Structural Brain Connectivity in School-Age Preterm Infants Provides Evidence for Impaired Networks Relevant for Higher Order Cognitive Skills and Social Cognition.

Extreme prematurity and pregnancy conditions leading to intrauterine growth restriction (IUGR) affect thousands of newborns every year and increase their risk for poor higher order cognitive and social skills at school age. However, little is known about the brain structural basis of these disabilities. To compare the structural integrity of neural circuits between prematurely born controls and children born extreme preterm (EP) or with IUGR at school age, long-ranging and short-ranging connections were noninvasively mapped across cortical hemispheres by connection matrices derived from diffusion tensor tractography. Brain connectivity was modeled along fiber bundles connecting 83 brain regions by a weighted characterization of structural connectivity (SC). EP and IUGR subjects, when compared with controls, had decreased fractional anisotropy-weighted SC (FAw-SC) of cortico-basal ganglia-thalamo-cortical loop connections while cortico-cortical association connections showed both decreased and increased FAw-SC. FAw-SC strength of these connections was associated with poorer socio-cognitive performance in both EP and IUGR children.

Micrornas involvement in cortical plasticity in adult mouse barrel cortex

In rodents, sensory experience alters the whisker representation in layer IV of the barrel cortex (Woolsey and Van der Loos, 1970). Excitatory and inhibitory interneurons, together with the astrocytic network, modify the functional representation in an integrated manner. Our group showed that continuous whisker stimulation induces structural and functional changes in the corresponding barrel. These modifications include the depression of neuronal responses and an insertion of new inhibitory synapses on dendritic spines (Knott et al., 2002; Genoud et al., 2006; Quairiaux et al., 2007). This form of cortical plasticity is controlled by several gene regulatory mechanisms including the activation of genetic programs controlling the expression of microRNAs (miRNAs). The transitory and localized expression of miRNAs in dendrites and their capacity to respond in an activity-dependent manner make them ideal candidates for the fine tuning of gene expression associated with neural plasticity. In a previous study of our group (Johnston- Wenger, 2010) using microarray analysis on laser-dissected barrels in order to compare the gene expression levels in stimulated and non-stimulated barrels after whisker stimulation, 261 genes were found significantly regulated, among these genes there were two miRNAs (miR- 132 and miR-137). In this study I tested the initial observation on the up-regulation of miR-132 and miR-137 after whisker stimulation and the possible involvement of two other miRNAs (miR-138 and miR-125b) that are known play a role in other form of synaptic plasticity. I used in situ hybridization (ISH) after unilateral stimulation of three whiskers (Cl-3) in the adult mouse. We found that sensory stimulation increases the expression, of miR-132 after 3hours of stimulation (p<0.01) and miR-137 (pO.Ol; 24 hrs of stim.), whereas it reduces the level of miR-125b (pO.Ol; 9 hrs of stim.). No significant difference was detected for miR-138. We further determined a correlation between the level of expression of the four selected miRNAs in the cortical barrels (measured by ISH) and in blood plasma (measured by qPCR). In addition to this quantitative comparison, we combined miRNAs ISH and immunolabeling for various neuronal markers that were chosen for the localization in both excitatory and inhibitory circuits as well as in astrocytes. Analysis of three-dimensional confocal acquisitions showed that stimulation alters significantly the degree of co-localization in the stimulated barrel of miR-132 with GAD65/67 and VGLUT2; miR-125b with GAD65/67 and parvalbumin; miR-138 with parvalbumin, VGLUT1 and PSD95; and miR-137 with VGLUT1 and astrocytic markers (GS; GFAP and SlOOß). To conclude, using increased neuronal activity in the whisker-to-barrel pathway; our results suggest that miRNAs can be regulated in an activity-dependent manner and they may regulate local mRNA translation to shape neuronal responses. These findings motivate further investigation of the different modes in which miRNAs may regulate cortical plasticity. -- Chez les rongeurs, l'expérience sensorielle modifie