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.

Prospective motion correction of 3D echo-planar imaging data for functional MRI using optical tracking.

We evaluated the performance of an optical camera based prospective motion correction (PMC) system in improving the quality of 3D echo-planar imaging functional MRI data. An optical camera and external marker were used to dynamically track the head movement of subjects during fMRI scanning. PMC was performed by using the motion information to dynamically update the sequence's RF excitation and gradient waveforms such that the field-of-view was realigned to match the subject's head movement. Task-free fMRI experiments on five healthy volunteers followed a 2×2×3 factorial design with the following factors: PMC on or off; 3.0mm or 1.5mm isotropic resolution; and no, slow, or fast head movements. Visual and motor fMRI experiments were additionally performed on one of the volunteers at 1.5mm resolution comparing PMC on vs PMC off for no and slow head movements. Metrics were developed to quantify the amount of motion as it occurred relative to k-space data acquisition. The motion quantification metric collapsed the very rich camera tracking data into one scalar value for each image volume that was strongly predictive of motion-induced artifacts. The PMC system did not introduce extraneous artifacts for the no motion conditions and improved the time series temporal signal-to-noise by 30% to 40% for all combinations of low/high resolution and slow/fast head movement relative to the standard acquisition with no prospective correction. The numbers of activated voxels (p<0.001, uncorrected) in both task-based experiments were comparable for the no motion cases and increased by 78% and 330%, respectively, for PMC on versus PMC off in the slow motion cases. The PMC system is a robust solution to decrease the motion sensitivity of multi-shot 3D EPI sequences and thereby overcome one of the main roadblocks to their widespread use in fMRI studies.

CNDOL: A fast and reliable method for the calculation of electronic properties of very large systems. Applications to retinal binding pocket in rhodopsin and gas phase porphine.

Very large molecular systems can be calculated with the so called CNDOL approximate Hamiltonians that have been developed by avoiding oversimplifications and only using a priori parameters and formulas from the simpler NDO methods. A new diagonal monoelectronic term named CNDOL/21 shows great consistency and easier SCF convergence when used together with an appropriate function for charge repulsion energies that is derived from traditional formulas. It is possible to obtain a priori molecular orbitals and electron excitation properties after the configuration interaction of single excited determinants with reliability, maintaining interpretative possibilities even being a simplified Hamiltonian. Tests with some unequivocal gas phase maxima of simple molecules (benzene, furfural, acetaldehyde, hexyl alcohol, methyl amine, 2,5 dimethyl 2,4 hexadiene, and ethyl sulfide) ratify the general quality of this approach in comparison with other methods. The calculation of large systems as porphine in gas phase and a model of the complete retinal binding pocket in rhodopsin with 622 basis functions on 280 atoms at the quantum mechanical level show reliability leading to a resulting first allowed transition in 483 nm, very similar to the known experimental value of 500 nm of "dark state." In this very important case, our model gives a central role in this excitation to a charge transfer from the neighboring Glu(-) counterion to the retinaldehyde polyene chain. Tests with gas phase maxima of some important molecules corroborate the reliability of CNDOL/2 Hamiltonians.

Galanin pathogenic mutations in temporal lobe epilepsy.

Temporal lobe epilepsy (TLE) is a common epilepsy syndrome with a complex etiology. Despite evidence for the participation of genetic factors, the genetic basis of TLE remains largely unknown. A role for the galanin neuropeptide in the regulation of epileptic seizures has been established in animal models more than two decades ago. However, until now there was no report of pathogenic mutations in GAL, the galanin-encoding gene, and therefore its role in human epilepsy was not established. Here, we studied a family with a pair of monozygotic twins affected by TLE and two unaffected siblings born to healthy parents. Exome sequencing revealed that both twins carried a novel de novo mutation (p.A39E) in the GAL gene. Functional analysis revealed that the p.A39E mutant showed antagonistic activity against galanin receptor 1 (GalR1)-mediated response, and decreased binding affinity and reduced agonist properties for GalR2. These findings suggest that the p.A39E mutant could impair galanin signaling in the hippocampus, leading to increased glutamatergic excitation and ultimately to TLE. In a cohort of 582 cases, we did not observe any pathogenic mutations indicating that mutations in GAL are a rare cause of TLE. The identification of a novel de novo mutation in a biologically-relevant candidate gene, coupled with functional evidence that the mutant protein disrupts galanin signaling, strongly supports GAL as the causal gene for the TLE in this family. Given the availability of galanin agonists which inhibit seizures, our findings could potentially have direct implications for the development of anti-epileptic treatment.

