Biochemical correlates of cognition: exploring the relationships between blood, brain and behaviour

This multi-modal investigation aimed to refine analytic tools including proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) and fatty acid gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analysis, for use with adult and paediatric populations, to investigate potential biochemical underpinnings of cognition (Chapter 1). Essential fatty acids (EFAs) are vital for the normal development and function of neural cells. There is increasing evidence of behavioural impairments arising from dietary deprivation of EFAs and their long-chain fatty acid metabolites (Chapter 2). Paediatric liver disease was used as a deficiency model to examine the relationships between EFA status and cognitive outcomes. Age-appropriate Wechsler assessments measured Full-scale IQ (FSIQ) and Information Processing Speed (IPS) in clinical and healthy cohorts; GC-MS quantified surrogate markers of EFA status in erythrocyte membranes; and 1H-MRS quantified neurometabolite markers of neuronal viability and function in cortical tissue (Chapter 3). Post-transplant children with early-onset liver disease demonstrated specific deficits in IPS compared to age-matched acute liver failure transplant patients and sibling controls, suggesting that the time-course of the illness is a key factor (Chapter 4). No signs of EFA deficiency were observed in the clinical cohort, suggesting that EFA metabolism was not significantly impacted by liver disease. A strong, negative correlation was observed between omega-6 fatty acids and FSIQ, independent of disease diagnosis (Chapter 5). In a study of healthy adults, effect sizes for the relationship between 1H-MRS- detectable neurometabolites and cognition fell within the range of previous work, but were not statistically significant. Based on these findings, recommendations are made emphasising the need for hypothesis-driven enquiry and greater subtlety of data analysis (Chapter 6). Consistency of metabolite values between paediatric clinical cohorts and controls indicate normal neurodevelopment, but the lack of normative, age-matched data makes it difficult to assess the true strength of liver disease-associated metabolite changes (Chapter 7). Converging methods offer a challenging but promising and novel approach to exploring brain-behaviour relationships from micro- to macroscopic levels of analysis (Chapter 8).

Time-dependent evolution of tissue markers by MALDI-MS imaging

We have used MALDI-MS imaging (MALDI-MSI) to monitor the time dependent appearance and loss of signals when tissue slices are brought rapidly to room temperature for short to medium periods of time. Sections from mouse brain were cut in a cryostat microtome, placed on a MALDI target and allowed to warm to room temperature for 30 s to 3 h. Sections were then refrozen, fixed by ethanol treatment and analysed by MALDI-MSI. The intensity of a range of markers were seen to vary across the time course, both increasing and decreasing, with the intensity of some markers changing significantly within 30 s and markers also showed tissue location specific evolution. The markers resulting from this autolysis were compared directly to those that evolved in a comparable 16 h on-tissue trypsin digest, and the markers that evolved in the two studies were seen to be substantially different. These changes offer an important additional level of location-dependent information for mapping changes and seeking disease-dependent biomarkers in the tissue. They also indicate that considerable care is required to allow comparison of biomarkers between MALDI-MSI experiments and also has implications for the standard practice of thaw-mounting multiple tissue sections onto MALDI-MS targets.

A systematic exploration of perceptual and semantic differences in category-specific object-processing using magnetoencephalography

In a series of experiments, we tested category-specific activation in normal parti¬cipants using magnetoencephalography (MEG). Our experiments explored the temporal processing of objects, as MEG characterises neural activity on the order of milliseconds. Our experiments explored object-processing, including assessing the time-course of ob¬ject naming, early differences in processing living compared with nonliving objects and processing objects at the basic compared with the domain level, and late differences in processing living compared with nonliving objects and processing objects at the basic compared with the domain level. In addition to studies using normal participants, we also utilised MEG to explore category-specific processing in a patient with a deficit for living objects. Our findings support the cascade model of object naming (Humphreys et al., 1988). In addition, our findings using normal participants demonstrate early, category-specific perceptual differences. These findings are corroborated by our patient study. In our assessment of the time-course of category-specific effects as well as a separate analysis designed to measure semantic differences between living and nonliving objects, we found support for the sensory/motor model of object naming (Martin, 1998), in addition to support for the cascade model of object naming. Thus, object processing in normal participants appears to be served by a distributed network in the brain, and there are both perceptual and semantic differences between living and nonliving objects. A separate study assessing the influence of the level at which you are asked to identify an object on processing in the brain found evidence supporting the convergence zone hypothesis (Damasio, 1989). Taken together, these findings indicate the utility of MEG in exploring the time-course of object processing, isolating early perceptual and later semantic effects within the brain.

