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

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

Les habiletés spatio-cognitives des aveugles de naissance : résolution de labyrinthes tactiles

La navigation repose en majeure partie sur la vision puisque ce sens nous permet de rassembler des informations spatiales de façon simultanée et de mettre à jour notre position par rapport à notre environnement. Pour plusieurs aveugles qui se fient à l’audition, le toucher, la proprioception, l’odorat et l’écholocation pour naviguer, sortir à l’extérieur de chez soi peut représenter un défi considérable. Les recherches sur le circuit neuronal de la navigation chez cette population en particulier s’avèrent donc primordiales pour mieux adapter les ressources aux handicapés visuels et réussir à les sortir de leur isolement. Les aveugles de naissance constituent aussi une population d’intérêt pour l’étude de la neuroplasticité. Comme leur cerveau s’est construit en absence d’intrant visuel, la plupart des structures reliées au sens de la vue sont réduites en volume par rapport à ceux de sujets voyants. De plus, leur cortex occipital, une région normalement dédiée à la vision, possède une activité supramétabolique au repos, ce qui peut représenter un territoire vierge pouvant être recruté par les autres modalités pour exécuter diverses tâches sensorielles. Plusieurs chercheurs ont déjà démontré l’implication de cette région dans des tâches sensorielles comme la discrimination tactile et la localisation auditive. D’autres changements plastiques de nature intramodale ont aussi été observés dans le circuit neuronal de la navigation chez ces aveugles. Par exemple, la partie postérieure de l’hippocampe, impliquée dans l’utilisation de cartes mentales, est réduite en volume alors que la section antérieure est élargie chez ces sujets. Bien que ces changements plastiques anatomiques aient bel et bien été observés chez les aveugles de naissance, il reste toutefois à les relier avec leur aspect fonctionnel. Le but de la présente étude était d’investiguer les corrélats neuronaux de la navigation chez l’aveugle de naissance tout en les reliant avec leurs habiletés spatio-cognitives. La première étude comportementale a permis d’identifier chez les aveugles congénitaux une difficulté d’apprentissage de routes tactiles construites dans des labyrinthes de petite échelle. La seconde étude, employant la technique d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, a relié ces faiblesses au recrutement de régions cérébrales impliquées dans le traitement d’une perspective égocentrique, comme le lobule pariétal supérieur droit. Alors que des sujets voyants aux yeux bandés excellaient dans la tâche des labyrinthes, ces derniers recrutaient des structures impliquées dans un traitement allocentrique, comme l’hippocampe et le parahippocampe. Par ailleurs, la deuxième étude a confirmé le recrutement du cortex occipital dans une tâche de navigation chez les aveugles seulement. Ceci confirme l’implication de la plasticité intermodale dans des tâches cognitives de plus haut niveau, comme la navigation.

Le sens du goût chez l'aveugle congénital

Thèse réalisée en collaboration avec le Département de neurosciences et pharmacologie de l'Université de Copenhague, Danemark.

