Course of lectures on the physiology and pathology of the central nervous system : delivered at the Royal college of surgeons of England in May, 1858 /

Includes bibliographical references and index.

The threat of predictable and unpredictable pain: Differential effects on central nervous system processing?

Central nervous system performance is disrupted by pain and by the threat of pain. It is not known whether disruption caused by the threat of pain is dependent on the likelihood of pain occurring. We hypothesised that when a painful stimulus is possible but unpredictable central nervous system performance is reduced, but when the pain is predictable and unavoidable it is not. Sixteen healthy subjects performed a reaction time task during predictable and unpredictable conditions (100% and 50% probability of pain, respectively). Group data showed increased reaction time with the threat of pain by 50 ms (95% Cl 16 to 83 ms) for the predictable condition and 46 ms (95% CI 12 to 80 ms) for the unpredictable condition (p < 0.01 for both), but there was no difference between predictable and unpredictable conditions (p = 0.41). However, individual data showed that there was a differential effect in 75% of subjects (p < 0.05 for all) and that there was a greater effect of predictable pain for some subjects and a greater effect of unpredictable pain for others. Reaction time was related to reported anxiety (r = 0.49, p = 0.02 for both conditions). The predictability of a painful stimulus may have a differential effect on central nervous system performance within individuals, but anxiety about the impending pain appears to be important in determining this effect.

A critical role for the parabrachial nucleus in generating central nervous system responses elicited by a systemic immune challenge

Using Fos immunolabelling as a marker of neuronal activation, we investigated the role of the parabrachial nucleus in generating central neuronal responses to the systemic administration of the proinflarnmatory cytokine interleukin-1beta (1 mug/kg, i.a.). Relative to intact animals, parabrachial nucleus lesions significantly reduced the number of Fos-positive cells observed in the central amygdala (CeA), the bed nucleus of the stria terminalis (BNST), and the ventrolateral medulla (VLM) after systemic interleukin-1beta. In a subsequent experiment in which animals received parabrachial-directed deposits of a retrograde tracer, it was found that many neurons located in the nucleus tractus solitarius (NTS) and the VLM neurons were both retrogradely labelled and Fos-positive after interleukin-1beta administration. These results suggest that the parabrachial nucleus plays a critical role in interleukin-1beta-induced Fos expression in CeA, BNST and VLM neurons and that neurons of the NTS and VLM may serve to trigger or at least influence changes in parabrachial nucleus activity that follows systemic interleukin-1beta administration. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

EphA4 regulates central nervous system vascular formation

Molecules involved in axon guidance have recently also been shown to play a role in blood vessel guidance. To examine whether axon guidance molecules, such as the EphA4 receptor tyrosine kinase, might also play a role in development of the central nervous system (CNS) vasculature and repair following CNS injury, we examined wild-type and EphA4 null mutant (-/-) mice. EphA4-/- mice exhibited an abnormal CNS vascular structure in both the cerebral cortex and the spinal cord, with disorganized branching and a 30% smaller diameter. During development, EphA4 was expressed on endothelial cells. This pattern of expression was not maintained in the adult. After spinal cord injury in wild-type mice, expression of EphA4 was markedly up-regulated on activated astrocytes, many of which were tightly associated with blood vessels. In EphA4-/- spinal cord following injury, astrocytes were not as tightly associated with blood vessels as the wild-type astrocytes. In uninjured EphA4-/- mice, the blood-brain barrier (BBB) appeared normal, but it showed prolonged leakage following spinal cord injury. These results support a role for EphA4 in CNS vascular formation and guidance during development and an additional role in BBB repair.

