Neuropathological changes in the brain of pigs with acute liver failure.

Abstract Objective. Cerebral edema is a serious complication of acute liver failure (ALF), which may lead to intracranial hypertension and death. An accepted tenet has been that the blood-brain barrier is intact and that brain edema is primarily caused by a cytotoxic etiology due to hyperammonemia. However, the neuropathological changes in ALF have been poorly studied. Using a well characterized porcine model we aimed to investigate ultrastructural changes in the brain from pigs suffering from ALF. Materials and methods. Sixteen female Norwegian Landrace pigs weighing 27-35 kg were randomised into two groups: ALF (n = 8) and sham operated controls (n = 8). ALF was induced with an end-to-side portacaval shunt followed by ligation of the hepatic arteries. Biopsies were harvested from three different areas of the brain (frontal lobe, cerebellum, and brain stem) following eight hours of ALF and analyzed using electron microscopy. Results. Profound perivascular and interstitial edema were found in all three areas. Disruption of pericytic and astrocytic processes were seen, reflecting breakdown/lesion of the blood-brain barrier in animals suffering from ALF. Furthermore, neurons and axons were edematous and surrounded by vesicles. Severe damage to Purkinje neuron (necrosis) and damaged myelin were seen in the cerebellum and brain stem, respectively. Biopsies from sham operated animals were normal. Conclusions. Our data support the concept that vasogenic brain edema plays an important role in the development of intracranial hypertension in pigs with ALF.

Mild hypothermia in the prevention of brain edema in acute liver failure: mechanisms and clinical prospects.

Mild hypothermia (32 degrees C-35 degrees C) reduces intracranial pressure in patients with acute liver failure and may offer an effective adjunct therapy in the management of these patients. Studies in experimental animals suggest that this beneficial effect of hypothermia is the result of a decrease in blood-brain ammonia transfer resulting in improvement in brain energy metabolism and normalization of glutamatergic synaptic regulation. Improvement in brain energy metabolism by hypothermia may result from a reduction in ammonia-induced decrease of brain glucose (pyruvate) oxidation. Restoration of normal glutamatergic synaptic regulation by hypothermia may be the consequence of the removal of ammonia-induced decreases in expression of astrocytic glutamate transporters resulting in normal glutamate neurotransmitter inactivation in brain. Randomized controlled clinical trials of hypothermia are required to further evaluate its clinical impact.

Effect of portacaval anastomosis on glutamine synthetase protein and gene expression in brain, liver and skeletal muscle.

The effects of chronic liver insufficiency resulting from end-to-side portacaval anastomosis (PCA) on glutamine synthetase (GS) activities, protein and gene expression were studied in brain, liver and skeletal muscle of male adult rats. Four weeks following PCA, activities of GS in cerebral cortex and cerebellum were reduced by 32\% and 37\% (p<0.05) respectively whereas GS activities in muscle were increased by 52\% (p<0.05). GS activities in liver were decreased by up to 90\% (p<0.01), a finding which undoubtedly reflects the loss of GS-rich perivenous hepatocytes following portal-systemic shunting. Immunoblotting techniques revealed no change in GS protein content of brain regions or muscle but a significant loss in liver of PCA rats. GS mRNA determined by semi-quantitative RT-PCR was also significantly decreased in the livers of PCA rats compared to sham-operated controls. These findings demonstrate that PCA results in a loss of GS gene expression in the liver and that brain does not show a compensatory induction of enzyme activity, rendering it particularly sensitive to increases in ammonia in chronic liver failure. The finding of a post-translational increase of GS in muscle following portacaval shunting suggests that, in chronic liver failure, muscle becomes the major organ responsible for the removal of excess blood-borne ammonia.

Effects of hypothermia on brain glucose metabolism in acute liver failure: a H/C-nuclear magnetic resonance study.