Conséquences du stress en période périnatale sur la réponse émotionnelle chez l'enfant prématuré

Problématique: Les naissances prématurées sont des situations cliniques à risque pour l'enfant. Celui-ci arrive au monde avec une capacité amoindrie à être autonome, que ce soit, par exemple, au niveau respiratoire ou de la régulation thermique. Lors de leur séjour aux soins intensifs, les enfants prématurés subissent des interventions qui peuvent être douloureuses, ils sont souvent manipulés et exposés à des bruits et des lumières intenses; ceci peut induire un stress important pour l'enfant qui est déjà vulnérable du fait de sa prématurité. Lorsque confronté à une situation stressante, l'organisme humain réagit par l'activation de l'axe hypothalamo-hypophysio-surrénalien (HHS). Une des hormones principales sécrétées par l'axe HHS est le cortisol. Plusieurs études suggèrent que le cortisol, lorsque sécrété en quantités importantes, risque d'altérer la matière grise, en induisant une diminution de volume, notamment celui de l'hippocampe (Plotsky & Meaney, 1993; Sapolsky, 2000; McEwen, 1994; 2000; Sandman et al., 1994; Meaney et al., 1991;1996). Ces altérations auraient comme effet un dérèglement de l'axe HHS (Heim & Nemeroff, 1999) avec comme conséquence une variation de la réponse au stress mais aussi de la mémoire et de la régulation émotionnelle (Stam et al., 2000 et Siegel, 1998). Objectifs: Nous allons nous intéresser aux grands prématurés nés à moins de 32 semaines de gestations selon leur exposition à des interventions stressantes et douloureuses ou des complications postnatales. Nous allons étudier l'impact qu'un stress modéré ou sévère sur un prématuré a sur la réponse de l'axe HHS et sur sa régulation émotionnelle lorsque celui-ci est confronté à des situations de stress modéré ultérieurement, plus précisément à six mois d'age corrigé. Méthodologie: Dans le cadre de l'étude «Stress néonatal et réactivité au stress ultérieur: effets préventifs d'une intervention précoce» (SNF 3200 BO-104230) menée au SUPEA en collaboration avec le service de néonatologie du DMCP, le Lab-TAB (Laboratory Temperament Assessment Battery, prelocomotor version 3.1, Goldsmith & Rothbart, 1999) a été utilisé comme outil pour analyser le tempérament d'un enfant par l'analyse de ses réactions émotionnelles à certaines situations. L'enfant, qui était filmé, a été confronté à des mises en scène conçues pour susciter diverses émotions comme la peur, la colère, la frustration, la curiosité ou le plaisir. Un système de codage dérivé de celui du Lab-TAB sera utilisé par deux codeurs différents pour analyser les réactions émotionnelles des enfants. Les taux de cortisol sécrétés ont été mesurés dans la salive de l'enfant. La mesure du cortisol libre dans la salive montre une bonne corrélation avec le cortisol plasmatique ; plusieurs prélèvements de salive ont été faits avant, pendant et après la situation de stress. Les situations filmées n'ont pas encore été codés, ni les taux analysés par l'équipe de la SUPEA. Nous allons observer 40 vidéos, 20 d'enfants nés prématurément et 20 d'enfants nés à terme comme groupe contrôle, et examiner la réponse endocrinienne au stress ainsi que leur régulation émotionnelle au niveau de leur comportement comme l'excitation, les pleurs, l'évitement... Hypothèse : L'intensité de l'exposition au stress postnatal chez l'enfant prématuré induirait des variations de la réponse de l'axe HHS mais aussi de la régulation émotionnelle. Il n'est pas clair selon la littérature actuelle si les variations des réponses de l'axe HHS dues à l'exposition à un stress précoce vont dans les sens de l'hypo- ou l'hyperréactivité, et si cette réponse corrèle avec la régulation émotionnelle au niveau des comportements. C'est ce que l'analyse des données nous permettra de déterminer.

Combining T2-preparation with spectral and spatial selectivity for improved coronary MRA