In vivo and in vitro aspects of imidazoline-2(1/2)sites within the central nervous system

The in vivo and in vitro characteristics of the I2 binding site were probed using the technique of drug discrimination and receptor autoradiography. Data presented in this thesis indicates the I2 ligand 2-BFI generates a cue in drug discrimination. Further studies indicated agmatine, a proposed endogenous imidazoline ligand, and a number of imidazoline and imidazole analogues of 2-BFI substitute significantly for 2-BFI. In addition to specific I2 ligands the administration of NRl's (noradrenaline reuptake inhibitors), the sympathomimetic d-amphetamine, the α1-adrenoceptor agonist methoxamine, but not the β1 agonist dobutamine or the β2 agonist salbutamol, gave rise to significant levels of substitution for the 2-BFI cue. The administration of the α1-adrenoceptor antagonist WB4101, prior to 2- BFI itself significantly reduced levels of 2-BFI appropriate responding. Administration of the reversible MAO-A inhibitors moclobemide and Ro41-1049, but not the reversible MAO-B inhibitors lazabemide and Ro16-6491, gave rise to potent dose dependent levels of substitution for the 2-BFI cue. Further studies indicated the administration of a number of β-carbolines and the structurally related indole alkaloid ibogaine also gave rise to dose dependent significant levels of substitution. Due to the relationship of indole alkaloids to serotonin the 5-HT releaser fenfluramine and a number of SSRI's (selective serotonin reuptake inhibitor) were also administered and these compounds gave rise to significant partial (20-80% responses to the 2-BFI lever) levels of substitution. The autoradiographical studies reported here indicate [3H]2-BFI labels I2 sites within the rat arcuate nucleus, area postrema, pineal gland, interpeduncular nucleus and subfornical organ. Subsequent experiments confirmed that the drug discrimination dosing schedule significantly increases levels of [3H]2-BFI 12 binding within two of these nuclei. However, levels of [3H]2-BFI specific binding were significantly reduced within four of these nuclei after chronic treatment with the irreversible MAO inhibitors deprenyl and tranylcypromine but not pargyline, which only reduced levels significantly in two. Further autoradiographical studies indicated that the distribution of [3H]2-BFI within the C57/B mouse compares favourably to that within the rat. Comparison of these levels of binding to those from transgenic mice who over-express MAO-B indicates two possibly distinct populations of [3H]2-BFI 12 sites exist in mouse brain. The data presented here indicates the 2-BFI cue is associated with the selective activation of α1-adrenoceptors and possibly 5-HT receptors. 2-BFI trained rats recognise reversible MAO-A but not MAO-B inhibitors. However, data within this thesis indicates the autoradiographical distribution of I2 sites bears a closer resemblance to that of MAO-B not MAO-A and further studies using transgenic mice that over-express MAO-B suggests a non-MAO-B I2 site exists in mouse brain.

Specific lipidome signatures in central nervous system from methionine-restricted mice

Membrane lipid composition is an important correlate of the rate of aging of animals. Dietary methionine restriction (MetR) increases lifespan in rodents. The underlying mechanisms have not been elucidated but could include changes in tissue lipidomes. In this work, we demonstrate that 80% MetR in mice induces marked changes in the brain, spinal cord, and liver lipidomes. Further, at least 50% of the lipids changed are common in the brain and spinal cord but not in the liver, suggesting a nervous system-specific lipidomic profile of MetR. The differentially expressed lipids includes (a) specific phospholipid species, which could reflect adaptive membrane responses, (b) sphingolipids, which could lead to changes in ceramide signaling pathways, and (c) the physiologically redox-relevant ubiquinone 9, indicating adaptations in phase II antioxidant response metabolism. In addition, specific oxidation products derived from cholesterol, phosphatidylcholine, and phosphatidylethanolamine were significantly decreased in the brain, spinal cord, and liver from MetR mice. These results demonstrate the importance of adaptive responses of membrane lipids leading to increased stress resistance as a major mechanistic contributor to the lowered rate of aging in MetR mice. © 2013 American Chemical Society.