la représentation des vibrisses au niveau du cortex somatosensoriel primaire (Woolsey and Van der Loos, 1970). Les interneurones excitateurs et inhibiteurs, en collaboration avec le réseau astrocytaire, modifient la représentation fonctionnelle d'une manière intégrée. Notre groupe a montré que la stimulation continue des vibrisses induit des changements structuraux et fonctionnels dans le tonneau correspondant. Ces modifications incluent la dépression des réponses neuronales et une insertion de nouvelles synapses inhibitrices sur les épines dendritiques (Knott et al., 2002 ; Genoud et al., 2006 ; Quairiaux et al., 2007). Cette forme de plasticité corticale est contrôlée par plusieurs mécanismes de régulation génique dont l'activation des programmes géniques contrôlant l'expression des microARNs (miARNs). Par leur expression transitoire et localisée dans les dendrites et leur capacité à réagir d'une manière dépendante de l'activité, les miARNs sont des candidats idéaux pour le réglage fin de l'expression des gènes associée à la plasticité neuronale. Afin de comparer le niveau d'expression des gènes dans les tonneaux stimulés et non-stimulés après stimulation des vibrisses, une étude antérieure dans notre groupe (Johnston-Wenger, 2010), utilisant l'analyse par microarray sur des tonneaux disséqués par laser, a montré l'altération significative de 261 gènes. Parmi ces gènes, il y avait deux miARNs (miR-132 et miR-137). Dans la présente étude, j'ai testé l'observation initiale sur la régulation de miR-132 et miR-137 après stimulation des vibrisses et la possible implication de deux autres miARNs (miR-138 et miR-125b) connus avoir jouer un rôle important dans d'autres formes de plasticité synaptique. J'ai utilisé l'hybridation in situ (ISH) après stimulation unilatérale de trois vibrisses (Cl-3) chez la souris adulte. J'ai trouvé que la stimulation sensorielle augmente l'expression, de miR-132 après 3 heures de stimulation (p < 0.01) et miR-137 (p < 0.01 ; 24 hrs de stim.), alors qu'elle réduit le niveau de miR-125b (p < 0.01; 9 hrs de stim.). Aucune différence significative n'a été détectée pour miR-138. J'ai aussi déterminé une corrélation entre le niveau d'expression des quatre miARNs sélectionnés dans les tonneaux (mesurés par ISH) et dans le plasma sanguin (mesuré par qPCR). En plus de cette comparaison quantitative, j'ai combiné le miR-ISH et l'immunomarquage pour divers marqueurs neuronaux qui ont été choisis pour étudier la localisation dans les circuits excitateurs et inhibiteurs, ainsi que dans les astrocytes. Les acquisitions tridimensionnelles montrent que la stimulation modifie considérablement le degré de co-localisation dans le tonneau stimulé de miR-132 avec GAD65/67 et VGLUT2; miR-125b avec GAD65/67 et parvalbumine; miR-138 avec parvalbumine, VGLUT1 et PSD95; et miR-137 avec VGLUT1 et les marqueurs astrocytaires (GS ; GFAP et SlOOß). En conclusion, à l'aide de l'activité neuronale accrue dans la voie de vibrisses-au-baril; les résultats suggèrent que les miARNs peuvent être régulé d'une manière dépendante de l'activité et peuvent résulter la stabilité des ARNm et la traduction pour façonner les réponses neuronales ultérieures. Ces résultats incitent d'investiguer davantage les voies importantes par lesquels les miARNs peuvent réguler la plasticité corticale.

Microtubule-associated protein 6 mediates neuronal connectivity through Semaphorin 3E-dependent signalling for axonal growth.

Structural microtubule associated proteins (MAPs) stabilize microtubules, a property that was thought to be essential for development, maintenance and function of neuronal circuits. However, deletion of the structural MAPs in mice does not lead to major neurodevelopment defects. Here we demonstrate a role for MAP6 in brain wiring that is independent of microtubule binding. We find that MAP6 deletion disrupts brain connectivity and is associated with a lack of post-commissural fornix fibres. MAP6 contributes to fornix development by regulating axonal elongation induced by Semaphorin 3E. We show that MAP6 acts downstream of receptor activation through a mechanism that requires a proline-rich domain distinct from its microtubule-stabilizing domains. We also show that MAP6 directly binds to SH3 domain proteins known to be involved in neurite extension and semaphorin function. We conclude that MAP6 is critical to interface guidance molecules with intracellular signalling effectors during the development of cerebral axon tracts.

