The relationship between forensic science and judicial error: a study covering error sources, bias, and remedies

Summary : Forensic science - both as a source of and as a remedy for error potentially leading to judicial error - has been studied empirically in this research. A comprehensive literature review, experimental tests on the influence of observational biases in fingermark comparison, and semistructured interviews with heads of forensic science laboratories/units in Switzerland and abroad were the tools used. For the literature review, some of the areas studied are: the quality of forensic science work in general, the complex interaction between science and law, and specific propositions as to error sources not directly related to the interaction between law and science. A list of potential error sources all the way from the crime scene to the writing of the report has been established as well. For the empirical tests, the ACE-V (Analysis, Comparison, Evaluation, and Verification) process of fingermark comparison was selected as an area of special interest for the study of observational biases, due to its heavy reliance on visual observation and recent cases of misidentifications. Results of the tests performed with forensic science students tend to show that decision-making stages are the most vulnerable to stimuli inducing observational biases. For the semi-structured interviews, eleven senior forensic scientists answered questions on several subjects, for example on potential and existing error sources in their work, of the limitations of what can be done with forensic science, and of the possibilities and tools to minimise errors. Training and education to augment the quality of forensic science have been discussed together with possible solutions to minimise the risk of errors in forensic science. In addition, the time that samples of physical evidence are kept has been determined as well. Results tend to show considerable agreement on most subjects among the international participants. Their opinions on possible explanations for the occurrence of such problems and the relative weight of such errors in the three stages of crime scene, laboratory, and report writing, disagree, however, with opinions widely represented in existing literature. Through the present research it was therefore possible to obtain a better view of the interaction of forensic science and judicial error to propose practical recommendations to minimise their occurrence. Résumé : Les sciences forensiques - considérés aussi bien comme source de que comme remède à l'erreur judiciaire - ont été étudiées empiriquement dans cette recherche. Une revue complète de littérature, des tests expérimentaux sur l'influence du biais de l'observation dans l'individualisation de traces digitales et des entretiens semi-directifs avec des responsables de laboratoires et unités de sciences forensiques en Suisse et à l'étranger étaient les outils utilisés. Pour la revue de littérature, quelques éléments étudies comprennent: la qualité du travail en sciences forensiques en général, l'interaction complexe entre la science et le droit, et des propositions spécifiques quant aux sources d'erreur pas directement liées à l'interaction entre droit et science. Une liste des sources potentielles d'erreur tout le long du processus de la scène de crime à la rédaction du rapport a également été établie. Pour les tests empiriques, le processus d'ACE-V (analyse, comparaison, évaluation et vérification) de l'individualisation de traces digitales a été choisi comme un sujet d'intérêt spécial pour l'étude des effets d'observation, due à son fort recours à l'observation visuelle et dû à des cas récents d'identification erronée. Les résultats des tests avec des étudiants tendent à prouver que les étapes de prise de décision sont les plus vulnérables aux stimuli induisant des biais d'observation. Pour les entretiens semi-structurés, onze forensiciens ont répondu à des questions sur des sujets variés, par exemple sur des sources potentielles et existantes d'erreur dans leur travail, des limitations de ce qui peut être fait en sciences forensiques, et des possibilités et des outils pour réduire au minimum ses erreurs. La formation et l'éducation pour augmenter la qualité des sciences forensiques ont été discutées ainsi que les solutions possibles pour réduire au minimum le risque d'erreurs en sciences forensiques. Le temps que des échantillons sont gardés a été également déterminé. En général, les résultats tendent à montrer un grand accord sur la plupart des sujets abordés pour les divers participants internationaux. Leur avis sur des explications possibles pour l'occurrence de tels problèmes et sur le poids relatif de telles erreurs dans les trois étapes scène de crime;', laboratoire et rédaction de rapports est cependant en désaccord avec les avis largement représentés dans la littérature existante. Par cette recherche il était donc possible d'obtenir une meilleure vue de l'interaction des sciences forensiques et de l'erreur judiciaire afin de proposer des recommandations pratiques pour réduire au minimum leur occurrence. Zusammenfassung : Forensische Wissenschaften - als Ursache und als Hilfsmittel gegen Fehler, die möglicherweise zu Justizirrtümern führen könnten - sind hier empirisch erforscht worden. Die eingestzten Methoden waren eine Literaturübersicht, experimentelle Tests über den Einfluss von Beobachtungseffekten (observer bias) in der Individualisierung von Fingerabdrücken und halbstandardisierte Interviews mit Verantwortlichen von kriminalistischen Labors/Diensten in der Schweiz und im Ausland. Der Literaturüberblick umfasst unter anderem: die Qualität der kriminalistischen Arbeit im Allgemeinen, die komplizierte Interaktion zwischen Wissenschaft und Recht und spezifische Fehlerquellen, welche nicht direkt auf der Interaktion von Recht und Wissenschaft beruhen. Eine Liste möglicher Fehlerquellen vom Tatort zum Rapportschreiben ist zudem erstellt worden. Für die empirischen Tests wurde der ACE-V (Analyse, Vergleich, Auswertung und Überprüfung) Prozess in der Fingerabdruck-Individualisierung als speziell interessantes Fachgebiet für die Studie von Beobachtungseffekten gewählt. Gründe sind die Wichtigkeit von visuellen Beobachtungen und kürzliche Fälle von Fehlidentifizierungen. Resultate der Tests, die mit Studenten durchgeführt wurden, neigen dazu Entscheidungsphasen als die anfälligsten für Stimuli aufzuzeigen, die Beobachtungseffekte anregen könnten. Für die halbstandardisierten Interviews beantworteten elf Forensiker Fragen über Themen wie zum Beispiel mögliche und vorhandene Fehlerquellen in ihrer Arbeit, Grenzen der forensischen Wissenschaften und Möglichkeiten und Mittel um Fehler zu verringern. Wie Training und Ausbildung die Qualität der forensischen Wissenschaften verbessern können ist zusammen mit möglichen Lösungen zur Fehlervermeidung im selben Bereich diskutiert worden. Wie lange Beweismitten aufbewahrt werden wurde auch festgehalten. Resultate neigen dazu, für die meisten Themen eine grosse Übereinstimmung zwischen den verschiedenen internationalen Teilnehmern zu zeigen. Ihre Meinungen über mögliche Erklärungen für das Auftreten solcher Probleme und des relativen Gewichts solcher Fehler in den drei Phasen Tatort, Labor und Rapportschreiben gehen jedoch mit den Meinungen, welche in der Literatur vertreten werden auseinander. Durch diese Forschungsarbeit war es folglich möglich, ein besseres Verständnis der Interaktion von forensischen Wissenschaften und Justizirrtümer zu erhalten, um somit praktische Empfehlungen vorzuschlagen, welche diese verringern. Resumen : Esta investigación ha analizado de manera empírica el rol de las ciencias forenses como fuente y como remedio de potenciales errores judiciales. La metodología empleada consistió en una revisión integral de la literatura, en una serie de experimentos sobre la influencia de los sesgos de observación en la individualización de huellas dactilares y en una serie de entrevistas semiestructuradas con jefes de laboratorios o unidades de ciencias forenses en Suiza y en el extranjero. En la revisión de la literatura, algunas de las áreas estudiadas fueron: la calidad del trabajo en ciencias forenses en general, la interacción compleja entre la ciencia y el derecho, así como otras fuentes de error no relacionadas directamente con la interacción entre derecho y ciencia. También se ha establecido una lista exhaustiva de las fuentes potenciales de error desde la llegada a la escena del crimen a la redacción del informe. En el marco de los tests empíricos, al analizar los sesgos de observación dedicamos especial interés al proceso de ACE-V (análisis, comparación, evaluación y verificación) para la individualización de huellas dactilares puesto que este reposa sobre la observación visual y ha originado varios casos recientes de identificaciones erróneas. Los resultados de las experimentaciones realizadas con estudiantes sugieren que las etapas en las que deben tornarse decisiones son las más vulnerables a lös factores que pueden generar sesgos de observación. En el contexto de las entrevistas semi-estructuradas, once científicos forenses de diversos países contestaron preguntas sobre varios temas, incluyendo las fuentes potenciales y existehtes de error en su trabajo, las limitaciones propias a las ciencias forenses, las posibilidades de reducir al mínimo los errores y las herramientas que podrían ser utilizadas para ello. Se han sugerido diversas soluciones para alcanzar este objetivo, incluyendo el entrenamiento y la educación para aumentar la calidad de las ciencias forenses. Además, se ha establecido el periodo de conservación de las muestras judiciales. Los resultados apuntan a un elevado grado de consenso entre los entrevistados en la mayoría de los temas. Sin embargo, sus opiniones sobre las posibles causas de estos errores y su importancia relativa en las tres etapas de la investigación -la escena del crimen, el laboratorio y la redacción de informe- discrepan con las que predominan ampliamente en la literatura actual. De este modo, esta investigación nos ha permitido obtener una mejor imagen de la interacción entre ciencias forenses y errores judiciales, y comenzar a formular una serie de recomendaciones prácticas para reducirlos al minimo.

