Cortical origin of functional recovery in the somatosensory cortex of the adult mouse after thalamic lesion

Résumé L'accident vasculaire cérébral sensoriel pur est un des syndromes lacunaires, dû à l'occlusion de petits vaisseaux cérébraux, souvent dans le cadre d'une lésion intéressant le noyau ventro-caudal du thalamus. Il produit un hémisyndrome sensitif pur, et parfois un syndrome douloureux se développe à distance de l'événement aigu. Afin d'étudier la récupération fonctionnelle dans le cortex somatosensoriel (SI) après une telle lésion dans le thalamus, un modèle de lésion excitotoxique a été développé dans le système somatosensoriel de la souris adulte, caractérisé par la présence de formations cytoarchitectoniques dans SI appelées "tonneaux". Chacun de ces tonneaux correspond à la représentation corticale d'une vibrisse du museau. L'activité métabolique a été mesurée dans SI à différents intervalles après la lésion, à l'aide de déoxyglucose marqué radioactivement. Dans les deux premiers jours suivant celle-ci, l'activité métabolique diminue de manière importante dans toutes les couches corticales, avec une atteinte plus marquée dans la couche IV, principale projection des axones thalamo-corticaux. Une récupération de l'activité métabolique se produit ensuite, d'autant plus marquée que le délai après la lésion est grand. Cette récupération s'observe dans toutes les couches coticales, les couches I et Vb récupérant plus rapidement que les couches II, III, IV, Va et VI. Cinq semaines après la lésion, l'absence des vibrisses correspondant à la partie déafférentée de SI diminue l'activité métabolique corticale de 32% et démontre l'activation par la périphérie de cette partie de l'écorce, malgré la perte des axones thalamo-corticaux provenant du noyau ventro-caudal. Des expériences de traçage rétrograde ont montré une augmentation des projections intracorticales sur la partie déafférentée de l'écorce, en particulier de longue distance, ainsi que des projections interhémisphériques, mais n'ont pas permis de mettre en évidence de nouvelle projection thalamique, indiquant une origine corticale à la récupération fonctionnelle observée. Abstract To study the degree and time course of the functional recovery in the somatosensory cortex (SI) after an excitotoxic lesion in the adult mouse thalamus, metabolic activity was determined in SI at various times points post lesion. Immediately after the lesion, metabolic activity in the thalamically deafferented part of SI was at its lowest value but increased progressively at subsequent time points. This was seen in all cortical layers, however, layers I and Vb recover more rapidly than layers II, III, IV, Va and VI. Removal of the mystacial whiskers corresponding to the deafferented area, 5 weeks after cortical recovery, produced a subsequent 32% drop in metabolic activity, demonstrating peripheral sensory activation of this part of the cortex. Tracing experiments revealed that the deafferented cortex did not receive a novel thalamic input, but cortico-cortical and contralateral barrel cortex projections to this area were reinforced. We conclude that the cortical functional recovery after a thalamic lesion is, at least partially, due to modified cortico-cortical and callosal projections to the deafferented cortical area.

Intracortical connectivity of layer VI pyramidal cells in the barrel cortex of mice