Mild hypothermia has a protective effect on brain edema and encephalopathy in both experimental and human acute liver failure. The goals of the present study were to examine the effects of mild hypothermia (35°C) on brain metabolic pathways using combined 1H and 13C-Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy, a technique which allows the study not only of metabolite concentrations but also their de novo synthesis via cell-specific pathways in the brain. :1H and 13C NMR spectroscopy using [1-13C] glucose was performed on extracts of frontal cortex obtained from groups of rats with acute liver failure induced by hepatic devascularization whose body temperature was maintained either at 37°C (normothermic) or 35°C (hypothermic), and appropriate sham-operated controls. At coma stages of encephalopathy in the normothermic acute liver failure animals, glutamine concentrations in frontal cortex increased 3.5-fold compared to sham-operated controls (P < 0.001). Comparable increases of brain glutamine were observed in hypothermic animals despite the absence of severe encephalopathy (coma). Brain glutamate and aspartate concentrations were respectively decreased to 60.9% ± 7.7% and 42.2% ± 5.9% (P < 0.01) in normothermic animals with acute liver failure compared to control and were restored to normal values by mild hypothermia. Concentrations of lactate and alanine in frontal cortex were increased to 169.2% ± 15.6% and 267.3% ± 34.0% (P < 0.01) respectively in normothermic rats compared to controls. Furthermore, de novo synthesis of lactate and alanine increased to 446.5% ± 48.7% and 707.9% ± 65.7% (P < 0.001), of control respectively, resulting in increased fractional 13C-enrichments in these cytosolic metabolites. Again, these changes of lactate and alanine concentrations were prevented by mild hypothermia. Mild hypothermia (35°C) prevents the encephalopathy and brain edema resulting from hepatic devascularization, selectively normalizes lactate and alanine synthesis from glucose, and prevents the impairment of oxidative metabolism associated with this model of ALF, but has no significant effect on brain glutamine. These findings suggest that a deficit in brain glucose metabolism rather than glutamine accumulation is the major cause of the cerebral complications of acute liver failure.

Identifying the direct effects of ammonia on the brain.

Elevated concentrations of ammonia in the brain as a result of hyperammonemia leads to cerebral dysfunction involving a spectrum of neuropsychiatric and neurological symptoms (impaired memory, shortened attention span, sleep-wake inversions, brain edema, intracranial hypertension, seizures, ataxia and coma). Many studies have demonstrated ammonia as a major player involved in the neuropathophysiology associated with liver failure and inherited urea cycle enzyme disorders. Ammonia in solution is composed of a gas (NH(3)) and an ionic (NH(4) (+)) component which are both capable of crossing plasma membranes through diffusion, channels and transport mechanisms and as a result have a direct effect on pH. Furthermore, NH(4) (+) has similar properties as K(+) and, therefore, competes with K(+) on K(+) transporters and channels resulting in a direct effect on membrane potential. Ammonia is also a product as well as a substrate for many different biochemical reactions and consequently, an increase in brain ammonia accompanies disturbances in cerebral metabolism. These direct effects of elevated ammonia concentrations on the brain will lead to a cascade of secondary effects and encephalopathy.

Mild hypothermia prevents brain edema and attenuates up-regulation of the astrocytic benzodiazepine receptor in experimental acute liver failure.

BACKGROUND/AIMS: Mild hypothermia has proven useful in the clinical management of patients with acute liver failure. Acute liver failure in experimental animals results in alterations in the expression of genes coding for astrocytic proteins including the "peripheral-type" (astrocytic) benzodiazepine receptor (PTBR), a mitochondrial complex associated with neurosteroid synthesis. To gain further insight into the mechanisms whereby hypothermia attenuates the neurological complications of acute liver failure, we investigated PTBR expression in the brains of hepatic devascularized rats under normothermic (37 degrees C) and hypothermic (35 degrees C) conditions. METHODS: PTBR mRNA was measured using semi-quantitative RT-PCR in cerebral cortical extracts and densities of PTBR sites were measured by quantitative receptor autoradiagraphy. Brain pregnenolone content was measured by radioimmunoassay. RESULTS: At coma stages of encephalopathy, animals with acute liver failure manifested a significant increase of PTBR mRNA levels. Brain pregnenolone content and [(3)H]PK 11195 binding site densities were concomitantly increased. Mild hypothermia prevented brain edema and significantly attenuated the increased receptor expression and pregnenolone content. CONCLUSIONS: These findings suggest that an attenuation of PTBR up-regulation resulting in the prevention of increased brain neurosteroid content represents one of the mechanisms by which mild hypothermia exerts its protective effects in ALF.

