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.

Distribution of the monocarboxylate transporter MCT2 in human cerebral cortex: an immunohistochemical study

The monocarboxylate transporter MCT2 belongs to a large family of membrane proteins involved in the transport of lactate, pyruvate and ketone bodies. Although its expression in rodent brain has been well documented, the presence of MCT2 in the human brain has been questioned on the basis of low mRNA abundance. In this study, the distribution of the monocarboxylate transporter MCT2 has been investigated in the cortex of normal adult human brain using an immunohistochemical approach. Widespread neuropil staining in all cortical layers was observed by light microscopy. Such a distribution was very similar in three different cortical areas investigated. At the cellular level, the expression of MCT2 could be observed in a large number of neurons, in fibers both in grey and white matter, as well as in some astrocytes, mostly localized in layer I and in the white matter. Double staining experiments combined with confocal microscopy confirmed the neuronal expression but also suggested a preferential postsynaptic localization of synaptic MCT2 expression. A few astrocytes in the grey matter appeared to exhibit MCT2 labelling but at low levels. Electron microscopy revealed strong MCT2 expression at asymmetric synapses in the postsynaptic density and also within the spine head but not in the presynaptic terminal. These data not only demonstrate neuronal MCT2 expression in human, but since a portion of it exhibits a distinct synaptic localization, it further supports a putative role for MCT2 in adjustment of energy supply to levels of activity.

Interchange of callosal and association projections in the developing visual cortex.

Neurons projecting transitorily into the corpus callosum from area 17 of the cat were retrogradely labeled by the fluorescent tracer Fast Blue (FB) injected into contralateral areas 17 and 18 on postnatal days 1-5. During the second postnatal month these neurons were still labeled by the early injection, although they had eliminated their callosal axon. At this time, 15-20% of these neurons could be retrogradely relabeled by injections of Diamidino Yellow (DY) into ipsilateral areas 17 and 18, but few or none by similar injections in the other areas that receive from area 17 (19, 21a, PMLS, 20a, 20b, DLS). Similarly, area 17 neurons projecting transitorily to contralateral area PMLS during the first postnatal week could be relabeled by DY injections in ipsilateral areas 17 and 18 but not in PMLS. Already around birth, many transitorily callosal neurons in area 17 send bifurcating axons both to contralateral areas 17 and 18 and ipsilateral area 18. It is probable that during postnatal development some of these neurons selectively eliminate their callosal axon collaterals and maintain the projection to ipsilateral area 18. In fact, some transitorily callosal neurons in area 17 can be double-labeled by simultaneous perinatal injections of FB in contralateral areas 17 and 18 and of a new long-lasting retrograde tracer, rhodamine-conjugated latex microspheres, in ipsilateral area 18. The same neurons can then be relabeled by reinjecting ipsilateral area 18 with DY during the second postnatal month. This finding, however, does not exclude the possibility that some transitorily callosal neurons send an axon to ipsilateral area 18 after eliminating their callosal axon. In conclusion, area 17 neurons that project transitorily through the corpus callosum later participate, probably permanently, in ipsilateral corticocortical projections but selectively to areas 17-18. The mechanism responsible for this selectivity is unknown, but it may be related to the differential radial distribution (i.e., to birth date) of area 17 neurons engaged in the various corticocortical projections. The problems raised by the use of long-lasting retrograde fluorescent tracers in neurodevelopmental studies and by the quantification of results of double- and triple-labeling paradigms are also discussed.

Differential distribution of MAP1A isoforms in the adult mouse barrel cortex and comparison with the serotonin 5-HT2A receptor.

Microtubule-associated protein 1A (MAP1A) is essential during the late differentiation phase of neuronal development. Here, we demonstrated the presence of two MAP1A isoforms with a differential spatial distribution in the adult mouse barrel cortex. Antibody A stained MAP1A in pyramidal and stellate cells, including dendrites that crossed layer IV in the septa between barrels. The other antibody, BW6 recognized a MAP1A isoform that was mainly confined to the barrel hollow and identified smaller caliber dendrites. Previously, an interaction of MAP1A and the serotonin 5-hydroxytryptamine 2A (5-HT(2A)) receptor was shown in the rat cortex. Here, we identified, by double-immunofluorescent labeling, MAP1A isoform and serotonin 5-HT(2A) receptor distribution. MAP1A co-localized mainly with 5-HT(2A) receptor in larger apical dendrites situated in septa. This differential staining of MAP1A and a serotonin receptor in defined barrel compartments may be due to changes in the expression or processing of MAP1A during dendritic transport as a consequence of functional differences in processing of whisker-related sensory input.

Qualitative and quantitative analysis of thalamo-cortical axons in the somatosensory cortex of normal and barrelless mice