ABSTRACT : The whisker-to-barrel pathway of rodents is formed by a series of somatotopic projections from the mystacial whisker follicles to the layer IV of the primary somatosensory cortex such that each follicle corresponds to a cluster of cortical neurons called barrel. Barrels are present in layer IV but form part of functional columns that comprise the entire depth of the somatosensory cortex. Interestingly, the cortex of the barrelless mouse strain (BRL) is organized such a manner that thalamocortical afferents do not remodel their projections in layer IV and barrels fail to appear. Nevertheless, functionally, a columnar organization persists, indicating that functional columns are not only provided by thalamocortical projections and layer IV cells. Since in the visual cortex of cats, layer VI cells contribute to the response properties of layer IV neurons, we wonder whether layer VI pyramidal cells could contribute to the columnar organization of the primary somatosensory cortex of mice. To address -this question, we morphologically analyzed the distribution of intracortical axon collaterals of layer VI neurons after in-vivo juxtacellular injections of biocytin in the C2 barrel column. Injected hemispheres were tangentially serial cut and intracortical collaterals of individual layer VI neurons were reconstructed at the light microscopic level. The position of axonal boutons was recorded to evaluate the distribution of presumed synaptic contacts. In normal (NOR) mice, cluster analysis shows that layer VI pyramidal cells can be classified in four statistically different clusters of neurons. Moreover, we assume that two classes are formed by cortico-cortical neurons and two classes are formed by cortico-thalamic neurons. Looking at the direction of the main axon in the white matter, we noticed that its orientation correlates perfectly with the type of neuron: cortico-cortical neurons send main axon medially whereas cortico-thalamic neurons send main axon laterally. Performing the same study in the BRL strain, we showed that the BRL mutation affects layer VI pyramidal cells tangentially and radially: the effects of the mutation are illustrated by a significant decrease of the index of colurnnarization and a significant decrease of percentage of boutons in granular and supragranular layers comparing to NOR neurons. In spite of these differences, the same four classes of layer VI neurons have been found in BRL mice. Using a tangential analysis of the boutons distribution, we showed that putative synapses are distributed mainly in the C2 barrel column. This was observed for each layer, type of neuron, cluster or strain, indicating that layer VI pyramidal cells could participate to the functional columnar organization of the barrel cortex. To determine post-synaptic partners of layer VI neurons in layer IV, we conducted an ultrastructural analysis of layer VI-to-IV contacts. We showed that synapses principally occur on spines and spiny dendritic shafts, supposed to belong to excitatory neurons. We furthermore showed that pre-synaptic elements are significantly different between en passant and terminaux contacts, which support hypothesis that terminaux boutons should show longer duration of facilitation than en passant boutons. RÉSUMÉ : Le «whisker-to-barrel pathway» des rongeurs est caractérisé par une série de projections somatotopiques depuis les follicules des moustaches ('whiskers') jusqu'à la couche IV de l'aire somatosensorielle primaire, de telle façon que chaque follicule corresponde à un groupe de neurones corticaux appelés tonneaux (`barrels'). Les tonneaux sont seulement présents en couche IV mais font partie de colonnes fonctionnelles qui s'étendent sur toute la profondeur du cortex somatosensoriel. Chez les souris mutantes barrelless (BRL), le cortex somatosensoriel est organisé de façon telle que lés afférences thalamocorticales ne remodellent pas leurs projections en couche IV et que les tonneaux n'apparaissent pas. Fonctionnellement, pourtant, une organisation en colonnes persiste, ce qui indique que les colonnes fonctionnelles ne sont pas uniquement produites par les projections thalamocorticales et par les cellules de la couche IV. Puisque les cellules de la couche VI contribuent à influencer les réponses des cellules de la couche IV dans le cortex visuel du chat, nous nous sommes demandé si ces cellules ne pourraient pas aussi contribuer à l'organisation en colonnes du cortex somatosensoriel primaire de la souris. Pour répondre à cette question, nous avons analysé de façon morphologique la distribution intracorticale des collatéraux axonaux de neurones de la couche VI. Suite à des injections juxtacellulaires de biocytine in-vivo dans la colonne C2, les hémisphères cérébraux ont été tangentiellement coupés en série et les collatéraux intracorticaux des neurones de la couche VI ont été reconstruits en microscopie optique. La position des boutons axonaux a aussi été enregistrée pour évaluer la distribution des contacts synpptiques potentiels. Chez les souris NOR, une analyse multivariée montre que les cellules pyramidales de la couche VI sont distribuées en quatre classes. Deux de ces classes sont probablement formées de neurons cortico-corticaux, alors que les deux autres sont probablement formées de neurones corticothalamiques. En observant la direction de l'axone principal dans la matière blanche, nous avons noté que son orientation est parfaitement corrélée avec le type supposé de neurone : les neurones corticocorticaux envoient leurs axones principaux médiallement, alors que les neurons cortico-thalamiques envoient leurs axones principaux latéralement. En menant la même étude chez les souris BRL, nous avons montré que la mutation affecte les cellules pyramidales de la couche VI de façon tangentielle, mais aussi radiaire : les effets de 1a mutation se traduisent par une diminution significative de l'index de « columnarization » et de la connectivité en couches granulaire et supragranulaire. Malgré ces différences, les quatre mêmes classes de neurones ont été retrouvées. En utilisant une analyse tangentielle de la distribution des boutons, nous avons montré que les synapses potentielles sont distribuées principalement dans la colonne C2. Cette observation a été faite dans chaque couche, chaque type de neurones, chaque classe de neurones et chaque souche de souris, indicant que les cellules de la couche VI participent certainement à l'organisation en colonne du cortex somatosensoriel. Pour déterminer les partenaires post-synaptiques des cellules de la couche VI en couche IV, nous avons conduit une analyse ultrastructurelle de ces contacts. Nous avons montré que les synapses interviennent principalement sur les épines et sur les dendrites supposés appartenir à des cellules excitatrices. Nous avons aussi montré que les éléments pré-synaptiques de ces synapses sont significativement differents selon le type de bouton, en passant ou terminal, ce qui supporte l'hypothèse que les boutons terminaux seraient capables d'une plus longue facilitation.