Systemic oxidative stress is implicated in the pathogenesis of brain edema in rats with chronic liver failure.

Chronic liver failure leads to hyperammonemia, a central component in the pathogenesis of hepatic encephalopathy (HE); however, a correlation between blood ammonia levels and HE severity remains controversial. It is believed oxidative stress plays a role in modulating the effects of hyperammonemia. This study aimed to determine the relationship between chronic hyperammonemia, oxidative stress, and brain edema (BE) in two rat models of HE: portacaval anastomosis (PCA) and bile-duct ligation (BDL). Ammonia and reactive oxygen species (ROS) levels, BE, oxidant and antioxidant enzyme activities, as well as lipid peroxidation were assessed both systemically and centrally in these two different animal models. Then, the effects of allopurinol (xanthine oxidase inhibitor, 100mg/kg for 10days) on ROS and BE and the temporal resolution of ammonia, ROS, and BE were evaluated only in BDL rats. Similar arterial and cerebrospinal fluid ammonia levels were found in PCA and BDL rats, both significantly higher compared to their respective sham-operated controls (p<0.05). BE was detected in BDL rats (p<0.05) but not in PCA rats. Evidence of oxidative stress was found systemically but not centrally in BDL rats: increased levels of ROS, increased activity of xanthine oxidase (oxidant enzyme), enhanced oxidative modifications on lipids, as well as decreased antioxidant defense. In PCA rats, a preserved oxidant/antioxidant balance was demonstrated. Treatment with allopurinol in BDL rats attenuated both ROS and BE, suggesting systemic oxidative stress is implicated in the pathogenesis of BE. Analysis of ROS and ammonia temporal resolution in the plasma of BDL rats suggests systemic oxidative stress might be an important "first hit", which, followed by increases in ammonia, leads to BE in chronic liver failure. In conclusion, chronic hyperammonemia and oxidative stress in combination lead to the onset of BE in rats with chronic liver failure.

Quantification of standing balance in survivors of childhood posterior fossa brain tumours

Malgré un intérêt grandissant pour la question du devenir des survivants de tumeur cérébrale pédiatrique, l’évaluation de leur équilibre est souvent négligée. Les objectifs de nos travaux étaient de 1) examiner les écrits portant sur l’équilibre chez les survivants de tumeur cérébrale pédiatrique; 2) comparer l'équilibre debout et la qualité de vie entre les survivants et un groupe d’enfants témoins; et 3) examiner l'association entre l'équilibre debout et qualité de vie chez les survivants. Notre recension des écrits démontra que les survivants de tumeur cérébrale présentent des troubles de l’équilibre, mais les limites méthodologiques des études nous empêchent de conclure de manière définitive. Ensuite, nous avons recruté un groupe d’enfants survivants d’une tumeur cérébrale de la fosse postérieure et un groupe d’enfants sains. Leur équilibre était évalué à l’aide du Bruininks-Oseretsky Test of Motor Proficiency-2nd edition (BOT-2) et du Pediatric Balance Scale (PBS). Certains participants ont aussi été évalués avec une plate-forme de force où les limites de stabilité étaient documentées. Finalement, tous les enfants et leurs parents remplissaient le Pediatric Quality of Life Inventory (PedsQL4.0). Nos résultats démontrent que les survivants présentent une diminution de l’équilibre mise en évidence par le BOT-2, mais que leur qualité de vie est similaire aux enfants sains. La performance au BOT-2 est associée à la dimension physique du PedsQL4.0, suggérant une relation entre l’équilibre et la qualité de vie. Nos résultats suggèrent qu’une évaluation de l’équilibre pourrait être bénéfique chez cette clientèle afin de mieux cerner ses besoins de réadaptation.