Seawater carbonate chemistry, mass, length and gene expression of Sepia officinalis during experiments, 2011

The specific transporters involved in maintenance of blood pH homeostasis in cephalopod molluscs have not been identified to date. Using in situ hybridization and immuno histochemical methods, we demonstrate that Na+/K+-ATPase (soNKA), a V-type H+-ATPase (soV-HA), and Na+/HCO3- cotransporter (soNBC) are co-localized in NKA-rich cells in the gills of Sepia officinalis. mRNA expression patterns of these transporters and selected metabolic genes were examined in response to moderately elevated seawater pCO2 (0.16 and 0.35 kPa) over a time-course of six weeks in different ontogenetic stages. The applied CO2 concentrations are relevant for ocean acidification scenarios projected for the coming decades. We determined strong expression changes in late stage embryos and hatchlings, with one to three log2-fold reductions in soNKA, soNBCe, socCAII and COX. In contrast, no hypercapnia induced changes in mRNA expression were observed in juveniles during both short- and long-term exposure. However a transiently increased demand of ion regulatory demand was evident during the initial acclimation reaction to elevated seawater pCO2. Gill Na+/K+-ATPase activity and protein concentration were increased by approximately 15% in during short (2-11 day), but not long term (42 day) exposure. Our findings support the hypothesis that the energy budget of adult cephalopods is not significantly compromised during long-term exposure to moderate environmental hypercapnia. However, the down regulation of ion-regulatory and metabolic genes in late stage embryos, taken together with a significant reduction in somatic growth, indicates that cephalopod early life stages are challenged by elevated seawater pCO2.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Neuronal Assembly Detection and Cell Membership Specification by Principal Component Analysis

LOPES-DOS-SANTOS, V. , CONDE-OCAZIONEZ, S. ; NICOLELIS, M. A. L. , RIBEIRO, S. T. , TORT, A. B. L. . Neuronal assembly detection and cell membership specification by principal component analysis. Plos One, v. 6, p. e20996, 2011.

Local Field Potentials in the Gustatory Cortex Carry Taste Information

It has been recently shownthat localfield potentials (LFPs)fromthe auditory and visual cortices carry information about sensory stimuli, but whether this is a universal property of sensory cortices remains to be determined. Moreover, little is known about the temporal dynamics of sensory information contained in LFPs following stimulus onset. Here we investigated the time course of the amount of stimulus information in LFPs and spikes from the gustatory cortex of awake rats subjected to tastants and water delivery on the tongue. We found that the phase and amplitude of multiple LFP frequencies carry information about stimuli, which have specific time courses after stimulus delivery. The information carried by LFP phase and amplitude was independent within frequency bands, since the joint information exhibited neither synergy nor redundancy. Tastant information in LFPs was also independent and had a different time course from the information carried by spikes. These findings support the hypothesis that the brain uses different frequency channels to dynamically code for multiple features of a stimulus.

Neuronal Assembly Detection and Cell Membership Specification by Principal Component Analysis

LOPES-DOS-SANTOS, V. , CONDE-OCAZIONEZ, S. ; NICOLELIS, M. A. L. , RIBEIRO, S. T. , TORT, A. B. L. . Neuronal assembly detection and cell membership specification by principal component analysis. Plos One, v. 6, p. e20996, 2011.

Local Field Potentials in the Gustatory Cortex Carry Taste Information

It has been recently shownthat localfield potentials (LFPs)fromthe auditory and visual cortices carry information about sensory stimuli, but whether this is a universal property of sensory cortices remains to be determined. Moreover, little is known about the temporal dynamics of sensory information contained in LFPs following stimulus onset. Here we investigated the time course of the amount of stimulus information in LFPs and spikes from the gustatory cortex of awake rats subjected to tastants and water delivery on the tongue. We found that the phase and amplitude of multiple LFP frequencies carry information about stimuli, which have specific time courses after stimulus delivery. The information carried by LFP phase and amplitude was independent within frequency bands, since the joint information exhibited neither synergy nor redundancy. Tastant information in LFPs was also independent and had a different time course from the information carried by spikes. These findings support the hypothesis that the brain uses different frequency channels to dynamically code for multiple features of a stimulus.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Hemodynamic, morphometric and autonomic patterns in hypertensive rats - renin-angiotensin system modulation