MOLECULAR REORGANIZATION FOLLOWING SENSORY STIMULATION IN THE ADULT MOUSE BARREL CORTEX

Sensory information is an important factor in shaping neuronal circuits during development and adulthood. In the barrel cortex of adult rodents, cells from layer IV are able to adapt their functional state to an increased flow of sensory information from the mystacial whisker follicles. Previous studies in our group have shown that whisker stimulation induces the formation of inhibitory synapses in the corresponding barrel (Knott et al., 2002) and decreases neuronal responses toward the deflection of the stimulated whisker (Quairiaux et al., 2007). Together these observations have turned the barrel cortex into a model to study homeostatic plasticity. At the cellular level, neuronal activity triggers intracellular signaling cascades leading to a transcriptional response. To further characterize the molecular pathways involved in the synaptic changes after whisker stimulation in the adult mouse, a previous doctoral student in our group performed a microarray analysis on laser-dissected barrels in sections through layer IV. This study identified the regulation (up and down) of a series of genes in the stimulated barrels (thesis of Johnston-Wenger, 2010). We here focused on ten genes that presented the highest fold change according to the microarray analysis. Out of these genes, 7 are known as neuronal activity-dependent genes (Tnncl, Nptx2, Sorcs3, Ptgs2, Nr4a2, Npas4 and Adcyapl) whereas three have so far not been related to neuronal plasticity (Scn7a, Pcdhl5 and Cede3). The study aimed at confirming the results of the microarray analysis and localizing molecular modifications in the stimulated barrel column at the cellular level. In situ hybridization for Pcdhl5 after different periods of whisker stimulation (3, 6, 9, 15, 24 hrs) allowed us to confirm that the 1.25 fold change used for the microarray analysis is an appropriate threshold for considering a regulation significant after sensory-stimulation. Moreover, we confirmed with in situ hybridization a significant upregulation of the genes of interest in the stimulated barrels. In situ hybridization and immunohistochemistry allowed us to observe the distribution of the genes of interest and the corresponding protein products at the cellular level. Three observations were made: 1) alterations of the expression was restricted to the stimulated barrels for all genes tested; 2) within a barrel column not all cells responded to whisker stimulation with an altered gene expression; 3) in the stimulated barrels, two different patterns of mRNA and protein expression can be distinguished. We hypothesize that this segregation of the activity-induced gene expression reflects the segregation of the two principal thalamocortical pathways conveying the sensory information to the barrel cortex. Moreover, only neurons reaching the critical threshold will modify their gene expression program resulting in structural as well as physiological modifications that prevent the subsequent propagation of the excess of excitation to the postsynaptic targets. The activity-induced gene expression is therefore adapted in a cell-type-specific manner to induce a homeostatic response to the entire neuronal network involved in the integration of the sensory information. This to our knowledge the first study showing the distinct, but complementary contribution of the two thalamocortical pathways in experience-dependent plasticity in the adult mouse barrel cortex. -- L'information sensorielle nous permet de continuellement façonner nos circuits neuronaux autant durant le développement qu'à l'âge adulte. Chez le rongeur l'information sensorielle perçue par les vibrisses est intégrée au niveau du cortex somatosensoriel primaire (appelé en anglais « barrel cortex ») dont les cellules de la couche IV sont capables d'adapter leur état fonctionnel en réponse à une augmentation d'activité neuronale. Ce modèle expérimental a permis à notre groupe de recherche d'observer des changements rapides du circuit neuronal en fonction de l'activité sensorielle. En effet, la stimulation continue d'une vibrisse d'une souris adulte pendant 24 heures induit non seulement un remaniement synaptique (Knott et al., 2002), mais également des changements physiologiques au niveau des neurones du tonneau correspondant (Quairiaux et al., 2007). Ces observations nous permettent d'affirmer que le « barrel cortex » est un modèle approprié pour y étudier la plasticité synaptique. Au niveau cellulaire, l'activité neuronale déclenche des cascades de signalisation intracellulaire résultant en une réponse transcriptionnelle. Afin de caractériser les voies moléculaires impliquées dans la plasticité synaptique, une puce à ARN nous a permis de comparer l'expression de gènes entre un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée et un tonneau d'une vibrisse non-stimulée (Nathalie). Cette analyse a révélé un certain nombre de gènes régulés de manière positive ou négative par l'augmentation de l'activité neuronale. Nous nous sommes concentrés sur 10 gènes dont l'expression est fortement régulée. L'expression de sept d'entre eux a déjà été démontrée comme dépendante de l'activité neuronale (Tnncl, Nptx2, Sorcs3, Ptgs2, Nr4a2, Npas4 otAdcyapl) alors que l'expression des trois autres (Scn7a, Pcdhl5 et Cedei) n'a pour le moment pas encore été liée à la plasticité neuronale. Le but de cette thèse est de confirmer les résultats de la puce à ARN et de déterminer dans quel type cellulaire ces gènes sont exprimés. L'hybridation in situ pour le gène Pcdhl5, après différentes périodes de stimulation des vibrisses (3, 6, 9, 15 et 24 heures), nous a permis de confirmer que le seuil de 1.25x utilisé dans l'analyse de la puce à ARN est approprié pour considérer qu'un gène est régulé de manière significative par la stimulation sensorielle. Nous avons également pu confirmer à l'aide de cette technique que la stimulation sensorielle augmente significativement l'expression de ces dix gènes. L'expression de ces gènes au niveau cellulaire a été observée à l'aide des techniques d'hybridation in situ et d'immunohistochimie. Trois observations ont été faites : 1) la régulation de ces gènes est restreinte aux tonneaux correspondants aux vibrisses stimulées ; 2) au niveau d'une colonne corticale correspondant aux vibrisses stimulées, seules certaines cellules présentent une altération de leur expression génique ; 3) au niveau des tonneaux stimulés, deux profils d'expression d'ARNm et de protéines sont observés. Notre hypothèse est que cette distribution pourrait correspondre à la terminaison ségrégée des deux voies thalamocortical qui amènent l'information sensorielle dans le cortex cérébral. De plus, seul les neurones atteignant le seuil critique d'activation modifient leur expression génique en réponse à la stimulation sensorielle. Ces changements d'expression géniques vont permettre à la cellule de modifier ses propriétés structurales et physiologiques de manière a prevenir la propagation d'un excès d'activité neuronale au niveau de ses cibles postsynaptics. L'activité neuronale agit donc spécifiquement sur certains types cellulaires de maniere a induire une réponse homéostatique au niveau du réseau neuronal impliqué dans l'integration de l'information sensorielle. Nos travaux démontrent pour une première fois que les deux voies sensorielles contribuent d'une manière distincte et complémentaire à la plasticité corticale induite par un changement de l'activité sensorielle chez la souris adulte.

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.