Étude du traitement visuel simple et complexe chez les enfants autistes

Les personnes ayant un trouble du spectre autistique (TSA) manifestent des particularités perceptives. En vision, des travaux influents chez les adultes ont mené à l’élaboration d’un modèle explicatif du fonctionnement perceptif autistique qui suggère que l’efficacité du traitement visuel varie en fonction de la complexité des réseaux neuronaux impliqués (Hypothèse spécifique à la complexité). Ainsi, lorsque plusieurs aires corticales sont recrutées pour traiter un stimulus complexe (e.g., modulations de texture; attributs de deuxième ordre), les adultes autistes démontrent une sensibilité diminuée. À l’inverse, lorsque le traitement repose principalement sur le cortex visuel primaire V1 (e.g., modulations locales de luminance; attributs de premier ordre), leur sensibilité est augmentée (matériel statique) ou intacte (matériel dynamique). Cette dissociation de performance est spécifique aux TSA et peut s’expliquer, entre autre, par une connectivité atypique au sein de leur cortex visuel. Les mécanismes neuronaux précis demeurent néanmoins méconnus. De plus, on ignore si cette signature perceptuelle est présente à l’enfance, information cruciale pour les théories perceptives de l’autisme. Le premier volet de cette thèse cherche à vérifier, à l’aide de la psychophysique et l’électrophysiologie, si la double dissociation de performance entre les attributs statiques de premier et deuxième ordre se retrouve également chez les enfants autistes d’âge scolaire. Le second volet vise à évaluer chez les enfants autistes l’intégrité des connexions visuelles descendantes impliquées dans le traitement des textures. À cet effet, une composante électrophysiologique reflétant principalement des processus de rétroaction corticale a été obtenue lors d’une tâche de ségrégation des textures. Les résultats comportementaux obtenus à l’étude 1 révèlent des seuils sensoriels similaires entre les enfants typiques et autistes à l’égard des stimuli définis par des variations de luminance et de texture. Quant aux données électrophysiologiques, il n’y a pas de différence de groupe en ce qui concerne le traitement cérébral associé aux stimuli définis par des variations de luminance. Cependant, contrairement aux enfants typiques, les enfants autistes ne démontrent pas une augmentation systématique d’activité cérébrale en réponse aux stimuli définis par des variations de texture pendant les fenêtres temporelles préférentiellement associées au traitement de deuxième ordre. Ces différences d’activation émergent après 200 ms et engagent les aires visuelles extrastriées des régions occipito-temporales et pariétales. Concernant la connectivité cérébrale, l’étude 2 indique que les connexions visuelles descendantes sont fortement asymétriques chez les enfants autistes, en défaveur de la région occipito-temporale droite. Ceci diffère des enfants typiques pour qui le signal électrophysiologique reflétant l’intégration visuo-corticale est similaire entre l’hémisphère gauche et droit du cerveau. En somme, en accord avec l’hypothèse spécifique à la complexité, la représentation corticale du traitement de deuxième ordre (texture) est atypiquement diminuée chez les enfants autistes, et un des mécanismes cérébraux impliqués est une altération des processus de rétroaction visuelle entre les aires visuelles de haut et bas niveau. En revanche, contrairement aux résultats obtenus chez les adultes, il n’y a aucun indice qui laisse suggérer la présence de mécanismes supérieurs pour le traitement de premier ordre (luminance) chez les enfants autistes.