Impact de la cécité sur le système nociceptif

La vision joue un rôle très important dans la prévention du danger. La douleur a aussi pour fonction de prévenir les lésions corporelles. Nous avons donc testé l’hypothèse qu’une hypersensibilité à la douleur découlerait de la cécité en guise de compensation sensorielle. En effet, une littérature exhaustive indique qu’une plasticité intermodale s’opère chez les non-voyants, ce qui module à la hausse la sensibilité de leurs sens résiduels. De plus, plusieurs études montrent que la douleur peut être modulée par la vision et par une privation visuelle temporaire. Dans une première étude, nous avons mesuré les seuils de détection thermique et les seuils de douleur chez des aveugles de naissance et des voyants à l’aide d’une thermode qui permet de chauffer ou de refroidir la peau. Les participants ont aussi eu à quantifier la douleur perçue en réponse à des stimuli laser CO2 et à répondre à des questionnaires mesurant leur attitude face à des situations douloureuses de la vie quotidienne. Les résultats obtenus montrent que les aveugles congénitaux ont des seuils de douleur plus bas et des rapports de douleur plus élevés que leurs congénères voyants. De plus, les résultats psychométriques indiquent que les non-voyants sont plus attentifs à la douleur. Dans une deuxième étude, nous avons mesuré l’impact de l'expérience visuelle sur la perception de la douleur en répliquant la première étude dans un échantillon d’aveugles tardifs. Les résultats montrent que ces derniers sont en tous points similaires aux voyants quant à leur sensibilité à la douleur. Dans une troisième étude, nous avons testé les capacités de discrimination de température des aveugles congénitaux, car la détection de changements rapides de température est cruciale pour éviter les brûlures. Il s’est avéré que les aveugles de naissance ont une discrimination de température plus fine et qu’ils sont plus sensibles à la sommation spatiale de la chaleur. Dans une quatrième étude, nous avons examiné la contribution des fibres A∂ et C au traitement nociceptif des non-voyants, car ces récepteurs signalent la première et la deuxième douleur, respectivement. Nous avons observé que les aveugles congénitaux détectent plus facilement et répondent plus rapidement aux sensations générées par l’activation des fibres C. Dans une cinquième et dernière étude, nous avons sondé les changements potentiels qu’entrainerait la perte de vision dans la modulation descendante des intrants nociceptifs en mesurant les effets de l’appréhension d’un stimulus nocif sur la perception de la douleur. Les résultats montrent que, contrairement aux voyants, les aveugles congénitaux voient leur douleur exacerbée par l’incertitude face au danger, suggérant ainsi que la modulation centrale de la douleur est facilitée chez ces derniers. En gros, ces travaux indiquent que l’absence d’expérience visuelle, plutôt que la cécité, entraine une hausse de la sensibilité nociceptive, ce qui apporte une autre dimension au modèle d’intégration multi-sensorielle de la vision et de la douleur.

Impact de la cécité sur le système nociceptif

La vision joue un rôle très important dans la prévention du danger. La douleur a aussi pour fonction de prévenir les lésions corporelles. Nous avons donc testé l’hypothèse qu’une hypersensibilité à la douleur découlerait de la cécité en guise de compensation sensorielle. En effet, une littérature exhaustive indique qu’une plasticité intermodale s’opère chez les non-voyants, ce qui module à la hausse la sensibilité de leurs sens résiduels. De plus, plusieurs études montrent que la douleur peut être modulée par la vision et par une privation visuelle temporaire. Dans une première étude, nous avons mesuré les seuils de détection thermique et les seuils de douleur chez des aveugles de naissance et des voyants à l’aide d’une thermode qui permet de chauffer ou de refroidir la peau. Les participants ont aussi eu à quantifier la douleur perçue en réponse à des stimuli laser CO2 et à répondre à des questionnaires mesurant leur attitude face à des situations douloureuses de la vie quotidienne. Les résultats obtenus montrent que les aveugles congénitaux ont des seuils de douleur plus bas et des rapports de douleur plus élevés que leurs congénères voyants. De plus, les résultats psychométriques indiquent que les non-voyants sont plus attentifs à la douleur. Dans une deuxième étude, nous avons mesuré l’impact de l'expérience visuelle sur la perception de la douleur en répliquant la première étude dans un échantillon d’aveugles tardifs. Les résultats montrent que ces derniers sont en tous points similaires aux voyants quant à leur sensibilité à la douleur. Dans une troisième étude, nous avons testé les capacités de discrimination de température des aveugles congénitaux, car la détection de changements rapides de température est cruciale pour éviter les brûlures. Il s’est avéré que les aveugles de naissance ont une discrimination de température plus fine et qu’ils sont plus sensibles à la sommation spatiale de la chaleur. Dans une quatrième étude, nous avons examiné la contribution des fibres A∂ et C au traitement nociceptif des non-voyants, car ces récepteurs signalent la première et la deuxième douleur, respectivement. Nous avons observé que les aveugles congénitaux détectent plus facilement et répondent plus rapidement aux sensations générées par l’activation des fibres C. Dans une cinquième et dernière étude, nous avons sondé les changements potentiels qu’entrainerait la perte de vision dans la modulation descendante des intrants nociceptifs en mesurant les effets de l’appréhension d’un stimulus nocif sur la perception de la douleur. Les résultats montrent que, contrairement aux voyants, les aveugles congénitaux voient leur douleur exacerbée par l’incertitude face au danger, suggérant ainsi que la modulation centrale de la douleur est facilitée chez ces derniers. En gros, ces travaux indiquent que l’absence d’expérience visuelle, plutôt que la cécité, entraine une hausse de la sensibilité nociceptive, ce qui apporte une autre dimension au modèle d’intégration multi-sensorielle de la vision et de la douleur.

