Sub-cortical and brainstem sites associated with chemo-stimulated increases in ventilation in humans.

We investigated the neural basis for spontaneous chemo-stimulated increases in ventilation in awake, healthy humans. Blood oxygen level dependent (BOLD) functional MRI was performed in nine healthy subjects using T2 weighted echo planar imaging. Brain volumes (52 transverse slices, cortex to high spinal cord) were acquired every 3.9 s. The 30 min paradigm consisted of six, 5-min cycles, each cycle comprising 45 s of hypoxic-isocapnia, 45 s of isooxic-hypercapnia and 45 s of hypoxic-hypercapnia, with 55 s of non-stimulatory hyperoxic-isocapnia (control) separating each stimulus period. Ventilation was significantly (p<0.001) increased during hypoxic-isocapnia, isooxic-hypercapnia and hypoxic-hypercapnia (17.0, 13.8, 24.9 L/min respectively) vs. control (8.4 L/min) and was associated with significant (p<0.05, corrected for multiple comparisons) signal increases within a bilateral network that included the basal ganglia, thalamus, red nucleus, cerebellum, parietal cortex, cingulate and superior mid pons. The neuroanatomical structures identified provide evidence for the spontaneous control of breathing to be mediated by higher brain centres, as well as respiratory nuclei in the brainstem.

The Na+-dependent chloride-bicarbonate exchanger SLC4A8 mediates an electroneutral Na+ reabsorption process in the renal cortical collecting ducts of mice.

Regulation of sodium balance is a critical factor in the maintenance of euvolemia, and dysregulation of renal sodium excretion results in disorders of altered intravascular volume, such as hypertension. The amiloride-sensitive epithelial sodium channel (ENaC) is thought to be the only mechanism for sodium transport in the cortical collecting duct (CCD) of the kidney. However, it has been found that much of the sodium absorption in the CCD is actually amiloride insensitive and sensitive to thiazide diuretics, which also block the Na-Cl cotransporter (NCC) located in the distal convoluted tubule. In this study, we have demonstrated the presence of electroneutral, amiloride-resistant, thiazide-sensitive, transepithelial NaCl absorption in mouse CCDs, which persists even with genetic disruption of ENaC. Furthermore, hydrochlorothiazide (HCTZ) increased excretion of Na+ and Cl- in mice devoid of the thiazide target NCC, suggesting that an additional mechanism might account for this effect. Studies on isolated CCDs suggested that the parallel action of the Na+-driven Cl-/HCO3- exchanger (NDCBE/SLC4A8) and the Na+-independent Cl-/HCO3- exchanger (pendrin/SLC26A4) accounted for the electroneutral thiazide-sensitive sodium transport. Furthermore, genetic ablation of SLC4A8 abolished thiazide-sensitive NaCl transport in the CCD. These studies establish what we believe to be a novel role for NDCBE in mediating substantial Na+ reabsorption in the CCD and suggest a role for this transporter in the regulation of fluid homeostasis in mice.

Oxygen tension controls the expression of the monocarboxylate transporter MCT4 in cultured mouse cortical astrocytes via a hypoxia-inducible factor-1α-mediated transcriptional regulation.

The monocarboxylate transporter MCT4 is a high capacity carrier important for lactate release from highly glycolytic cells. In the central nervous system, MCT4 is predominantly expressed by astrocytes. Surprisingly, MCT4 expression in cultured astrocytes is low, suggesting that a physiological characteristic, not met in culture conditions, is necessary. Here we demonstrate that reducing oxygen concentration from 21% to either 1 or 0% restored in a concentration-dependent manner the expression of MCT4 at the mRNA and protein levels in cultured astrocytes. This effect was specific for MCT4 since the expression of MCT1, the other astrocytic monocarboxylate transporter present in vitro, was not altered in such conditions. MCT4 expression was shown to be controlled by the transcription factor hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) since under low oxygen levels, transfecting astrocyte cultures with a siRNA targeting HIF-1α largely prevented MCT4 induction. Moreover, the prolyl hydroxylase inhibitor dimethyloxalylglycine (DMOG) induced MCT4 expression in astrocytes cultured in presence of 21% oxygen. In parallel, glycolytic activity was enhanced by exposure to 1% oxygen as demonstrated by the increased lactate release, an effect dependent on MCT4 expression. Finally, MCT4 expression was found to be necessary for astrocyte survival when exposed for a prolonged period to 1% oxygen. These data suggest that a major determinant of astrocyte MCT4 expression in vivo is likely the oxygen tension. This could be relevant in areas of high neuronal activity and oxygen consumption, favouring astrocytic lactate supply to neurons. Moreover, it could also play an important role for neuronal recovery after an ischemic episode.