Warfarin-induced vitamin K deficiency is associated with cognitive and behavioral perturbations, and alterations in brain sphingolipids in rats

La Vitamine K (VK) est largement reconnue pour son rôle dans la coagulation sanguine toutefois, de plus en plus de travaux indiquent son implication dans la fonction cérébrale. La VK est requise pour l'activation de différentes protéines, par exemple la protéine Gas6, et la ménaquinone-4 (MK-4), le principal vitamère K dans le cerveau, est impliquée dans le métabolisme des sphingolipides. Dans un rapport précédent, nous avons montré qu'un régime alimentaire faible en VK tout au long de la vie était associé à des déficits cognitifs chez des rats âgés. La warfarine sodique est un puissant antagoniste de la VK qui agit en bloquant le cycle de la VK, provoquant un «déficit relatif de VK » au niveau cellulaire. À la lumière du rôle émergent de la VK dans le cerveau, la warfarine pourrait représenter un facteur de risque pour la fonction cérébrale. Ce travail est donc pertinente en raison de la forte proportion d'adultes traîtés à la warfarine sodique. Dans la présente étude, 14 rats mâles Wistar ont été traités avec 14 mg de warfarine/kg /jour (dans l'eau potable) et des injections sous-cutanées de VK (85 mg/kg), 3x/sem, pendant 10 semaines. Quatorze rats témoins ont été traités avec de l'eau normale et injectés avec une solution saline. Les rats ont été soumis à différents tests comportementaux après quoi les niveaux de phylloquinone, MK-4, sphingolipides (cérébroside, sulfatide, sphingomyéline, céramide et gangliosides), et les sous-types de gangliosides (GT1b, GD1a, GM1, GD1b), ont été évalués dans différentes régions du cerveau. Comparativement aux rats du groupe contrôle, les rats traités à la warfarine présentaient des latences plus longues au test de la piscine de Morris (p <0,05) ainsi qu'une hypoactivité et un comportement exploratoire plus faible au test de « l’open field » (p <0,05). Le traitement par warfarine a également entraîné une diminution spectaculaire du niveau de MK-4 dans toutes les régions du cerveau (p <0,001), une altération des concentrations de sphingolipidiques, en particulier dans le cortex frontal et le mésencéphale (p <0,05), et une perte de différences régionales sphingolipidiques, notamment pour les gangliosides. Le traitement par warfarine a été associé à un niveau inférieur de GD1a dans l'hippocampe et un niveau supérieur de GT1b dans le cortex préfrontal et le striatum. En conclusion, la déficience en VK induite par warfarine altère les niveaux de VK et sphingolipides dans le cerveau, avec de potentiels effets néfastes sur les fonctions cérébrales.

Brain edema in acute liver failure and chronic liver disease: Similarities and differences.

Hepatic encephalopathy (HE) is a complex neuropsychiatric syndrome that typically develops as a result of acute liver failure or chronic liver disease. Brain edema is a common feature associated with HE. In acute liver failure, brain edema contributes to an increase in intracranial pressure, which can fatally lead to brain stem herniation. In chronic liver disease, intracranial hypertension is rarely observed, even though brain edema may be present. This discrepancy in the development of intracranial hypertension in acute liver failure versus chronic liver disease suggests that brain edema plays a different role in relation to the onset of HE. Furthermore, the pathophysiological mechanisms involved in the development of brain edema in acute liver failure and chronic liver disease are dissimilar. This review explores the types of brain edema, the cells, and pathogenic factors involved in its development, while emphasizing the differences in acute liver failure versus chronic liver disease. The implications of brain edema developing as a neuropathological consequence of HE, or as a cause of HE, are also discussed.

Nature of crossmodal plasticity in the blind brain and interplay with sight restoration

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université catholique de Louvain.