Résumé Les rongeurs utilisent leurs moustaches (vibrisses) pour explorer le milieu environnant. Chaque moustache est mue par un système des muscles. Les récepteurs situés à sa base transmettent les informations au système nerveux central. La transmission vers l'écorce se fait via trois neurones de relais qui se trouvent au niveau du ganglion trigéminé, du tronc cérébral et du thalamus. La représentation corticale d'une vibrisse est une concentration des axones thalamo-corticaux (ATC) autour desquelles s'organisent leurs cibles, les cellules de la couche IV. La structure peut être identifiée histologiquement en coupes tangentielles et porte le nom de « barrel » (« tonneau »). Cette correspondance vibrisse - barrel fait de ce système un model idéal pour étudier l'influence de l'activité périphérique sur l'établissement et le maintien des cartes somatotopiques. Notre laboratoire dispose d'une souche de souris qui a subi une mutation spontanée pour le gène codant l'adenylyl cyclase I (ACI). Cette enzyme membranaire catalyse la formation de l'AMPc et joue un rôle important dans le guidage axonal, la libération des neurotransmetteurs et l'intégration des signaux postsynaptiques. Nous avons démontré dans un premier temps que cette souris adulte ne développe pas de barrels. Cela est dû à un manque d'organisation des ATC et aussi des cellules de la couche IV. De plus, les résultats électrophysiologiques montrent que les informations venant des vibrisses adjacentes ne sont pas intégrées d'une manière normale. Dans ce travail de thèse, j'ai analysé la morphologie des ATC révélés individuellement avec de la biocytine. L'analyse quantitative des ATC a mis en évidence les points suivants: 1. Les axones de la souris normale (NOR) quittent le thalamus, traversent la capsule interne et la substance blanche sous-corticale et pénètrent dans le cortex somato-sensoriel primaire. A l'intérieur de l'écorce ils traversent au maximum 3 colonnes corticales adjacentes dont une contient le barrel cible. En passant à travers les couches VI et V, ces axones arborisent et convergent progressivement vers le barrel dans lequel ils forment une riche arborisation. Un petit nombre des branches « errantes », pleines de boutons synaptiques, pénètrent dans les barrels voisins. Deux axones NOR provenant de corps cellulaires très proches dans le thalamus peuvent avoir un cheminement très divergent lors de la traversée de la capsule interne et de la substance blanche sous-corticale mais, à leur entrée dans le cortex, ils sont distants d'au maximum 2 colonnes corticales de la colonne qui contient le barrel cible et ils convergent progressivement vers ce barrel. 2. Les axones de la souris mutante (BRL) ont le même trajet sous-cortical que les axones NOR, mais leur entrée dans le cortex somato-sensoriel primaire est aléatoire. A l'interface entre la substance blanche sous-corticale et le cortex, l'axone principal se divise rapidement en troncs axonaux qui traversent les couches VI et V d'une manière divergente pour arriver dans la couche IV. Cela contraste beaucoup avec la trajectoire des NOR qui convergent graduellement vers leur barrel cible. Le nombre de branches radiales que les axones BRL utilisent pour entrer dans le cortex et dans la couche IV est double par rapport aux axones NOR. Parmi ces branches, seules quelques-unes donnent des arborisations, les autres ne sont pas développées et leur morphologie est semblable à celle des branches formées par les axones de la souris normale lors du développement. Deux axones BRL issus de corps cellulaires proches dans le thalamus peuvent avoir une trajectoire très divergente jusqu'à leur entrée dans la couche IV, mais à ce niveau ils sont réorientés pour se retrouver et faire un nombre maximal de branches et boutons synaptiques dans la même région corticale. Dans un cas extrême, un des axones observés est entré dans le cortex à la limite entre l'aire somatosensorielle primaire et secondaire et a parcouru une distance de 2 mm pour retrouver son partenaire thalamique et donner avec celui-ci un nombre maximal de branches dans la même région de la couche IV. 3. Les mesures quantitatives ont montré que les arborisations corticales des axones NOR ont une longueur moyenne de 18mm et sont formées par 200 segments qui portent 1200 boutons synaptiques. Par rapport à la souris NOR, les axones BRL ont en moyenne la même longueur, le même nombre de segments et boutons synaptiques, mais donnent deux fois plus de branches radiales. La surface tangentielle occupée par les arborisations BRL dans la couche IV est 2 fois plus grande que celle des NOR. Cela signifie que les 1000 boutons synaptiques qui caractérisent les arborisations NOR et BRL dans la couche IV sont disséminés sur une surface tangentielle double chez les derniers, et donc que la densité des boutons par unité de surface corticale est en moyenne plus faible. En effet, l'augmentation de la surface corticale tangentielle des BRL est due aux surfaces de faible et moyenne densité synaptique (0 - 8 boutons / 400pn2) qui augmentent 2 fois tandis que les surfaces de haute densité synaptiques (8 - 64 boutons / 4001.tm2) sont les mêmes. Nous émettons l'hypothèse selon laquelle, durant le développement, les ATC de la souris BRL divergent et forment un nombre exubérant de branches. Grâce à cette divergence et aux branches supranuméraires, ils trouvent l'endroit de l'écorce où se trouvent leurs voisins thalamiques et arborisent abondamment dans cette région. Cependant, le déficit en AGI ne leurs permet pas par la suite, sous influence de l'activité périphérique, de retirer les branches qui se trouvent dans les endroits inappropriés de l'écorce, avec de possibles conséquences sur la discrimination tactile.

The Vitamin A Derivative All-Trans Retinoic Acid Repairs Amyloid-β-Induced Double-Strand Breaks in Neural Cells and in the Murine Neocortex.

The amyloid-β peptide or Aβ is the key player in the amyloid-cascade hypothesis of Alzheimer's disease. Aβ appears to trigger cell death but also production of double-strand breaks (DSBs) in aging and Alzheimer's disease. All-trans retinoic acid (RA), a derivative of vitamin A, was already known for its neuroprotective effects against the amyloid cascade. It diminishes, for instance, the production of Aβ peptides and their oligomerisation. In the present work we investigated the possible implication of RA receptor (RAR) in repair of Aβ-induced DSBs. We demonstrated that RA, as well as RAR agonist Am80, but not AGN 193109 antagonist, repair Aβ-induced DSBs in SH-SY5Y cells and an astrocytic cell line as well as in the murine cortical tissue of young and aged mice. The nonhomologous end joining pathway and the Ataxia Telangiectasia Mutated kinase were shown to be involved in RA-mediated DSBs repair in the SH-SY5Y cells. Our data suggest that RA, besides increasing cell viability in the cortex of young and even of aged mice, might also result in targeted DNA repair of genes important for cell or synaptic maintenance. This phenomenon would remain functional up to a point when Aβ increase and RA decrease probably lead to a pathological state.

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.

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.