Early processing in the human lateral occipital complex is highly responsive to illusory contours but not to salient regions.

Human electrophysiological studies support a model whereby sensitivity to so-called illusory contour stimuli is first seen within the lateral occipital complex. A challenge to this model posits that the lateral occipital complex is a general site for crude region-based segmentation, based on findings of equivalent hemodynamic activations in the lateral occipital complex to illusory contour and so-called salient region stimuli, a stimulus class that lacks the classic bounding contours of illusory contours. Using high-density electrical mapping of visual evoked potentials, we show that early lateral occipital cortex activity is substantially stronger to illusory contour than to salient region stimuli, whereas later lateral occipital complex activity is stronger to salient region than to illusory contour stimuli. Our results suggest that equivalent hemodynamic activity to illusory contour and salient region stimuli probably reflects temporally integrated responses, a result of the poor temporal resolution of hemodynamic imaging. The temporal precision of visual evoked potentials is critical for establishing viable models of completion processes and visual scene analysis. We propose that crude spatial segmentation analyses, which are insensitive to illusory contours, occur first within dorsal visual regions, not the lateral occipital complex, and that initial illusory contour sensitivity is a function of the lateral occipital complex.

Reconstituted human polyclonal plasma-derived secretory-like IgM and IgA maintain the barrier function of epithelial cells infected with an enteropathogen.