Comparative costs and outcomes of traumatic brain injury from biking accidents with or without helmet use

Contexte: Évaluer les déterminants de maladies évitables et leurs coûts est nécessaire dans le contexte d’assurance maladie universelle. Le moment d’évaluer les impacts des traumatismes crâniocérébraux (TCC) survenus lors d’accidents de vélo est idéal vu la popularité récente du cyclisme au Québec. Objectifs: Comparer les caractéristiques démographiques et médicales, ainsi que les coûts sociétaux qu’engendrent les TCC de cyclistes portant ou non un casque. Méthodologie: Étude rétrospective de 128 cyclistes avec TCC admis à l’Hôpital Général de Montréal entre 2007 et 2011. Les variables indépendantes sont sociodémographiques, cliniques et le port du casque. Les variables dépendantes sont la durée de séjour, l’échelle GOS-E, l’échelle ISS, l’orientation au congé, les décès et les coûts à la société. Résultats: Le groupe portant un casque était plus vieux, plus éduqué, retraité et marié; au niveau médical, ils avaient des TCCs moins sévères à l’imagerie, des hospitalisations aux soins intensifs plus courtes et moins de neurochirurgies. Les coûts médians à la société pour les TCC isolés de cyclistes avec casque étaient significativement moindres. Conclusion: Dans cette étude, le port du casque semblait prévenir certaines complications des TCC et permettait de faire économiser de l’argent à l’état. Le port de casque est recommandé.

Asymétries fonctionnelles du cortex visuel observées par spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle

Les objectifs de ce mémoire sont d’étudier la rétinotopie et les asymétries fonctionnelles du cortex visuel chez l’humain avec la spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle (SPIRf), tout en confirmant la fiabilité de cette technique. Tel qu’attendu, les résultats montrent une activation plus forte dans l’hémisphère controlatéral et dans le cortex haut/bas inverse à l’hémichamp stimulé. Nous avons également mesuré une activation significativement plus forte dans le cortex visuel supérieur (lorsque le champ visuel inférieur était stimulé) que l’activation dans le cortex visuel inférieur (lorsque le champ visuel supérieur était stimulé), surtout lorsque ces stimuli étaient présentés dans le champ visuel droit. Il s’agit de la première étude en SPIRf à observer les asymétries horizontale et verticale du cortex visuel et à ainsi confirmer l’existence de ces asymétries. Cette étude témoigne également de la fiabilité de la SPIRf comme technique d’imagerie pour cartographier le cerveau humain.

Association of reduced extracellular brain ammonia, lactate, and intracranial pressure in pigs with acute liver failure.

We previously demonstrated in pigs with acute liver failure (ALF) that albumin dialysis using the molecular adsorbents recirculating system (MARS) attenuated a rise in intracranial pressure (ICP). This was independent of changes in arterial ammonia, cerebral blood flow and inflammation, allowing alternative hypotheses to be tested. The aims of the present study were to determine whether changes in cerebral extracellular ammonia, lactate, glutamine, glutamate, and energy metabolites were associated with the beneficial effects of MARS on ICP. Three randomized groups [sham, ALF (induced by portacaval anastomosis and hepatic artery ligation), and ALF+MARS] were studied over a 6-hour period with a 4-hour MARS treatment given beginning 2 hours after devascularization. Using cerebral microdialysis, the ALF-induced increase in extracellular brain ammonia, lactate, and glutamate was significantly attenuated in the ALF+MARS group as well as the increases in extracellular lactate/pyruvate and lactate/glucose ratios. The percent change in extracellular brain ammonia correlated with the percent change in ICP (r(2) = 0.511). Increases in brain lactate dehydrogenase activity and mitochondrial complex activity for complex IV were found in ALF compared with those in the sham, which was unaffected by MARS treatment. Brain oxygen consumption did not differ among the study groups. Conclusion: The observation that brain oxygen consumption and mitochondrial complex enzyme activity changed in parallel in both ALF- and MARS-treated animals indicates that the attenuation of increased extracellular brain ammonia (and extracellular brain glutamate) in the MARS-treated animals reduces energy demand and increases supply, resulting in attenuation of increased extracellular brain lactate. The mechanism of how MARS reduces extracellular brain ammonia requires further investigation.