Cognitive anatomy of the temporal lobe: Effect of personality in population with mild cognitive impairment & Functional specialization for memory systems in healthy individuals.

Résumé: L'impact de la maladie d'Alzheimer (MA) est dévastateur pour la vie quotidienne de la personne affectée, avec perte progressive de la mémoire et d'autres facultés cognitives jusqu'à la démence. Il n'existe toujours pas de traitement contre cette maladie et il y a aussi une grande incertitude sur le diagnostic des premiers stades de la MA. La signature anatomique de la MA, en particulier l'atrophie du lobe temporal moyen (LTM) mesurée avec la neuroimagerie, peut être utilisée comme un biomarqueur précoce, in vivo, des premiers stades de la MA. Toutefois, malgré le rôle évident du LMT dans les processus de la mémoire, nous savons que les modèles anatomiques prédictifs de la MA basés seulement sur des mesures d'atrophie du LTM n'expliquent pas tous les cas cliniques. Au cours de ma thèse, j'ai conduit trois projets pour comprendre l'anatomie et le fonctionnement du LMT dans (1) les processus de la maladie et dans (2) les processus de mémoire ainsi que (3) ceux de l'apprentissage. Je me suis intéressée à une population avec déficit cognitif léger (« Mild Cognitive Impairment », MCI), à risque pour la MA. Le but du premier projet était de tester l'hypothèse que des facteurs, autres que ceux cognitifs, tels que les traits de personnalité peuvent expliquer les différences interindividuelles dans le LTM. De plus, la diversité phénotypique des manifestations précliniques de la MA provient aussi d'une connaissance limitée des processus de mémoire et d'apprentissage dans le cerveau sain. L'objectif du deuxième projet porte sur l'investigation des sous-régions du LTM, et plus particulièrement de leur contribution dans différentes composantes de la mémoire de reconnaissance chez le sujet sain. Pour étudier cela, j'ai utilisé une nouvelle méthode multivariée ainsi que l'IRM à haute résolution pour tester la contribution de ces sous-régions dans les processus de familiarité (« ou Know ») et de remémoration (ou « Recollection »). Finalement, l'objectif du troisième projet était de tester la contribution du LTM en tant que système de mémoire dans l'apprentissage et l'interaction dynamique entre différents systèmes de mémoire durant l'apprentissage. Les résultats du premier projet montrent que, en plus du déficit cognitif observé dans une population avec MCI, les traits de personnalité peuvent expliquer les différences interindividuelles du LTM ; notamment avec une plus grande contribution du neuroticisme liée à une vulnérabilité au stress et à la dépression. Mon étude a permis d'identifier un pattern d'anormalité anatomique dans le LTM associé à la personnalité avec des mesures de volume et de diffusion moyenne du tissu. Ce pattern est caractérisé par une asymétrie droite-gauche du LTM et un gradient antéro-postérieur dans le LTM. J'ai interprété ce résultat par des propriétés tissulaires et neurochimiques différemment sensibles au stress. Les résultats de mon deuxième projet ont contribué au débat actuel sur la contribution des sous-régions du LTM dans les processus de familiarité et de remémoration. Utilisant une nouvelle méthode multivariée, les résultats supportent premièrement une dissociation des sous-régions associées aux différentes composantes de la mémoire. L'hippocampe est le plus associé à la mémoire de type remémoration et le cortex parahippocampique, à la mémoire de type familiarité. Deuxièmement, l'activation correspondant à la trace mnésique pour chaque type de mémoire est caractérisée par une distribution spatiale distincte. La représentation neuronale spécifique, « sparse-distributed», associée à la mémoire de remémoration dans l'hippocampe serait la meilleure manière d'encoder rapidement des souvenirs détaillés sans interférer les souvenirs précédemment stockés. Dans mon troisième projet, j'ai mis en place une tâche d'apprentissage en IRM fonctionnelle pour étudier les processus d'apprentissage d'associations probabilistes basé sur le feedback/récompense. Cette étude m'a permis de mettre en évidence le rôle du LTM dans l'apprentissage et l'interaction entre différents systèmes de mémoire comme la mémoire procédurale, perceptuelle ou d'amorçage et la mémoire de travail. Nous avons trouvé des activations dans le LTM correspondant à un processus de mémoire épisodique; les ganglions de la base (GB), à la mémoire procédurale et la récompense; le cortex occipito-temporal (OT), à la mémoire de représentation perceptive ou l'amorçage et le cortex préfrontal, à la mémoire de travail. Nous avons également observé que ces régions peuvent interagir; le type de relation entre le LTM et les GB a été interprété comme une compétition, ce qui a déjà été reporté dans des études récentes. De plus, avec un modèle dynamique causal, j'ai démontré l'existence d'une connectivité effective entre des régions. Elle se caractérise par une influence causale de type « top-down » venant de régions corticales associées avec des processus de plus haut niveau venant du cortex préfrontal sur des régions corticales plus primaires comme le OT cortex. Cette influence diminue au cours du de l'apprentissage; cela pourrait correspondre à un mécanisme de diminution de l'erreur de prédiction. Mon interprétation est que cela est à l'origine de la connaissance sémantique. J'ai également montré que les choix du sujet et l'activation cérébrale associée sont influencés par les traits de personnalité et des états affectifs négatifs. Les résultats de cette thèse m'ont amenée à proposer (1) un modèle expliquant les mécanismes possibles liés à l'influence de la personnalité sur le LTM dans une population avec MCI, (2) une dissociation des sous-régions du LTM dans différents types de mémoire et une représentation neuronale spécifique à ces régions. Cela pourrait être une piste pour résoudre les débats actuels sur la mémoire de