Traitement de l'information sensorielle chez la souris HeCo

L'hétérotopie sous-corticale en bandes ou double-cortex est une malformation cérébrale causée par une interruption de la migration des neurones du néocortex pendant sa formation. La souris HeCo est un modèle murin de cette affection, caractérisée par un amas de neurones corticaux dans la substance blanche sous-corticale. Les signes cliniques de cette maladie sont le plus souvent une épilepsie réfractaire, un retard développemental et mental. Chez l'homme, l'hétérotopie se trouve en partie en profondeur du cortex somatotopique moteur et sensitif et semble participer à leurs fonctions. L'IRM fonctionnelle a montré lors d'une tâche motrice (taper des doigts), l'activation en plus du cortex moteur controlatéral du cortex hétérotopique sous-jacent. La pathogenèse des malformations corticales est toujours mal comprise, c'est pourquoi il est important d'avoir plusieurs modèles animaux. Jusqu'il a peu, il n'existait que le rat TISH, découvert en 1997, dont la génétique n'est pas connue à ce jour. La souris HeCo est un nouveau modèle animal de malformation corticale dont le gène muté impliquant une protéine associée aux microtubules a été découvert récemment. Elle partage avec les cas humains un seuil épileptique abaissé et un certain retard développemental. Objectif : Déterminer si le cortex hétérotopique de la souris HeCo est activé lors d'une tâche sensitive (exploration de l'environnement à l'aide des vibrisses du museau). Méthode : Chez la souris, les vibrisses sont des organes sensitifs essentiels dans l'exploration de l'environnement. Pour déterminer si le cortex hétérotopique est actif lors d'une tâche sensitive, on utilisera donc un exercice de découverte d'une cage enrichie en stimulus. Afin de visualiser les régions du cerveau actives, on utilisera plusieurs méthodes: l'autoradiographie ([14C]2- deoxyglucose, 2-DG) et l'immunohistochimie c-Fos. Le 2-DG est un analogue du glucose qui se fixe dans les régions cérébrales métaboliquement actives, ici impliquées dans la sensibilité. Il est injecté dans le péritoine de la souris à jeun avant l'exploration. Le contrôle négatif se fera en coupant les vibrisses d'un côté avant la tâche sensitive. A la fin de la tâche, on prélève des coupes du cerveau pour mesurer l'autoradioactivité. L'immunohistochimie c-Fos est réalisée sur les cerveaux de souris ayant effectué la même tâche sensitive et détecte une protéine d'activation neuronale. Afin de détecter une activation de l'hétérotopie à plus long terme, on utilisera la cytochrome oxydase, une enzyme qui met en évidence les régions contenant beaucoup de mitochondries, donc métaboliquement très actives. Résultats : La cytochrome oxydase a marqué de façon égale le cortex homotopique de la souris HeCo et le cortex des souris contrôle. Par ailleurs, chez le mutant, elle a montré un faible marquage dans la partie médiale de l'hétérotopie et des zones de marquage plus intenses dans sa partie latérale. L'autoradiographie 2-DG a montré un pattern classique d'activation du cortex homotopique du côté stimulé, avec une intensité plus marquée dans la couche IV. Du même côté, l'hétérotopie latérale montre une intensité similaire à celui de la couche IV. Du côté non stimulé, on note une intensité faible, tant dans le cortex homotopique que dans le cortex hétérotopique. L'immunohistochimie c-Fos a montré une nette différence entre l'hémisphère stimulé et l'hémisphère non stimulé dans la couche IV comme dans l'hétérotopie. Il existe, tant du côté stimulé que du côté non stimulé, un gradient dans l'hétérotopie, le marquage latéral étant du même ordre que dans la couche IV alors qu'il est moins intense médialement. Conclusion : l'hétérotopie corticale latérale, située en particulier sous le cortex somatosensoriel, semble traiter l'information périphérique controlatérale dans le même ordre que le cortex homotopique.

The role of the right parietal cortex in sound localization: a chronometric single pulse transcranial magnetic stimulation study.

