metabolism and cognitive performance

RÉSUMÉ : Le traitement répété à la phencyclidine (PCP), un bloqueur du récepteur NMDA (NMDAR), reproduit chez les rongeurs une partie de la symptomatologie typique de la schizophrénie. Le blocage prolongé du NMDAR par la PCP mime une hypofunction du NMDAR, une des principales altérations supposées exister dans les cerveaux des patients schizophréniques. Le but de notre étude était d'examiner les conséquences neurochimiques, métaboliques et fonctionnelles du traitement répété à la phencyclidine in vivo, au niveau du cortex préfrontal (cpf), une région cérébrale qui joue un rôle dans les déficits cognitifs observés chez les patients schizophréniques. Pour répondre à cette question, les rats ou les souris ont reçu chaque jour une injection soit de PCP (5 mg/kg), soit de solution saline, pendant 7 ou 14 jours. Les animaux ont ensuite été sacrifiés au moins 24 heures après le dernier traitement. Des tranches aiguës du cpf ont été préparées rapidement, puis stimulées avec une concentration élevée de KCI, de manière à induire une libération de glutamate à partir des terminaisons synaptiques excitatrices. Les résultats montrent que les tranches du cpf des animaux traités à la PCP ont libéré une quantité de glutamate significativement inférieure par rapport à celles des animaux contrôle. Ce déficit de libération a persisté 72 heures après la fin du traitement, tandis qu'il n'était pas observé dans le cortex visuel primaire, une autre région corticale. En outre, le traitement avec des antipsychotiques, l'halopéridol ou l'olanzapine, a supprimé le déficit induit par la PCP. Le même déficit de libération a été remarqué sur des synaptosomes obtenus à partir du cpf des animaux traités à la phenryclidine. Cette observation indique que la PCP induit une modification plastique adaptative du mécanisme qui contrôle la libération du glutamate dans les terminaisons synaptiques. Nous avons découvert que cette modification implique la sous-régulation d'un NMDAR présynaptique, qui serait doué d'un rôle d'autorécepteur stimulateur de la libération du glutamate. Grâce à des tests comportementaux conduits en parallèle et réalisés pour évaluer la fonctionnalité du cpf, nous avons observé chez les souris traitées à la PCP une flexibilité comportementale réduite lors d'un test de discrimination de stimuli visuels/tactiles. Le déficit cognitif était encore présent 4 jours après la dernière administration de PCP. La technique de l'autoradiographie quantitative du [14C]2-deoxyglucose a permis d'associer ce déficit à une réduction de l'activité métabolique cérébrale pendant le déroulement du test, particulièrement au niveau du cpf. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que le blocage prolongé du NMDAR lors de l'administration répétée de PCP produit un déficit de libération du glutamate au niveau des terminaisons synaptiques excitatrices du cpf. Un tel déficit pourrait être provoqué par la sousrégulation d'un NMDAR présynaptique, qui aurait une fonction de stimulateur de libération; la transmission excitatrice du cpf s'en trouverait dans ce cas réduite. Ce résultat est en ligne avec l'activité métabolique et fonctionnelle réduite du cpf et l'observation de déficits cognitifs induits lors de l'administration de la PCP. ABSTRACT : Sub-chronic treatment with phencyclidine (PCP), an NMDA receptor (NMDAR) channel blocker, reproduces in rodents part of the symptomatology associated to schizophrenia in humans. Prolonged pharmacological blockade of NMDAR with PCP mimics NMDAR hypofunction, one of the main alterations thought to take place in the brains of schizophrenics. Our study was aimed at investigating the neurochemical, metabolic and behavioral consequences of repeated PCP administration in vivo, focusing on the functioning of the prefrontal cortex (pfc), a brain region highly relevant for the cognitive deficits observed in schizophrenic patients. Rats or mice received a daily administration of either PCP (5 mg/kg) or saline for 7 or 14 days. At least 24 hours after the last treatment the animals were sacrificed. Acute slices of the pfc were quickly prepared and challenged with high KCl to induce synaptic glutamate release. Pfc slices from PCP-treated animals released significantly less glutamate than slices from salinetreated animals. The deficit persisted 72 hours after the end of the treatment, while it was not observed in another cortical region: the primary visual cortex. Interestingly, treatment with antipsychotic drugs, either haloperidol or olanzapine, reverted the glutamate release defect induced by PCP treatment. The same release defect was observed in synaptosomes prepared from the pfc of PCP-treated animals, indicating that PCP induces a plastic adaptive change in the mechanism controlling glutamate release in the glutamatergic terminals. We discovered that such change most likely involves the down-regulation of a newly identified, pre-synaptic NMDAR with stimulatory auto-receptor function on glutamate release. In parallel sets of behavioral experiments challenging pfc function, mice sub-chronically treated with PCP displayed reduced behavioral flexibility (reversal learning) in a visual/tactile-cued discrimination task. The cognitive deficit was still evident 4 days after the last PCP administration and was associated to reduced brain metabolic activity during the performance of the behavioral task, notably in the pfc, as determined by [14C]2-deoxyglucose quantitative autoradiography. Clverall, our findings suggest that prolonged NMDAR blockade by repeated PCP administration results in a defect of glutamate release from excitatory afferents in the pfc, possibly ascribed to down-regulation of apre-synaptic stimulatory NMDAR. Deficient excitatory neurotransmission in the pfc is consistent with the reduced metabolic and functional activation of this area and the observed PCP-induced cognitive deficits.