reconnaissance. Finalement, (3) le LTM est aussi un système de mémoire impliqué dans l'apprentissage et qui peut interagir avec les GB par une compétition. Nous avons aussi mis en évidence une interaction dynamique de type « top -down » et « bottom-up » entre le cortex préfrontal et le cortex OT. En conclusion, les résultats peuvent donner des indices afin de mieux comprendre certains dysfonctionnements de la mémoire liés à l'âge et la maladie d'Alzheimer ainsi qu'à améliorer le développement de traitement. Abstract: The impact of Alzheimer's disease is devastating for the daily life of the affected patients, with progressive loss of memory and other cognitive skills until dementia. We still lack disease modifying treatment and there is also a great amount of uncertainty regarding the accuracy of diagnostic classification in the early stages of AD. The anatomical signature of AD, in particular the medial temporal lobe (MTL) atrophy measured with neuroimaging, can be used as an early in vivo biomarker in early stages of AD. However, despite the evident role of MTL in memory, we know that the derived predictive anatomical model based only on measures of brain atrophy in MTL does not explain all clinical cases. Throughout my thesis, I have conducted three projects to understand the anatomy and the functioning of MTL on (1) disease's progression, (2) memory process and (3) learning process. I was interested in a population with mild cognitive impairment (MCI), at risk for AD. The objective of the first project was to test the hypothesis that factors, other than the cognitive ones, such as the personality traits, can explain inter-individual differences in the MTL. Moreover, the phenotypic diversity in the manifestations of preclinical AD arises also from the limited knowledge of memory and learning processes in healthy brain. The objective of the second project concerns the investigation of sub-regions of the MTL, and more particularly their contributions in the different components of recognition memory in healthy subjects. To study that, I have used a new multivariate method as well as MRI at high resolution to test the contribution of those sub-regions in the processes of familiarity and recollection. Finally, the objective of the third project was to test the contribution of the MTL as a memory system in learning and the dynamic interaction between memory systems during learning. The results of the first project show that, beyond cognitive state of impairment observed in the population with MCI, the personality traits can explain the inter-individual differences in the MTL; notably with a higher contribution of neuroticism linked to proneness to stress and depression. My study has allowed identifying a pattern of anatomical abnormality in the MTL related to personality with measures of volume and mean diffusion of the tissue. That pattern is characterized by right-left asymmetry in MTL and an anterior to posterior gradient within MTL. I have interpreted that result by tissue and neurochemical properties differently sensitive to stress. Results of my second project have contributed to the actual debate on the contribution of MTL sub-regions in the processes of familiarity and recollection. Using a new multivariate method, the results support firstly a dissociation of the subregions associated with different memory components. The hippocampus was mostly associated with recollection and the surrounding parahippocampal cortex, with familiarity type of memory. Secondly, the activation corresponding to the mensic trace for each type of memory is characterized by a distinct spatial distribution. The specific neuronal representation, "sparse-distributed", associated with recollection in the hippocampus would be the best way to rapidly encode detailed memories without overwriting previously stored memories. In the third project, I have created a learning task with functional MRI to sudy the processes of learning of probabilistic associations based on feedback/reward. That study allowed me to highlight the role of the MTL in learning and the interaction between different memory systems such as the procedural memory, the perceptual memory or priming and the working memory. We have found activations in the MTL corresponding to a process of episodic memory; the basal ganglia (BG), to a procedural memory and reward; the occipito-temporal (OT) cortex, to a perceptive memory or priming and the prefrontal cortex, to working memory. We have also observed that those regions can interact; the relation type between the MTL and the BG has been interpreted as a competition. In addition, with a dynamic causal model, I have demonstrated a "top-down" influence from cortical regions associated with high level cortical area such as the prefrontal cortex on lower level cortical regions such as the OT cortex. That influence decreases during learning; that could correspond to a mechanism linked to a diminution of prediction error. My interpretation is that this is at the origin of the semantic knowledge. I have also shown that the subject's choice and the associated brain activation are influenced by personality traits and negative affects. Overall results of this thesis have brought me to propose (1) a model explaining the possible mechanism linked to the influence of personality on the MTL in a population with MCI, (2) a dissociation of MTL sub-regions in different memory types and a neuronal representation specific to each region. This could be a cue to resolve the actual debates on recognition memory. Finally, (3) the MTL is also a system involved in learning and that can interact with the BG by a competition. We have also shown a dynamic interaction of « top -down » and « bottom-up » types between the pre-frontal cortex and the OT cortex. In conclusion, the results could give cues to better understand some memory dysfunctions in aging and Alzheimer's disease and to improve development of treatment.