Development of a physiologically-based pharmacokinetic model of the rat central nervous system

Central nervous system (CNS) drug disposition is dictated by a drug’s physicochemical properties and its ability to permeate physiological barriers. The blood–brain barrier (BBB), blood-cerebrospinal fluid barrier and centrally located drug transporter proteins influence drug disposition within the central nervous system. Attainment of adequate brain-to-plasma and cerebrospinal fluid-to-plasma partitioning is important in determining the efficacy of centrally acting therapeutics. We have developed a physiologically-based pharmacokinetic model of the rat CNS which incorporates brain interstitial fluid (ISF), choroidal epithelial and total cerebrospinal fluid (CSF) compartments and accurately predicts CNS pharmacokinetics. The model yielded reasonable predictions of unbound brain-to-plasma partition ratio (Kpuu,brain) and CSF:plasma ratio (CSF:Plasmau) using a series of in vitro permeability and unbound fraction parameters. When using in vitro permeability data obtained from L-mdr1a cells to estimate rat in vivo permeability, the model successfully predicted, to within 4-fold, Kpuu,brain and CSF:Plasmau for 81.5% of compounds simulated. The model presented allows for simultaneous simulation and analysis of both brain biophase and CSF to accurately predict CNS pharmacokinetics from preclinical drug parameters routinely available during discovery and development pathways.

The potential role of environmental exposures and genomic signaling in development of central nervous system tumors

The etiology of central nervous system tumors (CNSTs) is mainly unknown. Aside from extremely rare genetic conditions, such as neurofibromatosis and tuberous sclerosis, the only unequivocally identified risk factor is exposure to ionizing radiation, and this explains only a very small fraction of cases. Using meta-analysis, gene networking and bioinformatics methods, this dissertation explored the hypothesis that environmental exposures produce genetic and epigenetic alterations that may be involved in the etiology of CNSTs. A meta-analysis of epidemiological studies of pesticides and pediatric brain tumors revealed a significantly increased risk of brain tumors among children whose mothers had farm-related exposures during pregnancy. A dose response was recognized when this risk estimate was compared to those for risk of brain tumors from maternal exposure to non-agricultural pesticides during pregnancy, and risk of brain tumors among children exposed to agricultural activities. Through meta-analysis of several microarray studies which compared normal tissue to astrocytomas, we were able to identify a list of 554 genes which were differentially expressed in the majority of astrocytomas. Many of these genes have in fact been implicated in development of astrocytoma, including EGFR, HIF-1α, c-Myc, WNT5A, and IDH3A. Reverse engineering of these 554 genes using Bayesian network analysis produced a gene network for each grade of astrocytoma (Grade I-IV), and ‘key genes’ within each grade were identified. Genes found to be most influential to development of the highest grade of astrocytoma, Glioblastoma multiforme (GBM) were: COL4A1, EGFR, BTF3, MPP2, RAB31, CDK4, CD99, ANXA2, TOP2A, and SERBP1. Lastly, bioinformatics analysis of environmental databases and curated published results on GBM was able to identify numerous potential pathways and geneenvironment interactions that may play key roles in astrocytoma development. Findings from this research have strong potential to advance our understanding of the etiology and susceptibility to CNSTs. Validation of our ‘key genes’ and pathways could potentially lead to useful tools for early detection and novel therapeutic options for these tumors.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Emerging pathogens in the central nervous system: a cerebral abscess by Streptococcus porcinus

Brain abscesses can cause an incapacitating neurological deicit in up to 50% of patients, thus the reduction of these sequelae becomes the main goal of its timely and speciic surgical and medical treatment. With technological advances in bacteriological identiication and diagnostic imaging, the clinical suspicion can be conirmed, and the speciic etiological agent can be identiied in a larger number of cases. New pathogens have emerged through this process, such as Streptococcus porcinus, in which the ability to affect the central nervous system has not been documented. A clinical case is presented of a brain abscess in an immunocompetent patient, and its favorable response to surgical drainage t hrough a skull burr h ole and nee dle aspiration with antibiotic therapy (ceftriaxone, metronidazole and vancomycin) is discussed.

Infection of the central nervous system by Mycobacterium tuberculosis in patients infected with human immunodeficiency virus (the new neurotuberculosis)

Neurologic complications of HIV infection are numerous. This review focuses on the clinical presentation, diagnostic particularities and therapeutic issues of neurotuberculosis. The pertinent literature describing this important infection is succinctly summarized with a particular emphasis on the discussion of differences in clinical presentation between HIV-infected and -uninfected patients.