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

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

Mise en oeuvre de protocoles spatiaux pour analyser la modulation de processus cognitifs en fonction de la dimension émotionnelle chez le rongeur

Résumé : Emotion et cognition sont deux termes généralement employés pour désigner des processus psychiques de nature opposée. C'est ainsi que les sciences cognitives se sont longtemps efforcées d'écarter la composante «chaude »des processus «froids »qu'elles visaient, si ce n'est pour montrer l'effet dévastateur de la première sur les seconds. Pourtant, les processus cognitifs (de collecte, maintien et utilisation d'information) et émotioAnels (d'activation subjective, physiologique et comportementale face à ce qui est attractif ou aversif) sont indissociables. Par l'approche neuro-éthologique, à l'interface entre le substrat biologique et les manifestations comportementales, nous nous sommes intéressés à une fonction cognitive essentielle, la fonction mnésique, classiquement exprimée chez le rongeur par l'orientation spatiale. Au niveau du substrat, McDonald et White (1993) ont montré la dissociation de trois systèmes de mémoire, avec les rôles de l'hippocampe, du néostriatum et de l'amygdale dans l'encodage des informations respectivement épisodiques, procédurales et émotionnelles. Nous nous sommes penchés sur l'interaction entre ces systèmes en fonction de la dimension émotionnelle par l'éclairage du comportement. L'état émotionnel de l'animal dépend de plusieurs facteurs, que nous avons tenté de contrôler indirectement en comparant leurs effets sur l'acquisition, dans diverses conditions, de la tâche de Morris (qui nécessite la localisation dans un bassin de la position d'une plate-forme submergée), ainsi que sur le style d'exploration de diverses arènes, ouvertes ou fermées, plus ou moins structurées par la présence de tunnels en plexiglas transparent. Nous avons d'abord exploré le rôle d'un composant du système adrénergique dans le rapport à la difficulté et au stress, à l'aide de souris knock-out pour le récepteur à la noradrénaline a-1 B dans un protocole avec 1 ou 4 points de départ dans un bassin partitionné. Ensuite, nous nous sommes penchés, chez le rat, sur les effets de renforcement intermittent dans différentes conditions expérimentales. Dans ces conditions, nous avons également tenté d'analyser en quoi la situation du but dans un paysage donné pouvait interférer avec les effets de certaines formes de stress. Finalement, nous avons interrogé les conséquences de perturbations passées, y compris le renforcement partiel, sur l'organisation des déplacements sur sol sec. Nos résultats montrent la nécessité, pour les souris cont~ô/es dont l'orientation repose sur l'hippocampe, de pouvoir varier les trajectoires, ce qui favoriserait la constitution d'une carte cognitive. Les souris a->B KO s'avèrent plus sensibles au stress et capables de bénéficier de la condition de route qui permet des réponses simples et automatisées, sous-tendues par l'activité du striatum. Chez les rats en bassin 100% renforcé, l'orientation apparaît basée sur l'hippocampe, relayée par le striatum pour le développement d'approches systématiques et rapides, avec réorientation efficace en nouvelle position par réactivation dépendant de l'hippocampe. A 50% de renforcement, on observe un effet du type de déroulement des sessions, transitoirement atténué par la motivation Lorsque les essais s'enchaînent sans pause intrasession, les latences diminuent régulièrement, ce qui suggère une prise en charge possible par des routines S-R dépendant du striatum. L'organisation des mouvements exploratoires apparaît dépendante du niveau d'insécurité, avec différents profils intermédiaires entre la différentiation maximale et la thigmotaxie, qui peuvent être mis en relation avec différents niveaux d'efficacité de l'hippocampe. Ainsi, notre travail encourage à la prise en compte de la dimension émotionnelle comme modulatrice du traitement d'information, tant en phase d'exploration de l'environnement que d'exploitation des connaissances spatiales. Abstract : Emotion and cognition are terms widely used to refer to opposite mental processes. Hence, cognitive science research has for a long time pushed "hot" components away from "cool" targeted processes, except for assessing devastating effects of the former upon the latter. However, cognitive processes (of information collection, preservation, and utilization) and emotional processes (of subjective, physiological, and behavioral activation roue to attraction or aversion) are inseparable. At the crossing between biological substrate and behavioral expression, we studied a chief cognitive function, memory, classically shown in animals through spatial orientation. At the substrate level, McDonald et White (1993) have shown a dissociation between three memory systems, with the hippocampus, neostriatum, and amygdala, encoding respectively episodic, habit, and emotional information. Through the behavior of laboratory rodents, we targeted the interaction between those systems and the emotional axis. The emotional state of an animal depends on different factors, that we tried to check in a roundabout way by the comparison of their effects on acquisition, in a variety of conditions, of the Morris task (in which the location of a hidden platform in a pool is required), as well as on the exploration profile in different apparatus, open-field and closed mazes, more or less organized by clear Plexiglas tunnels. We first tracked the role, under more or less difficult and stressful conditions, of an adrenergic component, with knock-out mice for the a-1 B receptor in a partitioned water maze with 1 or 4 start positions. With rats, we looked for the consequences of partial reinforcement in the water maze in different experimental conditions. In those conditions, we further analyzed how the situation of the goal in the landscape could interfere with the effect of a given stress. At last, we conducted experiments on solid ground, in an open-field and in radial mazes, in order to analyze the organization of spatial behavior following an aversive life event, such as partial reinforcement training in the water maze. Our results emphasize the reliance of normal mice to be able to vary approach trajectories. One of our leading hypotheses is that such strategies are hippocampus-dependent and are best developed for of a "cognitive map like" representation. Alpha-1 B KO mice appear more sensitive to stress and able to take advantage of the route condition allowing simple and automated responses, most likely striatum based. With rats in 100% reinforced water maze, the orientation strategy is predominantly hippocampus dependent (as illustrated by the impairment induced by lesions of this structure) and becomes progressively striatum dependent for the development of systematic and fast successful approaches. Training towards a new platform position requires a hippocampus based strategy. With a 50% reinforcement rate, we found a clear impairment related to intersession disruption, an effect transitorily minimized by motivation enhancement (cold water). When trials are given without intrasession interruption, latencies consistently diminish, suggesting a possibility for striatum dependent stimulus-response routine to occur. The organization of exploratory movements is shown to depend on the level of subjective security, with different intermediary profiles between maximum differentiation and thigmotaxy, which can be considered in parallel with different efficiency levels of the hippocampus dependent strategies. Thus, our work fosters the consideration of emotion as a cognitive treatment modulator, during spatial exploration as well as spatial learning. It leads to a model in which the predominance of hippocampus based exploration is challenged by training conditions of various nature.

