Structural Brain Connectivity in School-Age Preterm Infants Provides Evidence for Impaired Networks Relevant for Higher Order Cognitive Skills and Social Cognition.

Extreme prematurity and pregnancy conditions leading to intrauterine growth restriction (IUGR) affect thousands of newborns every year and increase their risk for poor higher order cognitive and social skills at school age. However, little is known about the brain structural basis of these disabilities. To compare the structural integrity of neural circuits between prematurely born controls and children born extreme preterm (EP) or with IUGR at school age, long-ranging and short-ranging connections were noninvasively mapped across cortical hemispheres by connection matrices derived from diffusion tensor tractography. Brain connectivity was modeled along fiber bundles connecting 83 brain regions by a weighted characterization of structural connectivity (SC). EP and IUGR subjects, when compared with controls, had decreased fractional anisotropy-weighted SC (FAw-SC) of cortico-basal ganglia-thalamo-cortical loop connections while cortico-cortical association connections showed both decreased and increased FAw-SC. FAw-SC strength of these connections was associated with poorer socio-cognitive performance in both EP and IUGR children.

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.

CTP in Transient Global Amnesia: A Single-Center Experience of 30 Patients.

BACKGROUND AND PURPOSE: Medial temporal lobe abnormalities on DWI and functional imaging are occasionally observed in patients with transient global amnesia. We used CTP to study these patients during or briefly after resolution of their amnesic syndrome. MATERIALS AND METHODS: From 2002 onward, patients satisfying clinical criteria for transient global amnesia who underwent CTP were included. Patients with additional clinical features suggesting transient ischemic attack or stroke and those with an ischemic lesion on subsequent DWI were excluded. If deemed necessary by the clinician, DWI was performed within 10 days. RESULTS: Thirty patients with transient global amnesia underwent CTP at a median latency of 5.9 hours (interquartile range, 4.3-9.7 hours) after symptom onset. All findings, except for those in 1 patient, were normal, including those in the 14 patients with well-imaged hippocampi. In the patient with abnormal findings, CTP and PWI showed hypoperfusion in both lentiform nuclei extending into the insulae, with normalization on the repeat CTP 6 days later. In 10 patients, DWI was performed at a median latency of 2 days (interquartile range, 0-9 days). Of these, 2 showed punctate hippocampal lesions, often seen in transient global amnesia. In 2 patients excluded because of mildly atypical transient global amnesia and ischemic lesions on subsequent DWI, acute CTP findings were also normal. CONCLUSIONS: Patients with transient global amnesia had normal CTP findings in the acute phase with the exception of 1 patient with transient hypoperfusion in both basal ganglia. If imaging is performed for typical and atypical transient global amnesia, DWI should be the preferred method.

Antenatal inflammation and brain pathology in preterm infants

Chorioamnionitis is known to be an important risk factor underlying preterm delivery, and it has also been suggested to associate with brain lesions and deviant neurological development in both preterm and term infants. Cytokines are believed to be the link causing the deleterious effects of inflammation to the nervous system. Their genetic regulation has also been suggested to play a role, as interleukin (IL)-6 -174 and -572 genotypes, which partly regulate IL-6 synthesis responses, have been connected with deviant neurological development in preterm infants. We evaluated the association of histological chorioamnionitis with brain lesions, regional brain volumes, and the functioning of the auditory pathway in very low birth weight/very low gestational age (VLBW/VLGA) infants. In addition, we investigated the association between IL-6 -174 and -572 genotypes and histological chorioamnionitis, neonatal infections, and brain lesions and regional brain volumes in VLBW/VLGA infants. This study is a part of a larger multidisciplinary project PIPARI (Development and Functioning of Very Low Birth Weight Infants from Infancy to School Age), in which the survivors of a 6-year cohort of VLBW/VLGA infants (n=274) are being followed until school age in Turku University Central Hospital, Finland. Placental samples were collected in the delivery room, and were analyzed for histological inflammatory findings. Blood samples from the infants were collected and DNA was genotyped for IL-6-174 and -572 polymorphisms (GG/GC/CC). Brain ultrasound examinations were performed repeatedly in the neonatal intensive care unit and at term age, and were analysed for structural brain lesions. Brain magnetic resonance imaging was performed at term age, and was analysed for regional brain volumes. In addition, diffusion tensor imaging was performed at term, and was used to analyse fractional anisotrophy and the apparent diffusion coefficient of inferior colliculus. The brainstem auditory evoked potential recordings were carried out according to the routine clinical procedure at median age of 30 days after term age. In our study, we found that histological chorioamnionitis was not an independent risk factor for brain lesions, reduced regional brain volumes or abnormal functioning of the auditory pathway in VLBW/VLGA infants. In addition, we found that IL-6 -174 GG and -572 GC genotypes were associated with a higher incidence of histological chorioamnionitis, and that -174 CC genotype associated with higher incidence of septicaemia. The analysed IL-6 genotypes were not associated with other brain lesions, but a reduced volume of basal ganglia and thalami was associated with IL-6 -174 CC and -572 GG genotypes. In conclusion, our findings suggest that histological chorioamnionitis is not an independent risk factor for the brain development of VLBW/VLGA infants, or that the risk caused by inflammation does not exceed the risks attributed to other underlying pathologies behind preterm deliveries. In addition, our findings give reason to propose that IL-6 promoter genotypes have a role in the defence against serious infections and in the brain development of VLBW/VLGA infants.