Auditory spatial functions, including the ability to discriminate between the positions of nearby sound sources, are subserved by a large temporo-parieto-frontal network. With the aim of determining whether and when the parietal contribution is critical for auditory spatial discrimination, we applied single pulse transcranial magnetic stimulation on the right parietal cortex 20, 80, 90 and 150 ms post-stimulus onset while participants completed a two-alternative forced choice auditory spatial discrimination task in the left or right hemispace. Our results reveal that transient TMS disruption of right parietal activity impairs spatial discrimination when applied at 20 ms post-stimulus onset for sounds presented in the left (controlateral) hemispace and at 80 ms for sounds presented in the right hemispace. We interpret our finding in terms of a critical role for controlateral temporo-parietal cortices over initial stages of the building-up of auditory spatial representation and for a right hemispheric specialization in integrating the whole auditory space over subsequent, higher-order processing stages.

Strokes restricted to the insular cortex

Résumé: L'objectif de l'étude est de caractériser la manifestation clinique d'une atteinte vasculaire cérébrale ischémique aiguë limitée au cortex insulaire, région intrigante et méconnue du cerveau humain. Dans la pratique clinique, une atteinte vasculaire aiguë limitée à l'insula, sans compromission d'autres régions cérébrales, est exceptionnelle et sa manifestation clinique neurologique est souvent non reconnue. L'étude est focalisée sur quatre patients, inscrits dans le Lausanne Stroke Registry, présentant une nouvelle atteinte vasculaire cérébrale avec une lésion unique purement limitée au cortex insulaire, objectivée à l'aide de la résonance magnétique (IRM). L'étude a mis en évidence cinq manifestations cliniques principales : 1) Troubles de la sensibilité corporelle sont révélé chez trois patients avec une atteinte insulaire postérieure (deux avec un syndrome pseudothalamique, un avec un déficit à distribution partielle). 2) Un patient avec une lésion insulaire postérieure gauche présent des troubles du goût. 3) Un syndrome pseudovestibulaire avec vertiges non rotatoires, instabilité à la marche sans nystagmus, est mis en évidence chez trois patients avec une atteinte ischémique insulaire postérieure. 4) Un patient avec atteinte de l'insula postérieure droite présente des épisodes d'hypertension artérielle d'origine cryptique. 5) Des troubles neuropsychologiques tels qu'aphasie et dysarthrie sont détectés chez les patients avec une atteinte insulaire postérieure gauche, un épisode de somatoparaphrénie est rapporté avec une atteinte insulaire postérieure droite. En conclusion, les atteintes vasculaires cérébrales ischémiques aiguës limitées au cortex insulaire postérieur peuvent se manifester principalement avec un tableau clinique caractérisé par un syndrome pseudothalamique associé à une symptomatologie pseudovertigineuse. Les lésions insulaires postérieures peuvent se manifester avec une dysarthrie et des troubles du goût, une aphasie (gauche), une somatoparaphrénie et une dysfonction hypertensive (droite). L'étude n'a pas mis en évidence de dysphagie, reportée dans les atteintes insulaires antérieures. Abstract: Objective: To characterize clinically acute insular strokes from four patients with, a first ever acute stroke restricted to the insula on MRI. Methods: The authors studied the clinical presentation of four patients with a first ever acute stroke restricted to the insula on MRI. Results: The authors found five main groups of clinical presentations: 1) somatosensory deficits in three patients with posterior insular stroke (two with a transient pseudothalamic sensory syndrome, one with partial distribution); 2) gustatory disorder in a patient with left posterior insular infarct; 3) vestibular-like syndrome, with dizziness, gait instability, and tendency to fall, but no nystagmus, in three patients with posterior insular strokes; 4) cardiovascular disturbances, consisting of hypertensive episodes in a patient with a right posterior insular infarct; and 5) neuropsychological disorders, including aphasia (left posterior insula), dysarthria, and transient somatoparaphrenia (right posterior insula). Conclusion: Strokes restricted to the posterior insula may present with pseudothalamic sensory and vestibular-like syndromes as prominent clinical manifestations, but also dysarthria and aphasia (in left lesions), somatoparaphrenia (right lesions) and gustatory dysfunction and blood pressure with hypertensive episodes in right lesions; we did not find acute dysphagia reported in anterior, insular strokes.