Cardiovascular disease is the leading cause of death worldwide. Within this subset, coronary artery disease (CAD) is the most prevalent. Magnetic resonance angiography (MRA) is an emerging technique that provides a safe, non-invasive way of assessing CAD progression. To generate contrast between tissues, MR images are weighted according to the magnetic properties of those tissues. In cardiac MRI, T2 contrast, which is governed by the rate of transverse signal loss, is often created through the use of a T2-Preparation module. T2-Preparation, or T2-Prep, is a magnetization preparation scheme used to improve blood/myocardium contrast in cardiac MRI. T2-Prep methods generally use a non-selective +90°, 180°, 180°, -90° train of radiofrequency (RF) pulses (or variant thereof), to tip magnetization into the transverse plane, allow it to evolve, and then to restore it to the longitudinal plane. A key feature in this process is the combination of a +90° and -90° RF pulse. By changing either one of these, a mismatch occurs between signal excitation and restoration. This feature can be exploited to provide additional spectral or spatial selectivity. In this work, both of these possibilities are explored. The first - spectral selectivity - has been examined as a method of improving fat saturation in coronary MRA. The second - spatial selectivity - has been examined as a means of reducing imaging time by decreasing the field of view, and as a method of reducing artefacts originating from the tissues surrounding the heart. Two additional applications, parallel imaging and self-navigation, are also presented. This thesis is thus composed of four sections. The first, "A Fat Signal Suppression for Coronary MRA at 3T using a Water-Selective Adiabatic T2-Preparation Technique", was originally published in the journal Magnetic Resonance in Medicine (MRM) with co-authors Ruud B. van Heeswijk and Matthias Stuber. The second, "Combined T2-Preparation and 2D Pencil Beam Inner Volume Selection", again with co-authors Ruud van Heeswijk and Matthias Stuber, was also published in the journal MRM. The third, "A cylindrical, inner volume selecting 2D-T2-Prep improves GRAPPA-accelerated image quality in MRA of the right coronary artery", written with co-authors Jerome Yerly and Matthias Stuber, has been submitted to the "Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance", and the fourth, "Combined respiratory self-navigation and 'pencil-beam' 2D-T2 -Prep for free-breathing, whole-heart coronary MRA", with co¬authors Jerome Chaptinel, Giulia Ginami, Gabriele Bonanno, Simone Coppo, Ruud van Heeswijk, Davide Piccini, and Matthias Stuber, is undergoing internal review prior to submission to the journal MRM. -- Les maladies cardiovasculaires sont la cause principale de décès dans le monde : parmi celles-ci, les maladies coronariennes sont les plus répandues. L'angiographie par résonance magnétique (ARM) est une technique émergente qui fournit une manière sûre, non invasive d'évaluer la progression de la coronaropathie. Pour obtenir un contraste entre les tissus, les images d'IRM sont pondérées en fonction des propriétés magnétiques de ces tissus. En IRM cardiaque, le contraste en T2, qui est lié à la décroissance du signal transversal, est souvent créé grâce à l'utilisàtion d'un module de préparation T2. La préparation T2, ou T2-Prep, est un système de préparation de l'aimantation qui est utilisé pour améliorer le contraste entre le sang et le myocarde lors d'une IRM cardiaque. Les méthodes de T2-Prep utilisent généralement une série non-sélective d'impulsions de radiofréquence (RF), typiquement [+ 90°, 180°, 180°, -90°] ou une variante, qui bascule l'aimantation dans le plan transversal, lui permet d'évoluer, puis la restaure dans le plan longitudinal. Un élément clé de ce processus est la combinaison des impulsions RF de +90° et -90°. En changeant l'une ou l'autre des impulsions, un décalage se produit entre l'excitation du signal et de la restauration. Cette fonction peut être exploitée pour fournir une sélectivité spectrale ou spatiale. Dans cette thèse, les deux possibilités sont explorées. La première - la sélectivité spectrale - a été examinée comme une méthode d'améliorer la saturation de la graisse dans l'IRM coronarienne. La deuxième - la sélectivité spatiale - a été étudiée comme un moyen de réduire le temps d'imagerie en diminuant le champ de vue, et comme une méthode de réduction des artefacts provenant des tissus entourant le coeur. Deux applications supplémentaires, l'imagerie parallèle et la self-navigation, sont également présentées. Cette thèse est ainsi composée de quatre sections. La première, "A Fat Signal Suppression for Coronary MRA at 3T using a Water-Selective Adiabatic T2-Preparation Technique", a été publiée dans la revue médicale Magnetic Resonance .in Medicine (MRM) avec les co-auteurs Ruud B. van Heeswijk et Matthias Stuber. La deuxième, Combined T2-Preparation and 2D Pencil Beam Inner Volume Selection", encore une fois avec les co-auteurs Ruud van Heeswijk et Matthias Stuber, a également été publiée dans le journal MRM. La troisième, "A cylindrical, inner volume selecting 2D-T2-Prep improves GRAPPA- accelerated image quality in MRA of the right coronary artery", écrite avec les co-auteurs Jérôme Yerly et Matthias Stuber, a été présentée au "Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance", et la quatrième, "Combined respiratory self-navigation and 'pencil-beam' 2D-T2 -Prep for free-breathing, whole-heart coronary MRA", avec les co-auteurs Jérôme Chaptinel, Giulia Ginami, Gabriele Bonanno , Simone Coppo, Ruud van Heeswijk, Davide Piccini, et Matthias Stuber, subit un examen interne avant la soumission à la revue MRM.