Nucleus accumbens is involved in human action monitoring: evidence from invasive electrophysiological recordings

The Nucleus accumbens (Nacc) has been proposed to act as a limbic-motor interface. Here, using invasive intraoperative recordings in an awake patient suffering from obsessive-compulsive disease (OCD), we demonstrate that its activity is modulated by the quality of performance of the subject in a choice reaction time task designed to tap action monitoring processes. Action monitoring, that is, error detection and correction, is thought to be supported by a system involving the dopaminergic midbrain, the basal ganglia, and the medial prefrontal cortex. In surface electrophysiological recordings, action monitoring is indexed by an error-related negativity (ERN) appearing time-locked to the erroneous responses and emanating from the medial frontal cortex. In preoperative scalp recordings the patient's ERN was found to be signifi cantly increased compared to a large (n = 83) normal sample, suggesting enhanced action monitoring processes. Intraoperatively, error-related modulations were obtained from the Nacc but not from a site 5 mm above. Importantly, crosscorrelation analysis showed that error-related activity in the Nacc preceded surface activity by 40 ms. We propose that the Nacc is involved in action monitoring, possibly by using error signals from the dopaminergic midbrain to adjust the relative impact of limbic and prefrontal inputs on frontal control systems in order to optimize goal-directed behavior.

Language recovery and evidence of residual deficits after nonthalamic subcortical stroke: A 1 year follow-up study

A variety of language disturbances including aphasia have been described after subcortical stroke but less is known about the factors that influence the long-term recovery of stroke-induced language dysfunction. We prospectively examined the role of the affected hemisphere and the lesion site in the occurrence and recovery of language deficits in nonthalamic subcortical stroke. Forty patients with unilateral basal gangliastroke underwent language assessment within 1 week, 3 months and 1 year after stroke. Disturbances in at least one language domain were observed in 35 patients during the first week post stroke including aphasia diagnosed in 11 patients. Importantly, the appearance of deficits after stroke onset and the improvement of language function were not determined by the site of subcortical lesion, but instead were critically influenced by the affected hemisphere. In fact, the language impairments following left and right basal ganglia stroke mirrored the language dysfunction observed after cortical lesions in the same hemisphere. A significant overall language improvement was observed at 3 months after stroke, although residual deficits in languageexecutive function were the most commonly observed impairment at 1 year follow-up. Although a substantial improvement of language function can be expected after nonthalamic subcortical stroke, our findings suggest that language recovery may not be fully achieved at 1 year post

Brain SPECT imaging in Sydenham's chorea

The objective of the present study was to determine whether brain single-photon emission computed tomography (SPECT) imaging is capable of detecting perfusional abnormalities. Ten Sydenham's chorea (SC) patients, eight females and two males, 8 to 25 years of age (mean 13.4), with a clinical diagnosis of SC were submitted to brain SPECT imaging. We used HMPAO labeled with technetium-99m at a dose of 740 MBq. Six examinations revealed hyperperfusion of the basal ganglia, while the remaining four were normal. The six patients with abnormal results were females and their data were not correlated with severity of symptoms. Patients with abnormal brain SPECT had a more recent onset of symptoms (mean of 49 days) compared to those with normal SPECT (mean of 85 days) but this difference did not reach statistical significance. Brain SPECT can be a helpful method to determine abnormalities of the basal ganglia in SC patients but further studies on a larger number of patients are needed in order to detect the phase of the disease during which the examination is more sensitive.