Modeling resting-state functional networks when the cortex falls asleep: local and global changes.

The transition from wakefulness to sleep represents the most conspicuous change in behavior and the level of consciousness occurring in the healthy brain. It is accompanied by similarly conspicuous changes in neural dynamics, traditionally exemplified by the change from "desynchronized" electroencephalogram activity in wake to globally synchronized slow wave activity of early sleep. However, unit and local field recordings indicate that the transition is more gradual than it might appear: On one hand, local slow waves already appear during wake; on the other hand, slow sleep waves are only rarely global. Studies with functional magnetic resonance imaging also reveal changes in resting-state functional connectivity (FC) between wake and slow wave sleep. However, it remains unclear how resting-state networks may change during this transition period. Here, we employ large-scale modeling of the human cortico-cortical anatomical connectivity to evaluate changes in resting-state FC when the model "falls asleep" due to the progressive decrease in arousal-promoting neuromodulation. When cholinergic neuromodulation is parametrically decreased, local slow waves appear, while the overall organization of resting-state networks does not change. Furthermore, we show that these local slow waves are structured macroscopically in networks that resemble the resting-state networks. In contrast, when the neuromodulator decrease further to very low levels, slow waves become global and resting-state networks merge into a single undifferentiated, broadly synchronized network.

Representation of motor habit in a sequence of repetitive reach and grasp movements performed by macaque monkeys: evidence for a contribution of the dorsolateral prefrontal cortex.

In the context of an autologous cell transplantation study, a unilateral biopsy of cortical tissue was surgically performed from the right dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC) in two intact adult macaque monkeys (dlPFC lesioned group), together with the implantation of a chronic chamber providing access to the left motor cortex. Three other monkeys were subjected to the same chronic chamber implantation, but without dlPFC biopsy (control group). All monkeys were initially trained to perform sequential manual dexterity tasks, requiring precision grip. The motor performance and the prehension's sequence (temporal order to grasp pellets from different spatial locations) were analysed for each hand. Following the surgery, transient and moderate deficits of manual dexterity per se occurred in both groups, indicating that they were not due to the dlPFC lesion (most likely related to the recording chamber implantation and/or general anaesthesia/medication). In contrast, changes of motor habit were observed for the sequential order of grasping in the two monkeys with dlPFC lesion only. The changes were more prominent in the monkey subjected to the largest lesion, supporting the notion of a specific effect of the dlPFC lesion on the motor habit of the monkeys. These observations are reminiscent of previous studies using conditional tasks with delay that have proposed a specialization of the dlPFC for visuo-spatial working memory, except that this is in a different context of "free-will", non-conditional manual dexterity task, without a component of working memory.

Differential subcellular localization of phosphorylated neurofilament and tau proteins in degenerating neurons of the human entorhinal cortex.

A panel of novel monoclonal antibodies was tested on the human entorhinal cortex for the recognition of age- and disease-related changes of neurofilament proteins (NF). Several antibodies identified phosphorylated NF-H subunit, which occurred preferentially in those aged between 60 and 80 years and were localized in degenerating neurons. Such neurons also contained neurofibrillary tangles, but neurofilament aggregates did not co-localize with tangles, nor did the quantity nor the number of NF-positive neurons correlate with the severity of Alzheimer's disease. This points to a susceptibility of NF in a subset of neurons for phosphorylation- and metabolically related morphological changes during neurodegeneration.

Human Primary Auditory Cortex Follows the Shape of Heschl's Gyrus.