BACKGROUND: Spontaneously hypertensive rats develop left ventricular hypertrophy, increased blood pressure and blood pressure variability, which are important determinants of heart damage, like the activation of renin-angiotensin system. AIMS: To investigate the effects of the time-course of hypertension over 1) hemodynamic and autonomic patterns (blood pressure; blood pressure variability; heart rate); 2) left ventricular hypertrophy; and 3) local and systemic Renin-angiotensin system of the spontaneously hypertensive rats. METHODS: Male spontaneously hypertensive rats were randomized into two groups: young (n=13) and adult (n=12). Hemodynamic signals (blood pressure, heart rate), blood pressure variability (BPV) and spectral analysis of the autonomic components of blood pressure were analyzed. LEFT ventricular hypertrophy was measured by the ratio of LV mass to body weight (mg/g), by myocyte diameter (μm) and by relative fibrosis area (RFA, %). ACE and ACE2 activities were measured by fluorometry (UF/min), and plasma renin activity (PRA) was assessed by a radioimmunoassay (ng/mL/h). Cardiac gene expressions of Agt, Ace and Ace2 were quantified by RT-PCR (AU). RESULTS: The time-course of hypertension in spontaneously hypertensive rats increased BPV and reduced the alpha index in adult spontaneously hypertensive rats. Adult rats showed increases in left ventricular hypertrophy and in RFA. Compared to young spontaneously hypertensive rats, adult spontaneously hypertensive rats had lower cardiac ACE and ACE2 activities, and high levels of PRA. No change was observed in gene expression of Renin-angiotensin system components. CONCLUSIONS: The observed autonomic dysfunction and modulation of Renin-angiotensin system activity are contributing factors to end-organ damage in hypertension and could be interacting. Our findings suggest that the management of hypertensive disease must start before blood pressure reaches the highest stable levels and the consequent established end-organ damage is reached.

Global gene expression under nitrogen starvation in Xylella fastidiosa: contribution of the sigma(54) regulon

Background: Xylella fastidiosa, a Gram-negative fastidious bacterium, grows in the xylem of several plants causing diseases such as citrus variegated chlorosis. As the xylem sap contains low concentrations of amino acids and other compounds, X. fastidiosa needs to cope with nitrogen limitation in its natural habitat. Results: In this work, we performed a whole-genome microarray analysis of the X. fastidiosa nitrogen starvation response. A time course experiment (2, 8 and 12 hours) of cultures grown in defined medium under nitrogen starvation revealed many differentially expressed genes, such as those related to transport, nitrogen assimilation, amino acid biosynthesis, transcriptional regulation, and many genes encoding hypothetical proteins. In addition, a decrease in the expression levels of many genes involved in carbon metabolism and energy generation pathways was also observed. Comparison of gene expression profiles between the wild type strain and the rpoN null mutant allowed the identification of genes directly or indirectly induced by nitrogen starvation in a sigma(54)-dependent manner. A more complete picture of the sigma(54) regulon was achieved by combining the transcriptome data with an in silico search for potential sigma(54)-dependent promoters, using a position weight matrix approach. One of these sigma(54)-predicted binding sites, located upstream of the glnA gene (encoding glutamine synthetase), was validated by primer extension assays, confirming that this gene has a sigma(54)-dependent promoter. Conclusions: Together, these results show that nitrogen starvation causes intense changes in the X. fastidiosa transcriptome and some of these differentially expressed genes belong to the sigma(54) regulon.

Vascular relaxation of canine visceral arteries after ischemia by means of supraceliac aortic cross-clamping followed by reperfusion

Background: The supraceliac aortic cross-clamping can be an option to save patients with hipovolemic shock due to abdominal trauma. However, this maneuver is associated with ischemia/reperfusion (I/R) injury strongly related to oxidative stress and reduction of nitric oxide bioavailability. Moreover, several studies demonstrated impairment in relaxation after I/R, but the time course of I/R necessary to induce vascular dysfunction is still controversial. We investigated whether 60 minutes of ischemia followed by 30 minutes of reperfusion do not change the relaxation of visceral arteries nor the plasma and renal levels of malondialdehyde (MDA) and nitrite plus nitrate (NOx). Methods: Male mongrel dogs (n = 27) were randomly allocated in one of the three groups: sham (no clamping, n = 9), ischemia (supraceliac aortic cross-clamping for 60 minutes, n = 9), and I/R (60 minutes of ischemia followed by reperfusion for 30 minutes, n = 9). Relaxation of visceral arteries (celiac trunk, renal and superior mesenteric arteries) was studied in organ chambers. MDA and NOx concentrations were determined using a commercially available kit and an ozone-based chemiluminescence assay, respectively. Results: Both acetylcholine and calcium ionophore caused relaxation in endothelium-intact rings and no statistical differences were observed among the three groups. Sodium nitroprusside promoted relaxation in endothelium-denuded rings, and there were no inter-group statistical differences. Both plasma and renal concentrations of MDA and NOx showed no significant difference among the groups. Conclusion: Supraceliac aortic cross-clamping for 60 minutes alone and followed by 30 minutes of reperfusion did not impair relaxation of canine visceral arteries nor evoke biochemical alterations in plasma or renal tissue.