Effect of aerobic exercise on skeletal muscle mitochondrial content and function in older adults

Regular aerobic exercise training, which is touted as a way to ameliorate metabolic diseases, increases aerobic capacity. Aerobic capacity usually declines with advanced age. The decline in aerobic capacity is typically associated by a decrease in the quality of skeletal muscle. At the molecular level, this decreased quality comes in part from perturbations in skeletal muscle mitochondria. Of particular is a decrease in the total amount of mitochondria that occupy the skeletal muscle volume. What is not well established is if this decrease in mitochondrial content is due to inactive lifestyle or the process of aging. Herein, the work of the thesis shows a clear connection between mitochondrial content and aerobic capacity. This indicates that active individuals with higher VChmax levels also contain higher volumes of mitochondria inside their muscle as opposed to sedentary counterparts who have lower levels of mitochondrial content. Upon taking these previously sedentary individuals and entering them into an aerobic exercise intervention, they are able to recover their mitochondrial content as well as function to similar levels of lifelong athletes of the same age. Furthermore, the results of this thesis show that mitochondrial content and function also correlate with exercise efficiency. If one is more efficient, he/she is able to expend less energy for a similar power output. Furthermore, individuals who increase in efficiency also increase in the ability to oxidize and utilize fat during pro-longed exercise. This increased reliance on fat after the intervention is associated with an increased amount of mitochondria, particularly in the intermyofibrillar region of skeletal muscle. Therefore, elderly adults who were once sedentary were able to recover mitochondrial content and function and are able to reap other health benefits from regular aerobic exercise training. Aging per se does not seem to be the culprit that will lead to metabolic diseases but rather it seems to be a lack of physical activity. -- Un entraînement sportif d'endurance, connu pour réduire le risque de développer des maladies métaboliques, augmente notre capacité aérobie. La capacité aérobie diminue généralement avec l'âge. Ce déclin est typiquement associé d'une diminution de la qualité du muscle squelettique. Au niveau moléculaire, cette diminution est due à des perturbations dans les mitochondries du muscle squelettique,, ce qui conduit à une diminution de la quantité totale des mitochondries présentes dans le muscle squelettique. Il n'a pas encore été établi si cette diminution de la teneur mitochondriale est due à un mode de vie sédentaire ou au processus du vieillissement. Ce travail de thèse montre un lien clair entre le contenu mitochondrial et la capacité aérobie. Il indique que des personnes âgées actives, avec des niveaux de V02max plus élevés, possèdent également un volume plus élevé de mitochondries dans leurs muscles en comparaison à leurs homologues sédentaires. En prenant des individus sédentaires et leur faisant pratiquer une activité physique aérobie, il est possible d'accroître leur contenu de même que leur fonction mitochondriale à des niveaux similaires à ceux d'athlètes du même âge ayant pratiqué une activité physique tout au long de leur vie. De plus, les résultats de ce travail démontrent que le contenu et la fonction mitochondriale sont en corrélation avec l'efficiscience lors d'exercice physique. En agumentant l'effiscience, les personnes sont alors capables de dépenser moins d'énergie pour une puissance d'exercice similaire. Donc, un volume mitochondrial accru dans le muscle squelettique, associé à une fonction mitochondriale améliorée, est associté à une augmentation de l'effiscience. En outre, les personnes qui augmentent leur effiscience, augmentent aussi leur capacité à oxyder les graisses durant l'exercice prolongé. Une augmentation du recours au graisses après l'intervention est associée à une quantité accrue de mitochondries, en particulier dans la région inter-myofibrillaire du muscle squelettique. Par conséquent, les personnes âgées autrefois sédentaires sont en mesure de récupérer leur contenu et leur fonction mitochondriale ainsi que d'autres avantages pour la santé grâce à un entraînement aérobie régulier. Le vieillissement en soi ne semble donc pas être le coupable conduisant aux maladies métaboliques qui semblent plutôt être lié à un manque d'activité physique.