Intravenous administration of polyclonal and monoclonal antibodies has proven to be a clinically valid approach in the treatment, or at least relief, of many acute and chronic pathologies, such as infection, immunodeficiency, and a broad range of autoimmune conditions. Plasma-derived IgG or recombinant IgG are most frequently used for intravenous or subcutaneous administration, whereas a few IgM-based products are available as well. We have established recently that secretory-like IgA and IgM can be produced upon association of plasma-derived polymeric IgA and IgM with a recombinant secretory component. As a next step toward potential future mucosal administration, we sought to unravel the mechanisms by which these secretory Igs protect epithelial cells located at the interface between the environment and the inside of the body. By using polarized epithelial Caco-2 cell monolayers and Shigella flexneri as a model enteropathogen, we found that polyspecific plasma-derived SIgA and SIgM fulfill many protective functions, including dose-dependent recognition of the antigen via formation of aggregated immune complexes, reduction of bacterial infectivity, maintenance of epithelial cell integrity, and inhibition of proinflammatory cytokine/chemokine production by epithelial cells. In this in vitro model devoid of other cellular or molecular interfering partners, IgM and secretory IgM showed stronger bacterial neutralization than secretory IgA. Together, these data suggest that mucosally delivered antibody preparations may be most effective when combining both secretory-like IgA and IgM, which, together, play a crucial role in preserving several levels of epithelial cell integrity.

Mutant p53 promotes epithelial-mesenchymal plasticity and enhances metastasis in mammary carcinomas of WAP-T mice.

To study the postulated mutant p53 (mutp53) "gain of function" effects in mammary tumor development, progression and metastasis, we crossed SV40 transgenic WAP-T mice with mutant p53 transgenic WAP-mutp53 mice. Compared to tumors in monotransgenic WAP-T mice, tumors in bitransgenic WAP-T x WAP-mutp53 mice showed higher tumor grading, enhanced vascularization, and significantly increased metastasis. Bitransgenic tumors revealed a gene signature associated with the oncogenic epithelial-mesenchymal transition pathway (EMT gene signature). In cultures of WAP-T tumor-derived G-2 cancer cells, which are comprised of subpopulations displaying "mesenchymal" and "epithelial" phenotypes, this EMT gene signature was associated with the "mesenchymal" compartment. Furthermore, ectopic expression of mutp53 in G-2 cells sufficed to induce a strong EMT phenotype. In contrast to these in vitro effects, monotransgenic and bitransgenic tumors were phenotypically similar suggesting that in vivo the tumor cell phenotype might be under control of the tumor microenvironment. In support, orthotopic transplantation of G-2 cells as well as of G-2 cells expressing ectopic mutp53 into syngeneic mice resulted in tumors with a predominantly epithelial phenotype, closely similar to that of endogenous primary tumors. We conclude that induction of an EMT gene signature by mutp53 in bitransgenic tumors primarily promotes tumor cell plasticity, that is, the probability of tumor cells to undergo EMT processes under appropriate stimuli, thereby possibly increasing their potential to disseminate and metastasize.

Cutting edge: IL-1α is a crucial danger signal triggering acute myocardial inflammation during myocardial infarction.

Myocardial infarction (MI) induces a sterile inflammatory response that contributes to adverse cardiac remodeling. The initiating mechanisms of this response remain incompletely defined. We found that necrotic cardiomyocytes released a heat-labile proinflammatory signal activating MAPKs and NF-κB in cardiac fibroblasts, with secondary production of cytokines. This response was abolished in Myd88(-/-) fibroblasts but was unaffected in nlrp3-deficient fibroblasts. Despite MyD88 dependency, the response was TLR independent, as explored in TLR reporter cells, pointing to a contribution of the IL-1 pathway. Indeed, necrotic cardiomyocytes released IL-1α, but not IL-1β, and the immune activation of cardiac fibroblasts was abrogated by an IL-1R antagonist and an IL-1α-blocking Ab. Moreover, immune responses triggered by necrotic Il1a(-/-) cardiomyocytes were markedly reduced. In vivo, mice exposed to MI released IL-1α in the plasma, and postischemic inflammation was attenuated in Il1a(-/-) mice. Thus, our findings identify IL-1α as a crucial early danger signal triggering post-MI inflammation.

Body context and posture affect mental imagery of hands.

Different visual stimuli have been shown to recruit different mental imagery strategies. However the role of specific visual stimuli properties related to body context and posture in mental imagery is still under debate. Aiming to dissociate the behavioural correlates of mental processing of visual stimuli characterized by different body context, in the present study we investigated whether the mental rotation of stimuli showing either hands as attached to a body (hands-on-body) or not (hands-only), would be based on different mechanisms. We further examined the effects of postural changes on the mental rotation of both stimuli. Thirty healthy volunteers verbally judged the laterality of rotated hands-only and hands-on-body stimuli presented from the dorsum- or the palm-view, while positioning their hands on their knees (front postural condition) or behind their back (back postural condition). Mental rotation of hands-only, but not of hands-on-body, was modulated by the stimulus view and orientation. Additionally, only the hands-only stimuli were mentally rotated at different speeds according to the postural conditions. This indicates that different stimulus-related mechanisms are recruited in mental rotation by changing the bodily context in which a particular body part is presented. The present data suggest that, with respect to hands-only, mental rotation of hands-on-body is less dependent on biomechanical constraints and proprioceptive input. We interpret our results as evidence for preferential processing of visual- rather than kinesthetic-based mechanisms during mental transformation of hands-on-body and hands-only, respectively.

High mobility group box 1 protein (HMGB-1): a pathogenic role in preeclampsia?

We evaluated whether preeclampsia is associated with elevated circulating levels of High mobility group box 1 protein (HMGB-1), a nuclear protein with proinflammatory effects when released extracellularly. We enrolled 48 women, 32 in third trimester pregnancy (16 with, 16 without preeclampsia), and 16 healthy non pregnant. In the peripheral blood of pregnant women, HMGB-1 concentration was assessed serially, before and after delivery. With or without preeclampsia, third trimester pregnancy was associated with elevated levels of HMGB-1. This elevation is exaggerated in preeclampsia. The source of HMGB-1 observed in these conditions is likely to involve tissues other than the placenta itself.