The 16p11.2 rearrangments genetic paradigms for obesity and neurodevelopmental disorders.

Recent discoveries of recurrent and reciprocal Copy Number Variants (CNVs) using genome- wide studies have led to a new understanding of the etiology of neuropsychiatric disorders. CNVs represent loss (deletion) or gain (duplication) of genomic material. This thesis work is focused on CNVs at the 16p11.2 BP4-BP5 locus, which are among the most frequent etiologies of neurodevelopmental disorders and have been associated with Autism Spectrum Disorders (ASD), schizophrenia, cognitive impairment, alterations of brain size as well as obesity and underweight. Because deletion and duplication of the 16p11.2 locus occur frequently and recurrently (with the same breakpoints), CNVs at this locus represent a powerful paradigm to understand how a genomic region may modulate cognitive and behavioral traits as well as the relationship and shared mechanisms between distinct psychiatric diagnoses such as ASD and schizophrenia. The present dissertation includes three studies: 1) The first project aims at identifying structural brain-imaging endophenotypes in 16p11.2 CNVs carriers at risk for ASD and schizophrenia. The results show that gene dosage at the 16p11.2 locus modulates global brain volumes and neural circuitry, including the reward system, language and social cognition circuits. 2) The second investigates the neuropsychological profile in 16p11.2 deletion and duplication carriers. While deletion carriers show specific deficits in language and inhibition, the profile of duplication carriers is devoid of specific weaknesses and presents enhanced performance in a verbal memory task. 3) The third study on food-related behaviors in 16p11.2 deletion and duplication carriers shows that alterations of the reponse to satiety are present in CNV carriers before the onset of obesity, pointing toward a potential mechanism driving the Body Mass Index increase in deletion carriers. Dysfunctions in the reward system and dopaminergic circuitries could represent a common mechanism playing a role in the phenotype and could be investigated in future studies. Our data strongly suggest that complex cognitive traits correlate to gene dosage in humans. Larger studies including expression data would allow elucidating the contribution of specific genes to these different gene dosage effects. In conclusion, a systematic and careful investigation of cognitive, behavioral and intermediate phenotypes using a gene dosage paradigm has allowed us to advance our understanding of the 16p11.2 BP4-BP5 locus and its effects on neurodevelopment. -- La récente découverte de variations du nombre de copies (CNVs pour 'copy number variants') dans le génome humain a amélioré nos connaissances sur l'étiologie des troubles neuropsychiatriques. Un CNV représente une perte (délétion) ou un gain (duplication) de matériel génétique sur un segment chromosomique. Ce travail de thèse est focalisé sur les CNVs réciproques (délétion et duplication) dans la région 16p11.2 BP4-BP5. Ces CNVs sont une cause fréquente de troubles neurodéveloppementaux et ont été associés à des phénotypes « en miroir » tels que obésité/sous-poids ou macro/microcéphalie mais aussi aux troubles du spectre autistique (TSA), à la schizophrénie et au retard de développement/déficience intellectuelle. La fréquence et la récurrence de la délétion et de la duplication aux mêmes points de cassure font de ces CNVs un paradigme unique pour étudier la relation entre dosage génique et les traits cognitifs et comportementaux, ainsi que les mécanismes partagés par des troubles psychiatriques apparemment distincts tels que les TSA et la schizophrénie. Ce travail de thèse comporte trois études distinctes : 1) l'étude en neuroimagerie structurelle identifie les endophénotypes chez les porteurs de la délétion ou de la duplication. Les résultats montrent une influence du dosage génique sur le volume cérébral total et certaines structures dans les systèmes de récompense, du langage et de la cognition sociale. 2) L'étude des profils neuropsychologiques chez les porteurs de la délétion ou de la duplication montre que la délétion est associée à des troubles spécifiques du langage et de l'inhibition alors que les porteurs de la duplication ne montrent pas de faiblesse spécifique mais des performances mnésiques verbales supérieures à leur niveau cognitif global. 3) L'étude sur les comportements alimentaires met en évidence une altération de la réponse à la satiété qui est présente avant l'apparition de l'obésité. Un dysfonctionnement dans le système de récompense et les circuits dopaminergiques pourrait représenter un mécanisme commun aux différents phénotypes observés chez ces individus porteurs de CNVs au locus 16p11.2. En conclusion, l'utilisation du dosage génique comme outil d'investigation des phénotypes cliniques et endophénotypes nous a permis de mieux comprendre le rôle de la région 16p11.2 BP4-BP5 dans le neurodéveloppement.