Systems analysis of MVA-C induced immune response reveals its significance as a vaccine candidate against HIV/AIDS of clade C.

Based on the partial efficacy of the HIV/AIDS Thai trial (RV144) with a canarypox vector prime and protein boost, attenuated poxvirus recombinants expressing HIV-1 antigens are increasingly sought as vaccine candidates against HIV/AIDS. Here we describe using systems analysis the biological and immunological characteristics of the attenuated vaccinia virus Ankara strain expressing the HIV-1 antigens Env/Gag-Pol-Nef of HIV-1 of clade C (referred as MVA-C). MVA-C infection of human monocyte derived dendritic cells (moDCs) induced the expression of HIV-1 antigens at high levels from 2 to 8 hpi and triggered moDCs maturation as revealed by enhanced expression of HLA-DR, CD86, CD40, HLA-A2, and CD80 molecules. Infection ex vivo of purified mDC and pDC with MVA-C induced the expression of immunoregulatory pathways associated with antiviral responses, antigen presentation, T cell and B cell responses. Similarly, human whole blood or primary macrophages infected with MVA-C express high levels of proinflammatory cytokines and chemokines involved with T cell activation. The vector MVA-C has the ability to cross-present antigens to HIV-specific CD8 T cells in vitro and to increase CD8 T cell proliferation in a dose-dependent manner. The immunogenic profiling in mice after DNA-C prime/MVA-C boost combination revealed activation of HIV-1-specific CD4 and CD8 T cell memory responses that are polyfunctional and with effector memory phenotype. Env-specific IgG binding antibodies were also produced in animals receiving DNA-C prime/MVA-C boost. Our systems analysis of profiling immune response to MVA-C infection highlights the potential benefit of MVA-C as vaccine candidate against HIV/AIDS for clade C, the prevalent subtype virus in the most affected areas of the world.

Functional independence within the self-memory system: new insights from two cases of developmental amnesia.

Neuropsychological and neuroimaging data suggest that the self-memory system can be fractionated into three functionally independent systems processing personal information at several levels of abstraction, including episodic memories of one's life (episodic autobiographical memory, EAM), semantic knowledge of facts about one's life (semantic autobiographical memory, SAM), and semantic knowledge of one's personality [conceptual self, (CS)]. Through the study of two developmental amnesic patients suffering of neonatal brain injuries, we explored how the different facets of the self-memory system develop when growing up with bilateral hippocampal atrophy. Neuropsychological evaluations showed that both of them suffered from dramatic episodic learning disability with no sense of recollection (Remember/Know procedure), whereas their semantic abilities differed, being completely preserved (Valentine) or not (Jocelyn). Magnetic resonance imaging, including quantitative volumetric measurements of the hippocampus and adjacent (entorhinal, perirhinal, and temporopolar) cortex, showed severe bilateral atrophy of the hippocampus in both patients, with additional atrophy of adjacent cortex in Jocelyn. Exploration of EAM and SAM according to lifetime periods covering the entire lifespan (TEMPAu task, Piolino et al., 2009) showed that both patients had marked impairments in EAM, as they lacked specificity, details and sense of recollection, whereas SAM was completely normal in Valentine, but impaired in Jocelyn. Finally, measures of patients' CS (Tennessee Self-Concept Scale, Fitts and Warren, 1996), checked by their mothers, were generally within normal range, but both patients showed a more positive self-concept than healthy controls. These two new cases support a modular account of the medial-temporal lobe with episodic memory and recollection depending on the hippocampus, and semantic memory and familiarity on adjacent cortices. Furthermore, they highlight developmental episodic and semantic functional independence within the self-memory system suggesting that SAM and CS may be acquired without episodic memories.