Effects of antibacterial agents and drugs monitored by atomic force microscopy.

Originally invented for topographic imaging, atomic force microscopy (AFM) has evolved into a multifunctional biological toolkit, enabling to measure structural and functional details of cells and molecules. Its versatility and the large scope of information it can yield make it an invaluable tool in any biologically oriented laboratory, where researchers need to perform characterizations of living samples as well as single molecules in quasi-physiological conditions and with nanoscale resolution. In the last 20 years, AFM has revolutionized the characterization of microbial cells by allowing a better understanding of their cell wall and of the mechanism of action of drugs and by becoming itself a powerful diagnostic tool to study bacteria. Indeed, AFM is much more than a high-resolution microscopy technique. It can reconstruct force maps that can be used to explore the nanomechanical properties of microorganisms and probe at the same time the morphological and mechanical modifications induced by external stimuli. Furthermore it can be used to map chemical species or specific receptors with nanometric resolution directly on the membranes of living organisms. In summary, AFM offers new capabilities and a more in-depth insight in the structure and mechanics of biological specimens with an unrivaled spatial and force resolution. Its application to the study of bacteria is extremely significant since it has already delivered important information on the metabolism of these small microorganisms and, through new and exciting technical developments, will shed more light on the real-time interaction of antimicrobial agents and bacteria.

Calcium imaging of odor-evoked responses in the Drosophila antennal lobe.

The antennal lobe is the primary olfactory center in the insect brain and represents the anatomical and functional equivalent of the vertebrate olfactory bulb. Olfactory information in the external world is transmitted to the antennal lobe by olfactory sensory neurons (OSNs), which segregate to distinct regions of neuropil called glomeruli according to the specific olfactory receptor they express. Here, OSN axons synapse with both local interneurons (LNs), whose processes can innervate many different glomeruli, and projection neurons (PNs), which convey olfactory information to higher olfactory brain regions. Optical imaging of the activity of OSNs, LNs and PNs in the antennal lobe - traditionally using synthetic calcium indicators (e.g. calcium green, FURA-2) or voltage-sensitive dyes (e.g. RH414) - has long been an important technique to understand how olfactory stimuli are represented as spatial and temporal patterns of glomerular activity in many species of insects. Development of genetically-encoded neural activity reporters, such as the fluorescent calcium indicators G-CaMP and Cameleon, the bioluminescent calcium indicator GFP-aequorin, or a reporter of synaptic transmission, synapto-pHluorin has made the olfactory system of the fruitfly, Drosophila melanogaster, particularly accessible to neurophysiological imaging, complementing its comprehensively-described molecular, electrophysiological and neuroanatomical properties. These reporters can be selectively expressed via binary transcriptional control systems (e.g. GAL4/UAS, LexA/LexAop, Q system) in defined populations of neurons within the olfactory circuitry to dissect with high spatial and temporal resolution how odor-evoked neural activity is represented, modulated and transformed. Here we describe the preparation and analysis methods to measure odor-evoked responses in the Drosophila antennal lobe using G-CaMP. The animal preparation is minimally invasive and can be adapted to imaging using wide-field fluorescence, confocal and two-photon microscopes.

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.

Identification of CARDIAK, a RIP-like kinase that associates with caspase-1.

Members of the tumor necrosis factor receptor (TNFR) superfamily have an important role in the induction of cellular signals resulting in cell growth, differentiation and death. TNFR-1 recruits and assembles a signaling complex containing a number of death domain (DD)-containing proteins, including the adaptor protein TRADD and the serine/threonine kinase RIP, which mediates TNF-induced NF-kappa B activation. RIP also recruits caspase-2 to the TNFR-1 signaling complex via the adaptor protein RAIDD, which contains a DD and a caspase-recruiting domain (CARD). Here, we have identified a RIP-like kinase, termed CARDIAK (for CARD-containing interleukin (IL)-1 beta converting enzyme (ICE) associated kinase), which contains a serine/threonine kinase domain and a carboxy-terminal CARD. Overexpression of CARDIAK induced the activation of both NF-kappa B and Jun N-terminal kinase (JNK). CARDIAK interacted with the TNFR-associated factors TRAF-1 and TRAF-2, and a dominant-negative form of TRAF-2 inhibited CARDIAK-induced NF-kappa B activation. Interestingly, CARDIAK specifically interacted with the CARD of caspase-1 (previously known as ICE), and this interaction correlated with the processing of pro-caspase-1 and the formation of the active p20 subunit of caspase-1. Together, these data suggest that CARDIAK may be involved in NF-kappa B/JNK signaling and in the generation of the proinflammatory cytokine IL-1 beta through activation of caspase-1.

Beclin 1-independent autophagy contributes to apoptosis in cortical neurons.