The origin of cortical neurons

Neurons of the mammalian cerebral cortex comprise two broad classes: pyramidal neurons, which project to distant targets, and the inhibitory nonpyramidal cells, the cortical interneurons. Pyramidal neurons are generated in the germinal ventricular zone, which lines the lateral ventricles, and migrate along the processes of radial glial cells to their positions in the developing cortex in an `inside-out' sequence. The GABA-containing nonpyramidal cells originate for the most part in the ganglionic eminence, the primordium of the basal ganglia in the ventral telencephalon. These cells follow tangential migratory routes to enter the cortex and are in close association with the corticofugal axonal system. Once they enter the cortex, they move towards the ventricular zone, possibly to obtain positional information, before they migrate radially in the direction of the pial surface to take up their positions in the developing cortex. The mechanisms that guide interneurons throughout these long and complex migratory routes are currently under investigation.

Striatal and extrastriatal atrophy in Huntington's disease and its relationship with length of the CAG repeat

Huntington's disease (HD) is an autosomal dominant neurodegenerative disorder that affects the striatum most severely. However, except for juvenile forms, relative preservation of the cerebellum has been reported. The objective of the present study was to perform MRI measurements of caudate, putamen, cerebral, and cerebellar volumes and correlate these findings with the length of the CAG repeat and clinical parameters. We evaluated 50 consecutive patients with HD using MRI volumetric measurements and compared them to normal controls. Age at onset of the disease ranged from 4 to 73 years (mean: 43.1 years). The length of the CAG repeat ranged from 40 to 69 (mean: 47.2 CAG). HD patients presented marked atrophy of the caudate and putamen, as well as reduced cerebellar and cerebral volumes. There was a significant correlation between age at onset of HD and length of the CAG repeat, as well as clinical disability and age at onset. The degree of basal ganglia atrophy correlated with the length of the CAG repeat. There was no correlation between cerebellar or cerebral volume and length of the CAG repeat. However, there was a tendency to a positive correlation between duration of disease and cerebellar atrophy. While there was a negative correlation of length of the CAG repeat with age at disease onset and with striatal degeneration, its influence on extrastriatal atrophy, including the cerebellum, was not clear. Extrastriatal atrophy occurs later in HD and may be related to disease duration.

Increased coherence among striatal regions in the theta range during attentive wakefulness

The striatum, the largest component of the basal ganglia, is usually subdivided into associative, motor and limbic components. However, the electrophysiological interactions between these three subsystems during behavior remain largely unknown. We hypothesized that the striatum might be particularly active during exploratory behavior, which is presumably associated with increased attention. We investigated the modulation of local field potentials (LFPs) in the striatum during attentive wakefulness in freely moving rats. To this end, we implanted microelectrodes into different parts of the striatum of Wistar rats, as well as into the motor, associative and limbic cortices. We then used electromyograms to identify motor activity and analyzed the instantaneous frequency, power spectra and partial directed coherence during exploratory behavior. We observed fine modulation in the theta frequency range of striatal LFPs in 92.5 ± 2.5% of all epochs of exploratory behavior. Concomitantly, the theta power spectrum increased in all striatal channels (P < 0.001), and coherence analysis revealed strong connectivity (coefficients >0.7) between the primary motor cortex and the rostral part of the caudatoputamen nucleus, as well as among all striatal channels (P < 0.001). Conclusively, we observed a pattern of strong theta band activation in the entire striatum during attentive wakefulness, as well as a strong coherence between the motor cortex and the entire striatum. We suggest that this activation reflects the integration of motor, cognitive and limbic systems during attentive wakefulness.