Dopamine affects parvalbumin expression during cortical development in vitro.

This study was undertaken to determine how dopamine influences cortical development. It focused on morphogenesis of GABAergic neurons that contained the calcium-binding protein parvalbumin (PV). Organotypic slices of frontoparietal cortex were taken from neonatal rats, cultured with or without dopamine, harvested daily (4-30 d), and immunostained for parvalbumin. Expression of parvalbumin occurred in the same regional and laminar sequence as in vivo. Expression in cingulate and entorhinal preceded that in lateral frontoparietal cortices. Laminar expression progressed from layer V to VI and finally II-IV. Somal labeling preceded fiber labeling by 2 d. Dopamine accelerated PV expression. In treated slices, a dense band of PV-immunoreactive neurons appeared in layer V at 7 d in vitro (DIV), and in all layers of frontoparietal cortex at 14 DIV, whereas in control slices such labeling did not appear until 14 and 21 DIV, respectively. The laminar distribution and dendritic branching of PV-immunoreactive neurons were quantified. More labeled neurons were in the superficial layers, and their dendritic arborizations were significantly increased by dopamine. Treatment with a D1 receptor agonist had little effect, whereas a D2 agonist mimicked dopamine's effects. Likewise, the D2 but not the D1 antagonist blocked dopamine-induced changes, indicating that they were mediated primarily by D2 receptors. Parvalbumin expression was accelerated by dopaminergic reinnervation of cortical slices that were cocultured with mesencephalic slices. Coapplication of the glutamate NMDA receptor antagonist MK801 or AP5 blocked dopamine-induced increases in dendritic branching, suggesting that changes were mediated partly by interaction with glutamate to alter cortical excitability.

Cortical and autonomic modulation of attentional control /

Whereas the role of the anterior cingulate cortex (ACC) in cognitive control has received considerable attention, much less work has been done on the role of the ACC in autonomic regulation. Its connections through the vagus nerve to the sinoatrial node of the heart are thought to exert modulatory control over cardiovascular arousal. Therefore, ACC is not only responsible for the implementation of cognitive control, but also for the dynamic regulation of cardiovascular activity that characterizes healthy heart rate and adaptive behaviour. However, cognitive control and autonomic regulation are rarely examined together. Moreover, those studies that have examined the role of phasic vagal cardiac control in conjunction with cognitive performance have produced mixed results, finding relations for specific age groups and types of tasks but not consistently. So, while autonomic regulatory control appears to support effective cognitive performance under some conditions, it is not presently clear just what factors contribute to these relations. The goal of the present study was, therefore, to examine the relations between autonomic arousal, neural responsivity, and cognitive performance in the context of a task that required ACC support. Participants completed a primary inhibitory control task with a working memory load embedded. Pre-test cardiovascular measures were obtained, and ontask ERPs associated with response control (N2/P3) and error-related processes (ERN/Pe) were analyzed. Results indicated that response inhibition was unrelated to phasic vagal cardiac control, as indexed by respiratory sinus arrhythmia (RSA). However, higher resting RSA was associated with larger ERN ampUtude for the highest working memory load condition. This finding suggests that those individuals with greater autonomic regulatory control exhibited more robust ACC error-related responses on the most challenging task condition. On the other hand, exploratory analyses with rate pressure product (RPP), a measure of sympathetic arousal, indicated that higher pre-test RPP (i.e., more sympathetic influence) was associated with more errors on "catch" NoGo trials, i.e., NoGo trials that simultaneously followed other NoGo trials, and consequently, reqviired enhanced response control. Higher pre-test RPP was also associated with smaller amplitude ERNs for all three working memory loads and smaller ampUtude P3s for the low and medium working memory load conditions. Thus, higher pretest sympathetic arousal was associated with poorer performance on more demanding "catch" NoGo trials and less robust ACC-related electrocortical responses. The findings firom the present study highlight tiie interdependence of electrocortical and cardiovascular processes. While higher pre-test parasympathetic control seemed to relate to more robust ACC error-related responses, higher pre-test sympathetic arousal resulted in poorer inhibitory control performance and smaller ACC-generated electrocortical responses. Furthermore, these results provide a base from which to explore the relation between ACC and neuro/cardiac responses in older adults who may display greater variance due to the vulnerabihty of these systems to the normal aging process.