Neuronal autophagy is enhanced in many neurological conditions, such as cerebral ischemia and traumatic brain injury, but its role in associated neuronal death is controversial, especially under conditions of apoptosis. We therefore investigated the role of autophagy in the apoptosis of primary cortical neurons treated with the widely used and potent pro-apoptotic agent, staurosporine (STS). Even before apoptosis, STS enhanced autophagic flux, as shown by increases in autophagosomal (LC3-II level, LC3 punctate labeling) and lysosomal (cathepsin D, LAMP1, acid phosphatase, β-hexasominidase) markers. Inhibition of autophagy by 3-methyladenine, or by lentivirally-delivered shRNAs against Atg5 and Atg7, strongly reduced the STS-induced activation of caspase-3 and nuclear translocation of AIF, and gave partial protection against neuronal death. Pan-caspase inhibition with Q-VD-OPH likewise protected partially against neuronal death, but failed to affect autophagy. Combined inhibition of both autophagy and caspases gave strong synergistic neuroprotection. The autophagy contributing to apoptosis was Beclin 1-independent, as shown by the fact that Beclin 1 knockdown failed to reduce it but efficiently reduced rapamycin-induced autophagy. Moreover the Beclin 1 knockdown sensitized neurons to STS-induced apoptosis, indicating a cytoprotective role of Beclin 1 in cortical neurons. Caspase-3 activation and pyknosis induced by two other pro-apoptotic stimuli, MK801 and etoposide, were likewise found to be associated with Beclin 1-independent autophagy and reduced by the knockdown of Atg7 but not Beclin 1. In conclusion, Beclin 1-independent autophagy is an important contributor to both the caspase-dependent and -independent components of neuronal apoptosis and may be considered as an important therapeutic target in neural conditions involving apoptosis.

Acid-sensing ion channels : modulation by serine-proteases and involvement in acid-induced action potential generation in hippocampal neurons

SUMMARY Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage gated sodium channels. They are activated by rapid extracellular acidification and generate an inactivating inward current. Four ASIC genes have been cloned: ASIC1, 2, 3 and 4, with variants a and b for ASIC1and AS1C2. ASICs are expressed in neurons of the central (CNS) and peripheral nervous system (PNS). In the CNS, ASICs have a role in learning, memory, as well as in neuronal death in ischemia. In the PNS, ASICs are involved in the perception of acid-induced pain, as well as in mechanoperception. In one part of my thesis project, we addressed the question of the mechanism of regulation of ASIC1 a by the serine protease trypsin at the molecular level. Trypsin modifies the function of ASIC1 a but not of ASIC1b. In order to identify the channel region responsible for this effect, we created chimeras between ASIC1 a and 1b. Subsequently, to identify the exact trypsin target(s), we mutated predicted trypsin sites in the region identified by the chimera. In the second part of a project, we investigated the role of ASICs at the cellular level, in neuronal signaling. Using the whole-cell patch clamp in hippocampal neuronal culture, we studied the potential involvement of ASICs in action potential (AP) generation. In the first part of the thesis work, we showed that trypsin modifies ASIC1a function: it shifts the pH activation and the steady-state inactivation curve towards more acidic values and accelerates the time course of the channel recovery from inactivation. We also showed that trypsin cleaves ASIC1a and that the functional effect and a channel cleavage correlate. In the inactivated state, channels cannot be modified by trypsin. Cleavage occurs in a channel region that is also important for inactivation of all ASICs; a part of this region is critical for the inhibition of ASIC1 a by the spider toxin Psalmotoxin1. In the second part of the thesis work, we showed that ASIC activity can modulate AP generation. ASIC activity by itself can induce trains of APs. In situations in which this activity by itself is not sufficient to induce APs, it can contribute to AP generation. During high neuronal activity, ASIC activity can block already existing trains of APs. In conclusion, depending on the activity of neuron in a particular moment, ASICs can differently modulate AP generation; they can induce, facilitate or inhibit APs. We also showed that trypsin changes the capability of ASICs to modulate AP generation by shifting the pH dependence to more acidic values, which adapts channel gating to pH conditions which may occur in pathological conditions such as ischemia. Our finding that trypsin modifies ASIC1 a function identifies a novel pharmacological tool, and proposes a mechanism of ASIC1a regulation that may have a physiological importance. The identification of the exact site of trypsin action gives insight to the molecular mechanisms of ASIC regulation. This work proposes a role in modulation of AP generation for ASICs in the CNS. RESUME Les canaux ASIC sont les canaux ioniques activés par l'acidification rapide extracellulaire. Activés, ils génèrent un courant entrant qui inactive en présence de stimulus acide. Quatre gènes ASIC ont été clonés, ASIC1, 2, 3 et 4, avec les variants a et b pour ASIC1 et 2. Les ASICs sont exprimés dans