Striatal and extrastriatal dopamine D2/3 receptors studied with [11C]raclopride and high-resolution PET

The human striatum is a heterogeneous structure representing a major part of the dopamine (DA) system’s basal ganglia input and output. Positron emission tomography (PET) is a powerful tool for imaging DA neurotransmission. However, PET measurements suffer from bias caused by the low spatial resolution, especially when imaging small, D2/3 -rich structures such as the ventral striatum (VST). The brain dedicated high-resolution PET scanner, ECAT HRRT (Siemens Medical Solutions, Knoxville, TN, USA) has superior resolution capabilities than its predecessors. In the quantification of striatal D2/3 binding, the in vivo highly selective D2/3 antagonist [11C] raclopride is recognized as a well-validated tracer. The aim of this thesis was to use a traditional test-retest setting to evaluate the feasibility of utilizing the HRRT scanner for exploring not only small brain regions such as the VST but also low density D2/3 areas such as cortex. It was demonstrated that the measurement of striatal D2/3 binding was very reliable, even when studying small brain structures or prolonging the scanning interval. Furthermore, the cortical test-retest parameters displayed good to moderate reproducibility. For the first time in vivo, it was revealed that there are significant divergent rostrocaudal gradients of [11C]raclopride binding in striatal subregions. These results indicate that high-resolution [11C]raclopride PET is very reliable and its improved sensitivity means that it should be possible to detect the often very subtle changes occurring in DA transmission. Another major advantage is the possibility to measure simultaneously striatal and cortical areas. The divergent gradients of D2/3 binding may have functional significance and the average distribution binding could serve as the basis for a future database. Key words: dopamine, PET, HRRT, [11C]raclopride, striatum, VST, gradients, test-retest.

Modèle informatique du coapprentissage des ganglions de la base et du cortex : l'apprentissage par renforcement et le développement de représentations

Tout au long de la vie, le cerveau développe des représentations de son environnement permettant à l’individu d’en tirer meilleur profit. Comment ces représentations se développent-elles pendant la quête de récompenses demeure un mystère. Il est raisonnable de penser que le cortex est le siège de ces représentations et que les ganglions de la base jouent un rôle important dans la maximisation des récompenses. En particulier, les neurones dopaminergiques semblent coder un signal d’erreur de prédiction de récompense. Cette thèse étudie le problème en construisant, à l’aide de l’apprentissage machine, un modèle informatique intégrant de nombreuses évidences neurologiques. Après une introduction au cadre mathématique et à quelques algorithmes de l’apprentissage machine, un survol de l’apprentissage en psychologie et en neuroscience et une revue des modèles de l’apprentissage dans les ganglions de la base, la thèse comporte trois articles. Le premier montre qu’il est possible d’apprendre à maximiser ses récompenses tout en développant de meilleures représentations des entrées. Le second article porte sur l'important problème toujours non résolu de la représentation du temps. Il démontre qu’une représentation du temps peut être acquise automatiquement dans un réseau de neurones artificiels faisant office de mémoire de travail. La représentation développée par le modèle ressemble beaucoup à l’activité de neurones corticaux dans des tâches similaires. De plus, le modèle montre que l’utilisation du signal d’erreur de récompense peut accélérer la construction de ces représentations temporelles. Finalement, il montre qu’une telle représentation acquise automatiquement dans le cortex peut fournir l’information nécessaire aux ganglions de la base pour expliquer le signal dopaminergique. Enfin, le troisième article évalue le pouvoir explicatif et prédictif du modèle sur différentes situations comme la présence ou l’absence d’un stimulus (conditionnement classique ou de trace) pendant l’attente de la récompense. En plus de faire des prédictions très intéressantes en lien avec la littérature sur les intervalles de temps, l’article révèle certaines lacunes du modèle qui devront être améliorées. Bref, cette thèse étend les modèles actuels de l’apprentissage des ganglions de la base et du système dopaminergique au développement concurrent de représentations temporelles dans le cortex et aux interactions de ces deux structures.

Une lésion neurotoxique de l’habenula latérale amplifie la locomotion induite par un psychostimulant sans altérer la récompense