Reduced learning ability as a consequence of evolutionary adaptation to nutritional stress in Drosophila melanogaster

1. Dietary conditions affect cognitive abilities of many species, but it is unclear to what extent this physiological effect translates into an evolutionary relationship. 2. A reduction of competitive ability under nutritional stress has been reported as a correlated response to selection for learning ability in Drosophila melanogaster. Here we test whether the reverse holds as well, i.e. whether an evolutionary adaptation to poor food conditions leads to a decrease in learning capacities. 3. Populations of D. melanogaster were: (i) not subject to selection (control), (ii) selected for improved learning ability, (iii) selected for survival and fast development on poor food, or (iv) subject to both selection regimes. 4. There was no detectable response to selection for learning ability. 5. Selection on poor food led to higher survival, faster development and smaller adult size as a direct response, and to reduced learning ability as a correlated response. This study supports the hypothesis that adaptation to poor nutrition is likely to trade off with the evolution of improved learning ability.

On optimal learning schedules and the marginal value of cumulative cultural evolution.

The age-dependent choice between expressing individual learning (IL) or social learning (SL) affects cumulative cultural evolution. A learning schedule in which SL precedes IL is supportive of cumulative culture because the amount of nongenetically encoded adaptive information acquired by previous generations can be absorbed by an individual and augmented. Devoting time and energy to learning, however, reduces the resources available for other life-history components. Learning schedules and life history thus coevolve. Here, we analyze a model where individuals may have up to three distinct life stages: "infants" using IL or oblique SL, "juveniles" implementing IL or horizontal SL, and adults obtaining material resources with learned information. We study the dynamic allocation of IL and SL within life stages and how this coevolves with the length of the learning stages. Although no learning may be evolutionary stable, we find conditions where cumulative cultural evolution can be selected for. In that case, the evolutionary stable learning schedule causes individuals to use oblique SL during infancy and a mixture between IL and horizontal SL when juvenile. We also find that the selected pattern of oblique SL increases the amount of information in the population, but horizontal SL does not do so.

Train-the-trainer: E-learning zur Förderung einer praxisorientiertem Vermittlung von evidenzbasierter Medizin

Hintergrund: Trotz ihrer Etablierung als essentieller Bestandteil der medizinischen Weiter-/Fortbildung werden europa- wie schweizweit kaum Kurse in evidenzbasierter Medizin (ebm) angeboten, die - integriert im klinischen Alltag - gezielt Fertigkeiten in ebm vermitteln. Noch grössere Defizite finden sich bei ebm- Weiterbildungsmöglichkeiten für klinische Ausbilder (z.B. Oberärzte). Als Weiterführung eines EU-finanzierten, klinisch integrierten E-learning- Programms für Weiterbildungsassistenten (www.ebm-unity.org) entwickelte eine europäische Gruppe von medical educators gezielt für Ausbilder ein e-learning-Curriculum zur Vermittlung von ebm im Rahmen der klinischen Weiterbildung. Methode: Die Entwicklung des Curriculums umfasst folgende Schritte: Beschreibung von Lernzielen, Identifikation von klinisch relevanten Lernumgebungen, Entwicklung von Lerninhalten und exemplarischen didaktischen Strategien, zugeschnitten auf die jeweilige Lernumgebungen, Design von web-basierten Selbst-Lernsequenzen mit Möglichkeiten zur Selbstevaluation, Erstellung eines Handbuchs. Ergebnisse: Lernziele des Tutoren-Lehrgangs sind der Erwerb von Fertigkeiten zur Vermittlung der 5 klassischen ebm-Schritte: PICO- (Patient-Intervention-Comparison-Outcome)-Fragen, Literatursuche, kritische Literaturbewertung, Übertragung der Ergebnisse im eigenen Setting und Implementierung). Die Lehrbeispiele zeigen angehenden ebm-Tutoren, wie sich typische klinische Situationen wie z.B. Stationsvisite, Ambulanzsprechstunde, Journalclub, offizielle Konferenzen, Audit oder das klinische Assessment von Weiterbildungsassistenten gezielt für die Vermittlung von ebm nutzen lassen. Kurze E-Learning-Module mit exemplarischen «real-life»-Video-Clips erlauben flexibles Lernen zugeschnitten auf das knappe Zeitkontingent von Ärzten. Eine Selbst-Evaluation ermöglicht die Überprüfung der gelernten Inhalte. Die Pilotierung des Tutoren-Lehrgangs mit klinisch tätigen Tutoren sowie die Übersetzung des Moduls in weitere Sprachen sind derzeit in Vorbereitung. chlussfolgerung: Der modulare Train-the-Trainer-Kurs zur Vermittlung von ebm im klinischen Alltag schliesst eine wichtige Lücke in der Dissemination von klinischer ebm. Webbasierte Beispiele mit kurzen Sequenzen demonstrieren typische Situationen zur Vermittlung der ebm-Kernfertigkeiten und bieten medical educators wie Oberärzten einen niedrigschwelligen Einstieg in «ebm» am Krankenbett. Langfristiges Ziel ist eine europäische Qualifikation für ebm- Learning und -Teaching in der Fort- und Weiterbildung. Nach Abschluss der Evaluation steht das Curriculum interessierten Personen und Gruppen unter «not-for-profit»-Bedingungen zur Verfügung. Auskünfte erhältlich von rkunz@uhbs.ch. Finanziert durch die Europäische Kommission - Leonardo da Vinci Programme - Transfer of Innovation - Pilot Project for Lifelong Learn- ing 2007 und das Schweizerische Staatssekretariat für Bildung und Forschung.