les neurones du système nerveux central (SNC) et périphérique (SNP). Dans le SNC, les ASIC ont un rôle dans le mémoire, apprentissage et la mort neuronale dans t'ischémie. Dans le SNP, ils ont un rôle dans la perception de la douleur et méchanosensation. Dans une partie de mon projet de thèse, nous avons étudié les mécanismes de la régulation d'ASIC1a par la sérine-protéase trypsine au niveau moléculaire. La trypsine modifie la fonction d'ASIC1a et pas ASIC1b. Nous avons créé les chimères entre ASIC1 a et 1 b, afin d'identifier la région du canal responsable pour l'effet. Pour identifier le(s) site(s) exactes de l'action de la trypsine, nous avons muté les sites potentiels de la trypsine dans la région identifiée par les chimères. Dans la deuxième partie du projet, nous avons étudié le rôle des ASICs au niveau cellulaire. En utilisant la technique du patch clamp dans les cultures des neurones de l'hippocampe, nous avons étudié l'implication des ASICs dans la génération des potentiels d'action (PA). Nous avons montré que la trypsine agit sur le canal ASIC1a ; elle décale l'activation et « steady-state » inactivation vers les valeurs plus acides, et elle raccourcit le temps du « recovery » du canal. La trypsine coupe ASIC1a sur le résidu K145 et l'effet fonctionnel et la coupure corrèlent. Nous avons identifié la région du canal responsable pour l'inactivation de tous les ASICs ; une partie de cette région est responsable pour ['inhibition d'ASIC1 a par la Psalmotoxinel . Nous avons montré que les ASICs peuvent moduler la génération des PAs. L'activité des ASICs peut induire les trains des PAs. Quand l'activité des ASICs n'est pas suffisante pour induire le PA, elle peut contribuer à sa génération. Pendant l'activité neuronale forte, l'activité des ASICs peut bloquer les trains des PAs qui existent déjà. En conclusion, dépendant de l'activité neuronale, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs différemment ; ils peuvent induire, faciliter ou inhiber les PAs. La trypsine change la capacité des ASICs de moduler les PAs. Après l'action de la trypsine, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs dans les conditions légèrement acides, suivies par les fluctuations du pH acide, qui peuvent exister dans l'ischémie. Le fait que la trypsine agit sur ASIC1a définit l'outil pharmacologique et propose le mécanisme de la régulation d'ASICI a qui pourrait avoir l'importance physiologique. L'identification du site de l'action de la trypsine éclaircit les mécanismes moléculaires de la régulation des ASICs. Cette étude propose un rôle des ASICs dans la modulation de la génération des PAs. Résumé pour le public large Les neurones sont les cellules de système nerveux dont la fonction est la signalisation. Comme toutes les autres cellules, les neurones ont une membrane qui sépare l'intérieur du milieu extérieur. Cette membrane est imperméable pour des particules chargées (ions). Dans cette membrane existent les protéines spécifiques, « canaux », qui permettent le transport des ions d'un côté de la membrane à l'autre, comme réponse aux stimuli différents. Ce transport des ions à travers la membrane génère un courant, qu'on peut mesurer. Ce courant est la base de la communication entre les neurones, ou, ce qu'on appelle la signalisation neuronale. Quand ce courant est suffisamment grand, il permet la génération du potentiel d'action, qui est le message principal de communication neuronale. Les canaux ASIC (acid-sensing ion channel), que nous étudions dans le laboratoire, sont activés par les acides. Les acides sont relâchés dans beaucoup de situations dans le système nerveux. Les ASIC ont été découverts récemment (en 1996), et nous ne connaissons pas encore très bien toutes les fonctions de ces canaux. Nous savons qu'ils ont un rôle dans le mémoire, apprentissage, la sensation de la douleur et l'infarctus cérébral. Dans la première partie de ce projet de thèse, nous avons voulu mieux comprendre comment fonctionnent ces canaux. Pour faire ça, nous avons étudié la régulation des ASICs par une protéine, trypsine, qui coupe le canal ASIC. Nous avons étudié ou exactement la trypsine coupe le canal et quels effets ça produit sur la fonction du canal. Dans la deuxième partie du projet de thèse, nous avons voulu mieux connaître comment le canal fonctionne au niveau de la cellule, comment il interagit avec les autres canaux et si il a un rôle dans la génération des potentiels d'action. Nous avons pu montrer que la trypsine change la fonction du canal, ce qui lui permet de fonctionner différemment. Nous avons aussi déterminé ou exactement ta trypsine coupe le canal. Au niveau de la cellule, nous avons montré que les ASIC peuvent moduler la génération des potentiels d'action, étant, dépendant de l'activité du neurone, soit activateurs, soit inhibiteurs. La trypsine est une molécule qui peut être libérée dans le système nerveux pendant certaines conditions, comme l'infarctus cérébral. A cause de ça, les connaissances que la trypsine agit sur le anal ASIC pourraient être important physiologiquement. La connaissance de l'endroit exacte ou la trypsine coupe le canal nous aide à mieux comprendre la relation structure-fonction du canal. La modulation de la génération des potentiels d'actions par les ASIC indique que ces canaux peuvent avoir un rôle important dans la signalisation neuronale.