L’habenula, un noyau épithalamique, est située au centre de la voie dorsale diencéphalique. Cette voie relie les structures limbiques et les ganglions de la base aux cellules monoaminergiques du mésencéphale. En particulier, l’habenula latérale (HbL) projette directement aux cellules dopaminergiques et GABAergiques de l’aire tegmentale ventrale (ATV). L’ATV est le site d’origine de la voie mésolimbique dopaminergique, une voie impliquée de façon cruciale dans la manifestation des comportements dirigés. L’importance de cette projection habenulaire pour le comportement demeure encore méconnue. Ainsi, l’objectif de cette étude est d’approfondir notre compréhension du rôle de régulation de l’HbL sur les comportements dépendants de la neurotransmission dopaminergique. MATÉRIEL ET MÉTHODES: Des rats adultes mâles Sprague-Dawley ont été anesthésiés avec de l’isofluorane et installés sur un appareil stéréotaxique. L’acide iboténique, une neurotoxine agoniste des récepteurs glutamatergiques, était infusée bilatéralement dans l’HbL (0,25 μg/0,25 μl/côté). Les rats du groupe contrôle recevaient des infusions NaCl 0,9%. Les rats de l’expérience d’autostimulation intracérébrale (ASIC) étaient aussi implantés d’une électrode monopolaire dans le mésencéphale postérieur. Un groupe de rats était testé pour leur réponse de locomotion à l’amphétamine (0; 0,5 ou 1 mg/kg, intrapéritonéal), dix jours suivant la lésion de l’HbL. La locomotion était mesurée dans des chambres d’activité, chacune équipée de deux faisceaux parallèles infrarouges. Le jour du test, les rats étaient pesés et placés dans la chambre d’activité puis leur activité locomotrice de base était mesurée pendant une heure. Les rats recevaient ensuite une dose d’amphétamine ou le véhicule (NaCl 0,9%) par voie intrapéritonéale et l’activité locomotrice était mesurée pendant deux heures supplémentaires. Un groupe de rats distinct a été utilisé dans l’expérience d’ASIC. Commençant sept jours suivant la lésion, les rats étaient entraînés à appuyer sur un levier afin de s’autoadministrer des stimulations électriques, au cours de sessions quotidiennes. Nous avons ensuite mesuré chacun des taux de réponses d’une série de stimulations aux fréquences décroissantes. À partir d’une courbe réponses-fréquences, le seuil de récompense était inféré par la fréquence de la stimulation nécessaire pour produire une réponse semi-maximale. Les seuils de récompense étaient stabilisés à un niveau similaire pour l’ensemble des rats. Enfin, l’effet sur la récompense de l’amphétamine était testé aux mêmes doses employées pour l’expérience de locomotion. RÉSULTATS: Une lésion neurotoxique de l’HbL n’a pas altéré les niveaux de base de l’activité locomotrice dans chaque groupe. Cependant, une telle lésion a potentialisé l’effet de locomotion de l’amphétamine (1 mg/kg) pendant la première heure suivant son administration, et une tendance similaire était observable pendant la seconde heure. À l’inverse, nous n’avons observé aucune interaction entre une lésion à l’HbL et l’effet amplificateur sur la récompense de l’amphétamine. CONCLUSION: Nos résultats révèlent une importante contribution fonctionnelle de l’HbL à la locomotion induite par l’activation de la voie mésolimbique dopaminergique avec une dose de 1 mg/kg d’amphétamine. À l’opposé, aucun effet sur la récompense n’a été observé. Ces résultats suggèrent que l’activation psychomotrice et l’amplifiation de la récompense produite par l’amphétamine dépendent de substrats dissociables, chacun étant différentiellement sensible à la modulation provenant de l’HbL.

Rôle des circuits cortico-striataux dans la planification et l'exécution de règles lexicales

Des recherches, autant chez l’homme que chez l’animal, proposent qu’il existerait, au sein des réseaux cérébraux, une organisation anatomique parallèle de circuits qui coordonne l’activité des structures qui participent à la planification et à l’exécution d’une action. Dans cette foulée, un modèle émerge qui attribue au cortex préfrontal (CPF) latéral une spécificité anatomo-fonctionnelle basée sur les niveaux de traitement en mémoire de travail (MT). Il s’agit du modèle « niveaux de traitement-dépendant », qui accorde un rôle important au CPF latéral dans l’acquisition et la représentation de règles guidant nos comportements. Des études en neuroimagerie fonctionnelle, utilisant le Wisconsin Card Sorting Task (WCST) ont permis de corroborer ce modèle et de dissocier trois niveaux de traitement en MT non seulement au sein du CPF latéral mais encore aux structures sous- corticales, les ganglions de la base (GB). Ces études suggèrent que certains noyaux des GB seraient topographiquement organisés avec le CPF latéral et contriburaient, sous certaines conditions, à des processus cognitifs et moteurs semblables à leur homologue cortical. Le but de notre étude est d'explorer la généralisation de la contribution des GB et du CPF au modèle niveaux de traitement-dépendant afin de voir si ce dernier est indépendant de la nature des stimuli en mémoire de travail. À cet effet, nous avons modifié le WCST en l’appliquant à un autre domaine, celui du langage. Nous avons remplacé les pictogrammes par des mots et modifié les règles formes, couleurs, nombres, par des règles sémantiques et phonologiques. L’analyse des résultats a démontré que différentes parties des GB de concert avec différentes régions du CPF se différencient quant aux niveaux de traitement en MT et ce, indépendamment de la nature des stimuli. Une deuxième analyse a permis d’évaluer les patrons d’activations liés aux conditions sémantiques et phonologiques. Ces résultats ont mis en évidence que les réseaux préfrontaux semblent liés aux processus exécutifs nécessaires à la réalisation de la tâche, indépendamment de la condition tandis que les aires associatives se dissocient davantage et contiennent des réseaux propres à la sémantique et à la phonologie.