Impact Of Pregabalin Treatment On Synaptic Plasticity And Glial Reactivity During The Course Of Experimental Autoimmune Encephalomyelitis.

Multiple sclerosis (MS) is an autoimmune and neurodegenerative disease that affects young adults. It is characterized by generating a chronic demyelinating autoimmune inflammation in the central nervous system. An experimental model for studying MS is the experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), induced by immunization with antigenic proteins from myelin. The present study investigated the evolution of EAE in pregabalin treated animals up to the remission phase. The results demonstrated a delay in the onset of the disease with statistical differences at the 10th and the 16th day after immunization. Additionally, the walking track test (CatWalk) was used to evaluate different parameters related to motor function. Although no difference between groups was obtained for the foot print pressure, the regularity index was improved post treatment, indicating a better motor coordination. The immunohistochemical analysis of putative synapse preservation and glial reactivity revealed that pregabalin treatment improved the overall morphology of the spinal cord. A preservation of circuits was depicted and the glial reaction was downregulated during the course of the disease. qRT-PCR data did not show immunomodulatory effects of pregabalin, indicating that the positive effects were restricted to the CNS environment. Overall, the present data indicate that pregabalin is efficient for reducing the seriousness of EAE, delaying its course as well as reducing synaptic loss and astroglial reaction.

Comparing Near-infrared Conventional Diffuse Reflectance Spectroscopy And Hyperspectral Imaging For Determination Of The Bulk Properties Of Solid Samples By Multivariate Regression: Determination Of Mooney Viscosity And Plasticity Indices Of Natural Rubber.

Conventional reflectance spectroscopy (NIRS) and hyperspectral imaging (HI) in the near-infrared region (1000-2500 nm) are evaluated and compared, using, as the case study, the determination of relevant properties related to the quality of natural rubber. Mooney viscosity (MV) and plasticity indices (PI) (PI0 - original plasticity, PI30 - plasticity after accelerated aging, and PRI - the plasticity retention index after accelerated aging) of rubber were determined using multivariate regression models. Two hundred and eighty six samples of rubber were measured using conventional and hyperspectral near-infrared imaging reflectance instruments in the range of 1000-2500 nm. The sample set was split into regression (n = 191) and external validation (n = 95) sub-sets. Three instruments were employed for data acquisition: a line scanning hyperspectral camera and two conventional FT-NIR spectrometers. Sample heterogeneity was evaluated using hyperspectral images obtained with a resolution of 150 × 150 μm and principal component analysis. The probed sample area (5 cm(2); 24,000 pixels) to achieve representativeness was found to be equivalent to the average of 6 spectra for a 1 cm diameter probing circular window of one FT-NIR instrument. The other spectrophotometer can probe the whole sample in only one measurement. The results show that the rubber properties can be determined with very similar accuracy and precision by Partial Least Square (PLS) regression models regardless of whether HI-NIR or conventional FT-NIR produce the spectral datasets. The best Root Mean Square Errors of Prediction (RMSEPs) of external validation for MV, PI0, PI30, and PRI were 4.3, 1.8, 3.4, and 5.3%, respectively. Though the quantitative results provided by the three instruments can be considered equivalent, the hyperspectral imaging instrument presents a number of advantages, being about 6 times faster than conventional bulk spectrometers, producing robust spectral data by ensuring sample representativeness, and minimizing the effect of the presence of contaminants.

Arachnoid cyst: adversity ans plasticity

We report four cases of surgically treated intracranial arachnoid cysts, one with cyst-peritoneal shunt and three with craniotomy and arachnoid membrane resection. Their classification and etiopathogeny are discussed, and especially the different methods of treatment comparing the drastic complications (adversities) with the favorable solutions in severe clinical cases (plasticity) treated at our institution.