Does working memory training affect decision making ? : a neuroeconomic study

We all make decisions of varying levels of importance every day. Because making a decision implies that there are alternative choices to be considered, almost all decision involves some conflicts or dissatisfaction. Traditional economic models esteem that a person must weight the positive and negative outcomes of each option, and based on all these inferences, determines which option is the best for that particular situation. However, individuals rather act as irrational agents and tend to deviate from these rational choices. They somewhat evaluate the outcomes' subjective value, namely, when they face a risky choice leading to losses, people are inclined to have some preference for risk over certainty, while when facing a risky choice leading to gains, people often avoid to take risks and choose the most certain option. Yet, it is assumed that decision making is balanced between deliberative and emotional components. Distinct neural regions underpin these factors: the deliberative pathway that corresponds to executive functions, implies the activation of the prefrontal cortex, while the emotional pathway tends to activate the limbic system. These circuits appear to be altered in individuals with ADHD, and result, amongst others, in impaired decision making capacities. Their impulsive and inattentive behaviors are likely to be the cause of their irrational attitude towards risk taking. Still, a possible solution is to administrate these individuals a drug treatment, with the knowledge that it might have several side effects. However, an alternative treatment that relies on cognitive rehabilitation might be appropriate. This project was therefore aimed at investigate whether an intensive working memory training could have a spillover effect on decision making in adults with ADHD and in age-matched healthy controls. We designed a decision making task where the participants had to select an amount to gamble with the chance of 1/3 to win four times the chosen amount, while in the other cases they could loose their investment. Their performances were recorded using electroencephalography prior and after a one-month Dual N-Back training and the possible near and far transfer effects were investigated. Overall, we found that the performance during the gambling task was modulated by personality factors and by the importance of the symptoms at the pretest session. At posttest, we found that all individuals demonstrated an improvement on the Dual N-Back and on similar untrained dimensions. In addition, we discovered that not only the adults with ADHD showed a stable decrease of the symptomatology, as evaluated by the CAARS inventory, but this reduction was also detected in the control samples. In addition, Event-Related Potential (ERP) data are in favor of an change within prefrontal and parietal cortices. These results suggest that cognitive remediation can be effective in adults with ADHD, and in healthy controls. An important complement of this work would be the examination of the data in regard to the attentional networks, which could empower the fact that complex programs covering the remediation of several executive functions' dimensions is not required, a unique working memory training can be sufficient. -- Nous prenons tous chaque jour des décisions ayant des niveaux d'importance variables. Toutes les décisions ont une composante conflictuelle et d'insatisfaction, car prendre une décision implique qu'il y ait des choix alternatifs à considérer. Les modèles économiques traditionnels estiment qu'une personne doit peser les conséquences positives et négatives de chaque option et en se basant sur ces inférences, détermine quelle option est la meilleure dans une situation particulière. Cependant, les individus peuvent dévier de ces choix rationnels. Ils évaluent plutôt les valeur subjective des résultats, c'est-à-dire que lorsqu'ils sont face à un choix risqué pouvant les mener à des pertes, les gens ont tendance à avoir des préférences pour le risque à la place de la certitude, tandis que lorsqu'ils sont face à un choix risqué pouvant les conduire à un gain, ils évitent de prendre des risques et choisissent l'option la plus su^re. De nos jours, il est considéré que la prise de décision est balancée entre des composantes délibératives et émotionnelles. Ces facteurs sont sous-tendus par des régions neurales distinctes: le chemin délibératif, correspondant aux fonctions exécutives, implique l'activation du cortex préfrontal, tandis que le chemin émotionnel active le système limbique. Ces circuits semblent être dysfonctionnels chez les individus ayant un TDAH, et résulte, entre autres, en des capacités de prise de décision altérées. Leurs comportements impulsifs et inattentifs sont probablement la cause de ces attitudes irrationnelles face au risque. Cependant, une solution possible est de leur administrer un traitement médicamenteux, en prenant en compte les potentiels effets secondaires. Un traitement alternatif se reposant sur une réhabilitation cognitive pourrait être appropriée. Le but de ce projet est donc de déterminer si un entrainement intensif de la mémoire de travail peut avoir un effet sur la prise de décision chez des adultes ayant un TDAH et chez des contrôles sains du même âge. Nous avons conçu une tâche de prise de décision dans laquelle les participants devaient sélectionner un montant à jouer en ayant une chance sur trois de gagner quatre fois le montant choisi, alors que dans l'autre cas, ils pouvaient perdre leur investissement. Leurs performances ont été enregistrées en utilisant l'électroencéphalographie avant et après un entrainement d'un mois au Dual N-Back, et nous avons étudié les possibles effets de transfert. Dans l'ensemble, nous avons trouvé au pré-test que les performances au cours du jeu d'argent étaient modulées par les facteurs de personnalité, et par le degré des sympt^omes. Au post-test, nous avons non seulement trouvé que les adultes ayant un TDAH montraient une diminutions stable des symptômes, qui étaient évalués par le questionnaire du CAARS, mais que cette réduction était également perçue dans l'échantillon des contrôles. Les rsultats expérimentaux mesurés à l'aide de l'éléctroencéphalographie suggèrent un changement dans les cortex préfrontaux et pariétaux. Ces résultats suggèrent que la remédiation cognitive est efficace chez les adultes ayant un TDAH, mais produit aussi un effet chez les contrôles sains. Un complément important de ce travail pourrait examiner les données sur l'attention, qui pourraient renforcer l'idée qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des programmes complexes englobant la remédiation de plusieurs dimensions des fonctions exécutives, un simple entraiment de la mémoire de travail devrait suffire.