Effet de la maladie de Parkinson et de la médication dopaminergique sur les mécanismes de traitement et d'intégration sensorielle et l'adaptation visuomotrice

L’intégrité de notre système sensorimoteur est essentielle aux interactions adéquates avec notre environnement. Dans la maladie de Parkinson (MP), l’efficacité des interactions quotidiennes entre le corps et l’environnement est fréquemment réduite et diminue la qualité de vie. La MP est une maladie neurodégénérative résultant prioritairement d’une perte neuronale dopaminergique dans les ganglions de la base (GB). Cette dégénérescence altère le fonctionnement normal de la circuiterie associant les GB au cortex cérébral. L’administration de médications dopaminergiques permet d’améliorer les principaux symptômes cliniques moteurs de la MP. Cette thèse porte sur les rôles des GB dans les processus de traitement et d’intégration des informations sensorielles visuelle et proprioceptive et dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice. Elle s’intéresse également à l’influence de la médication dopaminergique sur ces fonctions sensorimotrices. Nous avons réalisé trois études comportementales, utilisant l’atteinte manuelle tridimensionnelle comme modèle expérimental. Dans chacune de ces études, nous avons comparé la performance de personnes âgées en santé à celle de personnes souffrant de la MP avec et sans leur médication antiparkinsonienne quotidienne. Ces trois études ont été réalisées à l’aide d’un système d’analyse de mouvement et une station de réalité virtuelle. Dans la première étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans l’intégration sensorimotrice ou le traitement des informations proprioceptives. Pour se faire, nous avons testé la capacité des patients MP à effectuer des atteintes manuelles tridimensionnelles précises dans quatre conditions variant la nature des informations sensorielles (visuelles et/ou proprioceptives) définissant la position de la main et de la cible. Les patients MP ont effectué, en moyenne, de plus grandes erreurs spatiales que les personnes en santé uniquement lorsque les informations proprioceptives étaient la seule source d’information sensorielle disponible. De plus, ces imprécisions spatiales étaient significativement plus grandes que celles des personnes en santé, seulement lorsque les patients étaient testés dans la condition médicamentée. La deuxième étude présentée dans cette thèse a permis de démontrer que les imprécisions spatiales des patients MP dans les conditions proprioceptives étaient le résultat de déficits dans l’utilisation en temps réel des informations proprioceptives pour guider les mouvements. Dans la troisième étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice explicite ou implicite. Pour se faire, nous avons testé les capacités adaptatives des patients MP dans deux tâches variant le décours temporel de l’application d’une perturbation visuomotrice tridimensionnelle. Dans la tâche explicite, la perturbation était introduite soudainement, produisant de grandes erreurs détectées consciemment. Dans la condition implicite, la perturbation était introduite graduellement ce qui engendrait de petites erreurs non détectables. Les résultats montrent que les patients MP dans les conditions médicamentée et non médicamentée présentent des déficits adaptatifs uniquement dans la tâche explicite. Dans l’ensemble, les résultats expérimentaux présentés dans cette thèse montrent que la médication dopaminergique n’améliore pas le traitement des afférences proprioceptives et l’adaptation visuomotrice des personnes souffrant de la MP. Ces observations suggèrent que les dysfonctions dans les circuits dopaminergiques dans les GB ne sont pas les seules responsables des déficits observés dans ces fonctions sensorimotrices.