Function and regulation of the scaffold protein IB1/JIP-1 in the uro-genital tract.

RESUME Ce mémoire de thèse traite de l'étude de la « scaffold »protéine ou protéine «échafaud», « Islet-Brain1/ JNK Interacting Protein 1 » (IB1/JIP-1) dans la vessie et la prostate, deux organes importants de l'appareil uro-genital. Cette protéine, mise en évidence dans notre laboratoire à la fin des année 90, a été reconnue pour réguler la voie de signalisation des « Mitogen-Activated Protein Kinases » (MAPKs), et en particulier de la MAPK appelée c-Jun N-terminal Kinase (JNK). Le réseau de voie de signalisation permet aux cellules de percevoir les changements dans le milieu extracellulaire et de permettre une réponse appropriée à ces différents stimuli. La connaissance des voies de signalisation a permis de mettre en évidence leur rôle crucial tant dans l'homéostase des tissus sains que dans des processus pathologiques comme l'oncogenèse. Parmi une vingtaine de voie de signalisation, la voie de signalisation des «MAPKinases » est une des plus importantes et a été montrée pour participer à diverses fonctions cellulaires telles que la différentiation, la motilité, la division et la mort cellulaire. La voie de signalisation des « MAPKinases » est typiquement constituée d'un module de trois kinases qui s'activent séquentiellement par phosphorylation. On note la présence d'une MAPK, d'un activateur de MAPK et d'un activateur de l'activateur de MAPK. Une fois la MAPK activée, elle permettra la régulation de différentes cibles dont certain facteur de transcription. Chez les mammifères, il existe 3 grands groupes de MAPKs : the extracellular signal-regulated kinase 1 and 2 (ERK 1/2) cascade, qui régule préférentiellement la croissance et la différentiation cellulaire, ainsi que les cascades JNK et p38 qui régulent préférentiellement la réponse à différents stress cellulaires telle que l'inflammation ou l'apoptose. JNK est activé par différents stress cellulaire telle que les cytokines inflammatoires. JNK est également requis au cours du développement embryonnaire et contribue à la mort (apoptose) ou à la prolifération cellulaire. Plusieurs études ont mis en évidence le rôle de JNK durant le processus tumoral, sans que son rôle soit clairement identifié. JNK pourrait avoir des fonctions différentes durant l'initiation puis de la progression tumorale. Chez les mammifères, les voies de signalisation intracellulaires forment un réseau complexe et elles interagissent entre elles, ce qui permet aux cellules une réponse adéquate aux multitudes de stimuli existants dans les organismes pluricellulaires. Parmi plusieurs mécanismes de régulation, les protéines dites « scaffold » ou «échafaud » jouent un rôle crucial dans l'homéostase de la voie de signalisation des «MAPKinase ». L'introduction revoit brièvement ces différents aspects, de la voie de signalisation des «MAPKinase et des connaissance sur IB1/JIP-1. Les premières études effectuées sur IB1/JIP-1 ont montré une expression relativement spécifique de cette protéine dans certains types de neurones ainsi que dans la cellule beta-sécrétrice d'insuline. IB1/JIP-1 régule la voie de signalisation JNK par interaction avec les différents composants du module, modifiant ainsi le spectre de substrats activés par JNK. La fonction précise de IB1/JIP-1 n'était pas encore élucidée, mais plusieurs travaux mettaient en lumière un rôle dans la régulation, et la sous-location cellulaire des composants de la voie de signalisation JNK, ainsi que dans la survie cellulaire à certain stress. Cette expression relativement spécifique est intrigante car elle suggère que sa présence serait nécessaire à une régulation spécifique de la MAPKinase JNK ou à certaines autres fonctions cellulaires également spécifiques de certains tissus. Le premier but de ce travail a consisté à mettre en évidence l'expression de IB1/JIP-1 dans l'appareil uro-génital et plus particulièrement dans la vessie et la prostate. Nos résultats ont montré que IB1/JIP-1 est spécifiquement exprimé au niveau de l'urothélium vésical, mais pas dans le muscle lisse. Il en est de même au niveau de la prostate où IB1/JIP-1 est exprimé spécifiquement au niveau de l'épithélium sécrétoire et absent au niveau du stroma fibro-musculaire. La vessie et la prostate sont des organes ou l'activité JNK pourrait être crucial tant dans l' homeostase tissulaire que dans le développement de pathologies bénignes ou malignes. La vessie et la prostate sont le siège fréquent de tumeur. La base pour le développement du cancer est complexe et implique plusieurs anomalies génétiques. Ce processus complexe lié au développement tumoral est encore loin d`être complètement élucidé, raison pour laquelle il est crucial de poursuivre l'étude des différents gènes pouvant être impliqué dans ces processus ou pouvant être utilisé comme outil thérapeutique. Dans l'urothelium de la vessie, la fonction de la MAPK JNK n'a été que très peu étudiée. Il existe quelques études, in vitro, suggérant une implication possible de cette voie de signalisation dans des processus telle que le développement ou la progression tumorale. Le chapitre 1 décrit une étude in vivo dans la vessie un modèle de stress mécanique, connu pour activer les MAPKinase. La dilatation vésicale, due à une obstruction urétrale, a mis en évidence une diminution de l'expression de IB1/JIP-1 ainsi qu'une activation de la MAPKinase JNK. Dans ce modèle, la régulation de IB1/JIP-1, par l'intermédiaire d'un vecteur viral, a permis de démontrer que IB1/JIP-1 régulait l'activité de JNK dans ce tissu. Pour poursuivre l'étude de cette fonction d' IB1/JIP-1 dans l'urothélium, nous avons investigué l'activité JNK dans des souris génétiquement modifiées et porteuse d'une délétion de 1 des 2 allèles du gène codant pour IB1/JIP-1, avec un contenu en IB1/JIP-1 diminué de moitié. L'activation de JNK est également augmentée dans l'urothelium au repos de ces souris, ce qui confirme la fonction régulatrice de JNK par IB1/JIP-1. Ces résultats ont permis de mettre en évidence un rôle critique de celle-ci dans l'homéostase de I`urothelium et suggère une nouvelle cible pour réguler la voie de signalisation dans ce tissu. En outre, la modulation des niveaux d'expression d'IB1/JIP-1 dans la vessie, in vivo, par l'intermédiaire de vecteurs viraux s'est révélée réalisable et indique un moyen élégant pour développer une thérapie génique dans cet organe. Un autre élément de ce travail de thèse, révélée au chapitre 