Differential expression of microRNAs in mouse pain models

Background: MicroRNAs (miRNAs) are short non-coding RNAs that inhibit translation of target genes by binding to their mRNAs. The expression of numerous brain-specific miRNAs with a high degree of temporal and spatial specificity suggests that miRNAs play an important role in gene regulation in health and disease. Here we investigate the time course gene expression profile of miR-1, -16, and -206 in mouse dorsal root ganglion (DRG), and spinal cord dorsal horn under inflammatory and neuropathic pain conditions as well as following acute noxious stimulation. Results: Quantitative real-time polymerase chain reaction analyses showed that the mature form of miR-1, -16 and -206, is expressed in DRG and the dorsal horn of the spinal cord. Moreover, CFA-induced inflammation significantly reduced miRs-1 and -16 expression in DRG whereas miR-206 was downregulated in a time dependent manner. Conversely, in the spinal dorsal horn all three miRNAs monitored were upregulated. After sciatic nerve partial ligation, miR-1 and -206 were downregulated in DRG with no change in the spinal dorsal horn. On the other hand, axotomy increases the relative expression of miR-1, -16, and 206 in a time-dependent fashion while in the dorsal horn there was a significant downregulation of miR-1. Acute noxious stimulation with capsaicin also increased the expression of miR-1 and -16 in DRG cells but, on the other hand, in the spinal dorsal horn only a high dose of capsaicin was able to downregulate miR-206 expression. Conclusions: Our results indicate that miRNAs may participate in the regulatory mechanisms of genes associated with the pathophysiology of chronic pain as well as the nociceptive processing following acute noxious stimulation. We found substantial evidence that miRNAs are differentially regulated in DRG and the dorsal horn of the spinal cord under different pain states. Therefore, miRNA expression in the nociceptive system shows not only temporal and spatial specificity but is also stimulus-dependent.

Resistance Training with Vascular Occlusion in Inclusion Body Myositis: A Case Study

GUALANO, B., M. NEVES JR, F. R. LIMA, A. L. PINTO, G. LAURENTINO, C. BORGES, L. BAPTISTA, G. G. ARTIOLI, M. S. AOKI, A. MORISCOT, A. H. LANCHA JR, E. BONFA, and C. UGRINOWITSCH. Resistance Training with Vascular Occlusion in Inclusion Body Myositis: A Case Study. Med Sci. Spot-is Exerc., Vol. 42, No. 2, pp. 250-254, 2010. Inclusion body myositis (IBM) is a rare idiopathic inflammatory myopathy that produces remarkable muscle weakness. Resistance training with vascular occlusion has been shown to improve muscle strength and cross-sectional area in other muscle wasting conditions. Purpose: We evaluated the efficacy of a moderate-intensity resistance training program combined with vascular occlusion by examining functional capacity, muscle morphology, and changes in the expression of genes related to muscle protein synthesis and proteolysis in a patient with IBM. Methods: A 65-yr-old man with IBM resistant to all proposed treatments underwent resistance training with vascular occlusion for 12 wk. Leg press one-repetition maximum; thigh cross-sectional area; balance, mobility, and muscle function; quality of life; and blood markers of inflammation and muscle damage were assessed at baseline and after the 12-wk program. The messenger RNA (mRNA) expression levels of mechanogrowth factor, mammalian target of rapamycin, atrogin-1, and muscle RING finger-1 were also quantified. Results: After the 12-wk training program, the patient`s leg press one-repetition maximum, balance and mobility function, and thigh cross-sectional area increased 15.9%, 60%, and 4.7%, respectively. All Short Form-36 Health Survey Questionnaire subscales demonstrated improvements as well, varying from 18% to 600%. mRNA expression of mechanogrowth factor increased 3.97-fold, whereas that of atrogin-1 decreased 0.62-fold. Muscle RING finger-1 and mammalian target of rapamycin mRNA levels were only slightly altered, 1.18- and 1.28-fold, respectively. Importantly, the exercise did not induce disease flare. Conclusions: We describe a novel, and likely the first, nonpharmacological therapeutic tool that might be able to counteract the muscle atrophy and the declining strength that usually occur in IBM.