The primary auditory cortex (PAC) is central to human auditory abilities, yet its location in the brain remains unclear. We measured the two largest tonotopic subfields of PAC (hA1 and hR) using high-resolution functional MRI at 7 T relative to the underlying anatomy of Heschl's gyrus (HG) in 10 individual human subjects. The data reveals a clear anatomical-functional relationship that, for the first time, indicates the location of PAC across the range of common morphological variants of HG (single gyri, partial duplications, and complete duplications). In 20/20 individual hemispheres, two primary mirror-symmetric tonotopic maps were clearly observed with gradients perpendicular to HG. PAC spanned both divisions of HG in cases of partial and complete duplications (11/20 hemispheres), not only the anterior division as commonly assumed. Specifically, the central union of the two primary maps (the hA1-R border) was consistently centered on the full Heschl's structure: on the gyral crown of single HGs and within the sulcal divide of duplicated HGs. The anatomical-functional variants of PAC appear to be part of a continuum, rather than distinct subtypes. These findings significantly revise HG as a marker for human PAC and suggest that tonotopic maps may have shaped HG during human evolution. Tonotopic mappings were based on only 16 min of fMRI data acquisition, so these methods can be used as an initial mapping step in future experiments designed to probe the function of specific auditory fields.

von Economo neurons in autism: A stereologic study of the frontoinsular cortex in children.

The presence of von Economo neurons (VENs) in the frontoinsular cortex (FI) has been linked to a possible role in the integration of bodily feelings, emotional regulation, and goal-directed behaviors. They have also been implicated in fast intuitive evaluation of complex social situations. Several studies reported a decreased number of VENs in neuropsychiatric diseases in which the "embodied" dimension of social cognition is markedly affected. Neuropathological analyses of VENs in patients with autism are few and did not report alterations in VEN numbers. In this study we re-evaluated the possible presence of changes in VEN numbers and their relationship with the diagnosis of autism. Using a stereologic approach we quantified VENs and pyramidal neurons in layer V of FI in postmortem brains of four young patients with autism and three comparably aged controls. We also investigated possible autism-related differences in FI layer V volume. Patients with autism consistently had a significantly higher ratio of VENs to pyramidal neurons (p=0.020) than control subjects. This result may reflect the presence of neuronal overgrowth in young patients with autism and may also be related to alterations in migration, cortical lamination, and apoptosis. Higher numbers of VENs in the FI of patients with autism may also underlie a heightened interoception, described in some clinical observations.

Effects of unilateral motor cortex lesion on ipsilesional hand's reach and grasp performance in monkeys: relationship with recovery in the contralesional hand.

Manual dexterity, a prerogative of primates, is under the control of the corticospinal (CS) tract. Because 90-95% of CS axons decussate, it is assumed that this control is exerted essentially on the contralateral hand. Consistently, unilateral lesion of the hand representation in the motor cortex is followed by a complete loss of dexterity of the contralesional hand. During the months following lesion, spontaneous recovery of manual dexterity takes place to a highly variable extent across subjects, although largely incomplete. In the present study, we tested the hypothesis that after a significant postlesion period, manual performance in the ipsilesional hand is correlated with the extent of functional recovery in the contralesional hand. To this aim, ten adult macaque monkeys were subjected to permanent unilateral motor cortex lesion. Monkeys' manual performance was assessed for each hand during several months postlesion, using our standard behavioral test (modified Brinkman board task) that provides a quantitative measure of reach and grasp ability. The ipsilesional hand's performance was found to be significantly enhanced over the long term (100-300 days postlesion) in six of ten monkeys, with the six exhibiting the best, though incomplete, recovery of the contralesional hand. There was a statistically significant correlation (r = 0.932; P < 0.001) between performance in the ipsilesional hand after significant postlesion period and the extent of recovery of the contralesional hand. This observation is interpreted in terms of different possible mechanisms of recovery, dependent on the recruitment of motor areas in the lesioned and/or intact hemispheres.

Functional mapping of the human visual cortex with intravoxel incoherent motion MRI.

Functional imaging with intravoxel incoherent motion (IVIM) magnetic resonance imaging (MRI) is demonstrated. Images were acquired at 3 Tesla using a standard Stejskal-Tanner diffusion-weighted echo-planar imaging sequence with multiple b-values. Cerebro-spinal fluid signal, which is highly incoherent, was suppressed with an inversion recovery preparation pulse. IVIM microvascular perfusion parameters were calculated according to a two-compartment (vascular and non-vascular) diffusion model. The results obtained in 8 healthy human volunteers during visual stimulation are presented. The IVIM blood flow related parameter fD* increased 170% during stimulation in the visual cortex, and 70% in the underlying white matter.