Expression of genes related to muscle plasticity after strength and power training regimens

The purpose of our study was to compare the effects of 8-week progressive strength and power training regimens on strength gains and muscle plasticity [muscle fiber hypertrophy and phenotype shift, mammalian target of rapamycin (mTOR), regulatory-associated protein of mTOR (RAPTOR), rapamycin-insensitive companion of m-TOR (RICTOR), calcineurin and calcipressin gene expression]. Twenty-nine physically active subjects were divided into three groups: strength training (ST), power training (PT) and control (C). Squat 1 RM and muscle biopsies were obtained before and after the training period. Strength increased similarly for both ST and PT groups (P < 0.001). Fiber types I, IIa and IIb presented hypertrophy main time effect (P < 0.05). Only type IIb percentage decreased from pre- to post-test (main time effect, P < 0.05). mTOR and RICTOR mRNA expression increased similarly from pre- to post-test (P < 0.01). RAPTOR increased after training for both groups (P < 0.0001), but to a greater extent in the ST (P < 0.001) than in the PT group. 4EBP-1 decreased after training when the ST and PT groups were pooled (P < 0.05). Calcineurin levels did not change after training, while calcipressin increased similarly from pre- to post-test (P < 0.01). In conclusion, our data indicate that these training regimens produce similar performance improvements; however, there was a trend toward greater hypertrophy-related gene expression and muscle fiber hypertrophy in the ST group.

Mesoscale plasticity anisotropy at the earliest stages of cavitation-erosion damage of a high nitrogen austenitic stainless steel

A high nitrogen austenitic stainless steel (0.9wt% N) and an ordinary 304 austenitic stainless steel were submitted to cavitation-erosion tests in a vibratory apparatus operating at a frequency of 20 kHz. The high nitrogen stainless steel was obtained by high temperature gas nitriding a 1-mm thick strip of an UNS 31803 duplex stainless steel. The 304 austenitic stainless steel was used for comparison purposes. The specimens were characterized by scanning electron microscopy and Electron Back Scatter Diffraction. The surface of the cavitation damaged specimens was analyzed trying to find out the regions where cavitation damage occurred preferentially. The distribution of sites where cavitation inception occurred was extremely heterogeneous, concentrating basically at (i) slip lines inside some grains and (ii) Sigma-3 coincidence site lattice (CSL) boundaries (twin boundaries). Furthermore, it was observed that the CE damage spread faster inside those grains which were more susceptible to damage incubation. The damage heterogeneity was addressed to plasticity anisotropy. Grains in which the crystallographic orientation leads to high resolved shear stress show intense damage at slip lines. Grain boundaries between grains with large differences in resolved shear stress where also intensely damaged. The relationship between crystallite orientation distributions, plasticity anisotropy and CE damage mechanisms are discussed. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

The crystal structure of free human hypoxanthineguanine phosphoribosyltransferase reveals extensive conformational plasticity throughout the catalytic cycle

Human hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase (HGPRT) catalyses the synthesis of the purine nucleoside monophosphates, IMP and GMP, by the addition of a 6-oxopurine base, either hypoxanthine or guanine, to the 1-beta-position of 5-phospho-U-D-ribosyl-1-pyrophosphate (PRib-PP). The mechanism is sequential, with PRib-PP binding to the free enzyme prior to the base. After the covalent reaction, pyrophosphate is released followed by the nucleoside monophosphate. A number of snapshots of the structure of this enzyme along the reaction pathway have been captured. These include the structure in the presence of the inactive purine base analogue, 7-hydroxy [4,3-d] pyrazolo pyrimidine (HPP) and PRib-PP. Mg2+, and in complex with IMP or GMP. The third structure is that of the immucillinHP.Mg2+.PPi complex, a transition-state analogue. Here, the first crystal structure of free human HGPRT is reported to 1.9 angstrom resolution, showing that significant conformational changes have to occur for the substrate(s) to bind and for catalysis to proceed. Included in these changes are relative movement of subunits within the tetramer, rotation and extension of an active-site alpha-helix (D137-D153), reorientation of key active-site residues K68, D137 and K165, and the rearrangement of three active-site loops (100-128, 165-173 and 186-196). Toxoplasina gondii HGXPRT is the only other 6-oxopurine phosphoribosyltransferase structure solved in the absence of ligands. Comparison of this structure with human HGPRT reveals significant differences in the two active sites, including the structure of the flexible loop containing K68 (human) or K79 (T gondii). (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Long-Term Astroglial Reaction and Neuronal Plasticity in the Subcortical Visual Pathways After a Complete Ablation of Telencephalon in Pigeons (Columba livia)