Rôles et régulation du PI(4,5)P2 dans le remodelage cortical et la morphogénèse cellulaire en mitose

Doctorat réalisé en cotutelle avec le laboratoire de François Payre au Centre de Biologie du Développement à Toulouse, France (Université de Toulouse III - Paul Sabatier)

The impact of early life adversity on cortical structure in adolescent twins followed since birth

Des études animales ont montré que l’exposition du foetus à l’adversité affecte le développement cérébral et la régulation d’émotions plus tard. Cette régulation serait reliée aux changements structurels cérébraux, particulièrement au circuit fronto-limbique. Cependant, ces résultats n’ont pas été entièrement répliqués chez l’humain. Le but de cette étude était de tester si l'adversité précoce conduit à des altérations structurelles des régions (orbitofrontal, préfrontal, cingulaire) fronto-limbiques, identifiées comme régions-clés dans la (de)régulation d’émotions. Les mesures principales de l’adversité étaient un poids léger à la naissance et l’hostilité maternelle puisqu’ils étaient parmi les plus prédictifs des résultats développementaux et comportementaux chez l’humain. Les mesures secondaires, incluant le tempérament difficile d’enfant et l’impulsivité en adolescence, étaient utilisées du à leur lien avec le développement cérébral et émotionnel. Les participants étaient des jumeaux identiques, membres de l’Étude des Jumeaux Nouveau-nés du Québec (ÉJNQ, N = 650 paires) suivis depuis 5 mois à 15 ans, leur âge actuel. Ceci a permis de mieux contrôler le facteur génétique et ainsi mieux isoler les effets d’environnement. Trente-sept paires ont été recrutées. La structure cérébrale de chacun, obtenue avec l’imagerie par résonance magnétique, a été analysée avec la régression linéaire. Le poids à la naissance n’a eu aucun effet. L’hostilité maternelle a prédit une réduction de l’aire du gyrus cingulaire postérieur. Tempérament difficile a prédit une réduction de l’aire du cortex orbitofrontal. L’impulsivité était associée avec l’aire et volume du cortex préfrontal réduits. Ces résultats soulignent l’importance des interventions précoces afin d’empêcher des altérations menant à la psychopathologie.

The effect of lesion size on cortical reorganization in the ipsi and contralesional hemispheres.

Bien que la plasticité ipsilesionnelle suite à un accident vasculo-cérébral (AVC) soit bien établie, la réorganisation du cortex contralésionnel et son effet sur la récupération fonctionnelle restent toujours non élucidés. Les études publiées présentent des points de vue contradictoires sur le rôle du cortex contralésionnel dans la récupération fonctionnelle. La taille de lésion pourrait être le facteur déterminant la réorganisation de ce dernier. Le but principal de cette étude fut donc d’évaluer l’effet des AVC de tailles différentes dans la région caudal forelimb area (CFA) du rat sur la réorganisation physiologique et la récupération comportementale de la main. Suite à une période de récupération spontanée pendant laquelle la performance motrice des deux membres antérieurs fut observée, les cartes motrices bilatérales du CFA et du rostral forelimb area (RFA) furent obtenues. Nous avons trouvé que le volume de lésion était en corrélation avec le niveau de récupération comportementale et l’étendue de la réorganisation des RFA bilatéraux. Aussi, les rats ayant de grandes lésions avaient des plus grandes représentations de la main dans le RFA de l’hémisphère ipsilésionnel et un déficit de fonctionnement plus persistant de la main parétique. Dans l’hémisphère contralésionnel nous avons trouvé que les rats avec des plus grandes représentations de la main dans le RFA avaient des lésions plus grandes et une récupération incomplète de la main parétique. Nos résultats confirment l’effet du volume de lésion sur la réorganisation du cortex contralésionnel et soulignent que le RFA est l’aire motrice la plus influencée dans le cortex contralésionnel.