2, a été d'étudier la régulation dans la vessie de rat de la communication intercellulaire de type « GAP ». Les cellules adjacentes partagent des ions, messagers secondaires et des petits métabolites par l'intermédiaire de canaux intercellulaire qui forment les jonctions de type « GAP ». Ce type de communications intercellulaire permet une activité cellulaire coordonnée, une caractéristique importante pour l'homéostase des organismes multicellulaire. Ce type de communication intercellulaire est formé de 2 demi-canaux appelés connexons. Chaque connexon est formé de six protéines appelées connexins (Cx). Il existe environ vingt connexines différentes nommées par leur poids moléculaire respectif. Les jonctions de type canaux "GAP" permettent aux cellules de communiquer avec les cellules voisines au quelles elles sont mécaniquement ou électriquement couplées. La vessie peut être particulièrement dépendante de la communication intercellulaire par les canaux « Gap » qui permettrait de coordonner la réponse de la musculature ainsi que de l'urothélium à l'augmentation de la pression transmurale du à l'accumulation d'urine, situation fréquemment observée dans le cadre de l'hyperplasie bénigne de la prostate. Dans la vessie de rat, la connexine26 est exprimée uniquement dans l'urothelium. La Cx26, a été montrée pour être un possible « tumor suppressor gene » dans le cancer de vessie. Une augmentation de la Cx26 ainsi que du couplage des cellules urothéliales a été démontré dans notre modèle de stress mécanique sur la vessie de rat et est dépendante de 2 éléments de réponses connues pour interagir avec AP-1. La régulation de IB1/JIP-1 a permis de montrer que celle-ci régulait l'activité JNK, ainsi que l'activité du facteur de transcription AP-1, composé de c-Jun lui-même cible de JNK. Cette réduction de l'activité de AP-1 est associée à une diminution de l'expression du transcipt de la Cx26. En résumé, la Cx26 pourrait être régulée par le complexe AP-1 lui-même dépendant du contenu en IB1/JIP-1. Dans le chapitre 3, l'étude de IB1/J1P-1 s'est portée sur la prostate. Cet organe, siège fréquent de pathologie telle que le cancer ou l'hyperplasie bénigne de la prostate, exprime IB1/JIP-1 au niveau de son épithélium sécrétoire. Cette expression est maintenue dans une lignée cellulaire humaine largement étudiée est reconnue comme un modèle adéquat de cellules tumorales de type androgène-sensible. IB1/JIP-1 a été investigué dans un modèle in vitro d'apoptose en réponse à un agent appelé N-(4-hydroxyphenyl)retinamide (4-HPR) qui induit une activation de la MAPK JNK ainsi que également un diminution du contenu en IB1/JIP-1. La surexpression de IB1/JIP-1 en utilisant à nouveau des virus comme vecteur a démontré que IB1/JIP-1 était capable de réguler l'activité de JNK ainsi que les taux d'apoptose. Dans le cancer de la prostate, certains travaux ont montré que la différentiation neuroendocrine des cellules tumorales est associée à la progression tumorale et à la perte de sensibilité aux androgènes. Ce travail a permis de dévoiler l'augmentation d'expression de IB1/JIP-1 dans un modèle de neurodifferentiation des cellules d'une lignée prostatique humaine (LNCaP). Les mécanismes qui permettent une expression spécifique de IB1/JIP-1 ont été partiellement investiguée dans notre laboratoire. Son promoteur humain contient un « Neuron Restricive Silencer Element » (NRSE) connu pour se lier a répresseur transcriptionel appelé « RE-1 Silencer Transcription Factor » ou « Neuron Restrictive Silencer Factor » (REST/NRSF). NRSF/REST est capable de réprimer l'expression de gènes neuronaux en dehors du système neuronal. Il prend part à la différentiation terminale des gènes neuronaux. Dans le chapitre 3, on observe que l'activité de REST/NRSF est diminuée dans les cellules LNCaP qui se transdifferencient de manière neuroendocrine, et que REST/NRSF est capable de moduler l'expression de ces gènes cibles dans ce type cellulaire. Ces travaux laissent suggérer que NRSF/REST participe à l'acquisition du phénotype neuroendocrinien et pourrait être une cible pour réguler ce phénomène. En conclusion, ce travail de thèse présente l'expression de IB1/JIP-1 dans 2 organes de l'appareil uro-génital ; la vessie et la prostate. La fonction de IB1/JIP-1 a été étudiée in vivo dans la vessie de rat, ce qui a mis en évidence sa fonction régulatrice de l'activité de la MAPKinase JNK, et de l'activité du facteur de transcription AP-1 ; ainsi que sa possible implication régulatrice de gène cible tel que la Connexin 26 (Cx26). AP-1 et la Cx26 pourraient jouer un rôle dans le processus oncologique, tant dans le control de l'invasion cellulaire ou le control de la croissance cellulaire. Dans la prostate, IB1/JIP-1 régule également l'activité JNK; crucial dans la transmission de certains stimulis pro-apoptotiques. Dans un modèle de transdifférenciation neuroendocrinienne, phénotype possiblement lié au caractère agressif du cancer de la prostate, l'expression de IB1/JIP-1 est augmenté, suggérant soit un rôle possible dans le développement du phénotype neuronal ou une implication dans une fonction anti-apoptotique. Ce travail a donc permis d'élargir nos connaissances sur la régulation et le control de la voie de signalisation des MAPKinases par IB1/JIP-1, qui pourrait avoir encore d'autres fonctions dans ces tissus.

Respiratory responses during affective picture viewing

Previous research has demonstrated covariation of physiological responding with judgments of valence and arousal. However, until now links between these affective dimensions and respiratory measures have not been extensively investigated. In this study, eight picture series of different affective valence and arousal level were shown to 30 subjects, while respiration, skin conductance level (SCL), heart rate (HR) and affective judgments were measured. With increasing pleasantness, inspiratory time lengthened, mean inspiratory flow decreased and thoracic breathing increased. With increasing arousal, inspiratory time and total breath duration shortened and mean inspiratory flow, minute ventilation, thoracic breathing and electrodermal activity increased. These findings confirm the importance of arousal in respiratory responding, but also indicate a modulatory role of affective valence.We propose that the arousal effects reflect energy mobilization in preparation to act, and thatthe valence effects might be a manifestation of an attention bias toward negative stimuli. [Authors]