This paper analyzes the astroglial and neuronal responses in subtelencephalic structures, following a bilateral ablation of the telencephalon in the Columba livia pigeons. Control birds received a sham operation. Four months later the birds were sacrificed and their brains processed for glial fribillary acid protein (GFAP) and neurofilament immunohistochemistry, markers for astrocytes and neurons, respectively. Computer-assisted image analysis was employed for quantification of the immunoreactive labeling in the nucleus rotundus (N.Rt) and the optic tectum (OT) of the birds. An increased number of GFAP immunoreactive astrocytes were found in several subregions of the N.Rt (p .001), as well as in layers 1, 2cd, 3, and 6 of the OT (p .001) of the lesioned animals. Neurofilament immunoreactivity decreased massively in the entire N.Rt of the lesioned birds; however, remaining neurons with healthy aspect showing large cytoplasm and ramified branches were detected mainly in the periphery of the nucleus. In view of the recently described paracrine neurotrophic properties of the activated astrocytes, the data of the present study may suggest a long-lasting neuroglial interaction in regions of the lesioned bird brain far from injury. Such events may trigger neuronal plasticity in remaining brain structures that may lead spontaneous behavior recovery as the one promoted here even after a massive injury.

Endocrine signatures underlying plasticity in postembryonic development of a lower termite, Cryptotermes secundus (Kalotermitidae)

Wood-dwelling termites are characterized by an extremely high and unique developmental flexibility that allows workers, which are immatures, to explore all caste options. The endocrine signatures underlying this flexibility are only vaguely understood. We determined juvenile hormone (JH) and ecdysteroid hemolymph titers during postembryonic development and in terminal instars of the drywood termite Cryptotermes secundus using field and laboratory colonies. Postembryonic development is characterized by a drop in JH titers at the transition from larval (individuals without wing buds) to nymphal (individuals with wing buds) instars. JH titers were low in winged sexuals and reproducing primary reproductives (< 200 pg/mu l) but were by an order of magnitude higher in neotenic replacement reproductives. The unique regressive molts of termites seem to be characterized by elevated JH titers, compared with progressive or stationary molts. Ecdysteroid titers were generally low in nymphal instars and in primary reproductives (< 50 pg/mu l). It was only during the third and fourth nymphal instars and in winged sexuals where some individuals showed elevated ecdysteroid titers. These results are the most comprehensive endocrinological data set available for any lower termite, with the potential to serve as baseline for understanding the extreme developmental flexibility underlying the evolution of social life in termites.

Involvement of the Helicobacter pylori plasticity region and cag pathogenicity island genes in the development of gastroduodenal diseases

Infection by Helicobacter pylori is associated with the development of several gastroduodenal diseases, including gastritis, peptic ulcer disease (gastric ulcers and duodenal ulcers), and gastric adenocarcinoma. Although a number of putative virulence factors have been reported for H. pylori, there are conflicting results regarding their association with specific H. pylori-related diseases. In this work, we investigated the presence of virB11 and cagT, located in the left half of the cag pathogenicity island (cagPAI), and the jhp917-jhp918 sequences, components of the dupA gene located in the plasticity zone of H. pylori, in Brazilian isolates of H. pylori. We also examined the association between these genes and H. pylori-related gastritis, peptic ulcer disease, and gastric and duodenal ulcers in an attempt to identify a gene marker for clinical outcomes related to infection by H. pylori. The cagT gene was associated with peptic ulcer disease and gastric ulcers, whereas the virB11 gene was detected in nearly all of the samples. The dupA gene was not associated with duodenal ulcers or any gastroduodenal disease here analyzed. These results suggest that cagT could be a useful prognostic marker for the development of peptic ulcer disease in the state of Sao Paulo, Brazil. They also indicate that cagT is associated with greater virulence and peptic ulceration, and that this gene is an essential component of the type IV secretion system of H. pylori.