Effect of Smoking on Blood Pressure and Resting Heart Rate: A Mendelian Randomization Meta-Analysis in the CARTA Consortium.

BACKGROUND: Smoking is an important cardiovascular disease risk factor, but the mechanisms linking smoking to blood pressure are poorly understood. METHODS AND RESULTS: Data on 141 317 participants (62 666 never, 40 669 former, 37 982 current smokers) from 23 population-based studies were included in observational and Mendelian randomization meta-analyses of the associations of smoking status and smoking heaviness with systolic and diastolic blood pressure, hypertension, and resting heart rate. For the Mendelian randomization analyses, a genetic variant rs16969968/rs1051730 was used as a proxy for smoking heaviness in current smokers. In observational analyses, current as compared with never smoking was associated with lower systolic blood pressure and diastolic blood pressure and lower hypertension risk, but with higher resting heart rate. In observational analyses among current smokers, 1 cigarette/day higher level of smoking heaviness was associated with higher (0.21 bpm; 95% confidence interval 0.19; 0.24) resting heart rate and slightly higher diastolic blood pressure (0.05 mm Hg; 95% confidence interval 0.02; 0.08) and systolic blood pressure (0.08 mm Hg; 95% confidence interval 0.03; 0.13). However, in Mendelian randomization analyses among current smokers, although each smoking increasing allele of rs16969968/rs1051730 was associated with higher resting heart rate (0.36 bpm/allele; 95% confidence interval 0.18; 0.54), there was no strong association with diastolic blood pressure, systolic blood pressure, or hypertension. This would suggest a 7 bpm higher heart rate in those who smoke 20 cigarettes/day. CONCLUSIONS: This Mendelian randomization meta-analysis supports a causal association of smoking heaviness with higher level of resting heart rate, but not with blood pressure. These findings suggest that part of the cardiovascular risk of smoking may operate through increasing resting heart rate.

The effect of learning on the evolution of new courtship behavior: a simulation model

The fact that individuals learn can change the relationship between genotype and phenotype in the population, and thus affect the evolutionary response to selection. Here we ask how male ability to learn from female response affects the evolution of a novel male behavioral courtship trait under pre-existing female preference (sensory drive). We assume a courtship trait which has both a genetic and a learned component, and a two-level female response to males. With individual-based simulations we show that, under this scenario, learning generally increases the strength of selection on the genetic component of the courtship trait, at least when the population genetic mean is still low. As a consequence, learning not only accelerates the evolution of the courtship trait, but also enables it when the trait is costly, which in the absence of learning results in an adaptive valley. Furthermore, learning can enable the evolution of the novel trait in the face of gene flow mediated by immigration of males that show superior attractiveness to females based on another, non-heritable trait. However, rather than increasing monotonically with the speed of learning, the effect of learning on evolution is maximized at intermediate learning rates. This model shows that, at least under some scenarios, the ability to learn can drive the evolution of mating behaviors through a process equivalent to Waddington's genetic assimilation.