Fluctuation-Driven Neural Dynamics Reproduce Drosophila Locomotor Patterns.

The neural mechanisms determining the timing of even simple actions, such as when to walk or rest, are largely mysterious. One intriguing, but untested, hypothesis posits a role for ongoing activity fluctuations in neurons of central action selection circuits that drive animal behavior from moment to moment. To examine how fluctuating activity can contribute to action timing, we paired high-resolution measurements of freely walking Drosophila melanogaster with data-driven neural network modeling and dynamical systems analysis. We generated fluctuation-driven network models whose outputs-locomotor bouts-matched those measured from sensory-deprived Drosophila. From these models, we identified those that could also reproduce a second, unrelated dataset: the complex time-course of odor-evoked walking for genetically diverse Drosophila strains. Dynamical models that best reproduced both Drosophila basal and odor-evoked locomotor patterns exhibited specific characteristics. First, ongoing fluctuations were required. In a stochastic resonance-like manner, these fluctuations allowed neural activity to escape stable equilibria and to exceed a threshold for locomotion. Second, odor-induced shifts of equilibria in these models caused a depression in locomotor frequency following olfactory stimulation. Our models predict that activity fluctuations in action selection circuits cause behavioral output to more closely match sensory drive and may therefore enhance navigation in complex sensory environments. Together these data reveal how simple neural dynamics, when coupled with activity fluctuations, can give rise to complex patterns of animal behavior.