Implementing statistical learning methods through Bayesian networks (Part 2): bayesian evaluations for results of black toner analyses in forensic document examination

This paper presents and discusses the use of Bayesian procedures - introduced through the use of Bayesian networks in Part I of this series of papers - for 'learning' probabilities from data. The discussion will relate to a set of real data on characteristics of black toners commonly used in printing and copying devices. Particular attention is drawn to the incorporation of the proposed procedures as an integral part in probabilistic inference schemes (notably in the form of Bayesian networks) that are intended to address uncertainties related to particular propositions of interest (e.g., whether or not a sample originates from a particular source). The conceptual tenets of the proposed methodologies are presented along with aspects of their practical implementation using currently available Bayesian network software.

Speech and oromotor deficits of epileptic origin in benign partial epilepsy of childhood with rolandic spikes (BPERS). Relationship to the acquired aphasia-epilepsy syndrome.

The authors report three children who suffered temporary oromotor or speech disturbances as focal epileptic manifestations within the frame of benign partial epilepsy of childhood with rolandic spikes and review similar cases described in the literature. The deficit can occur as an initial symptom of the disorder without visible epileptic seizures and interferes in a variable way with simple voluntary oromotor functions or complex movements including speech production, depending on the exact location and spread of the discharging epileptic focus around the perisylvian region. The most severe deficit produces the anterior operculum syndrome. More subtle non-linguistic deficits such as intermittent drooling, oromotor apraxia or dysfluency, as well as linguistic ones involving phonologic production, can occur. The rapidity of onset, progression and recovery of the deficit is very variable as well as its duration and presumably reflects the degree of epileptic activity. In some cases, rapid improvement with antiepileptic medication occurs and coincidence between the paroxysmal EEG activity (which is usually bilateral) and the functional deficit is seen. The clinical and EEG profile of the seizures disorder and the dynamic of the deficit in these cases bear a strong resemblance to what is seen in the acquired epilepsy-aphasia syndrome (Landau and Kleffner). The variations in clinical symptoms appear more related to the main site, local extension and bilaterality of the epileptic foci rather than a basic difference in physiopathology.

Learning spatial filters for multispectral image segmentation

We present a novel filtering method for multispectral satellite image classification. The proposed method learns a set of spatial filters that maximize class separability of binary support vector machine (SVM) through a gradient descent approach. Regularization issues are discussed in detail and a Frobenius-norm regularization is proposed to efficiently exclude uninformative filters coefficients. Experiments carried out on multiclass one-against-all classification and target detection show the capabilities of the learned spatial filters.

Decoding sequence learning from single-trial intracranial EEG in humans.

We propose and validate a multivariate classification algorithm for characterizing changes in human intracranial electroencephalographic data (iEEG) after learning motor sequences. The algorithm is based on a Hidden Markov Model (HMM) that captures spatio-temporal properties of the iEEG at the level of single trials. Continuous intracranial iEEG was acquired during two sessions (one before and one after a night of sleep) in two patients with depth electrodes implanted in several brain areas. They performed a visuomotor sequence (serial reaction time task, SRTT) using the fingers of their non-dominant hand. Our results show that the decoding algorithm correctly classified single iEEG trials from the trained sequence as belonging to either the initial training phase (day 1, before sleep) or a later consolidated phase (day 2, after sleep), whereas it failed to do so for trials belonging to a control condition (pseudo-random sequence). Accurate single-trial classification was achieved by taking advantage of the distributed pattern of neural activity. However, across all the contacts the hippocampus contributed most significantly to the classification accuracy for both patients, and one fronto-striatal contact for one patient. Together, these human intracranial findings demonstrate that a multivariate decoding approach can detect learning-related changes at the level of single-trial iEEG. Because it allows an unbiased identification of brain sites contributing to a behavioral effect (or experimental condition) at the level of single subject, this approach could be usefully applied to assess the neural correlates of other complex cognitive functions in patients implanted with multiple electrodes.