Acute inactivation of the contralesional hemisphere for longer durations improves recovery after cortical injury

Au cours des dernières années, des méthodes non-invasives de stimulations permettant de moduler l’excitabilité des neurones suivant des lésions du système nerveux central ont été développées. Ces méthodes sont maintenant couramment utilisées pour étudier l’effet de l’inhibition du cortex contralésionnel sur la récupération motrice à la suite d’un accident vasculocérébral (AVC). Bien que plusieurs de ces études rapportent des résultats prometteurs, les paramètres permettant une récupération optimale demeurent encore inconnus. Chez les patients victimes d'un AVC, il est difficile de débuter les traitements rapidement et d'initier l’inhibition dans les heures suivant la lésion. L'impact de ce délai est toujours inconnu. De plus, aucune étude n’a jusqu’à maintenant évalué l’effet de la durée de l’inhibition sur la récupération du membre parétique. Dans le laboratoire du Dr Numa Dancause, nous avons utilisé un modèle bien établi de lésion ischémique chez le rat pour explorer ces questions. Nos objectifs étaient d’évaluer 1) si une inactivation de l’hémisphère contralésionnel initiée dans les heures qui suivent la lésion peut favoriser la récupération et 2) l’effet de la durée de l’inactivation sur la récupération du membre parétique. Suite à une lésion dans le cortex moteur induite par injections d’un vasoconstricteur, nous avons inactivé l’hémisphère contralésionnel à l’aide d’une pompe osmotique assurant l’infusion continue d’un agoniste du GABA (Muscimol). Dans différents groupes expérimentaux, nous avons inactivé l’hémisphère contralésionnel pour une durée de 3, 7 et 14 jours suivant la lésion. Dans un autre groupe, le Muscimol a été infusé pour 14 jours mais à un débit moindre de façon à pouvoir étudier le lien entre la fonction du membre non-parétique et la récupération du membre parétique. Les données comportementales de ces groupes ont été comparées à celles d’animaux ayant récupéré de façon spontanée d'une lésion similaire. Nos résultats indiquent que l’augmentation de la durée de l’inactivation (de 3 à 14 jours) accélère la récupération du membre parétique. De plus, les deux groupes ayant reçu une inactivation d'une durée de 14 jours ont montré une plus grande récupération fonctionnelle que le groupe n’ayant pas reçu d’inactivation de l’hémisphère contralésionnel, le groupe contrôle. Nos résultats suggèrent donc que l’inactivation de l’hémisphère contralésionnel initiée dans les heures suivant la lésion favorise la récupération du membre parétique. La durée d’inhibition la plus efficace (14 jours) dans notre modèle animal est beaucoup plus longues que celles utilisées jusqu’à maintenant chez l’homme. Bien qu’il soit difficile d’extrapoler la durée idéale à utiliser chez les patients à partir de nos données, nos résultats suggèrent que des traitements de plus longue durée pourraient être bénéfiques. Finalement, un message clair ressort de nos études sur la récupération fonctionnelle après un AVC: dans le développement de traitements basés sur l’inhibition de l’hémisphère contralésionnel, la durée de l’inactivation est un facteur clef à considérer.

Characterizing cortical myosin mini-filament regulation, length and its macroscopic implications in cytokinetic dynamics.

Au cours de la cytokinèse, le génome dédoublé est compartimentalisé en deux cellules filles. L’anneau contractile, une structure dynamique, est constitué d’actine, myosine (NMY-II) et d’autres protéines accessoires. NMY-2 est le seul moteur protéique impliqué dans la contraction de l’anneau durant la cytokinèse. Depuis longtemps, il a été considéré que celle-ci glissait le long des filaments d’actine grâce à sa capacité de traction. Récemment, plusieurs études ont découvert que son activité réticulante joue un rôle en cytokinèse et il est connu que la NMY-2 peut s’assembler en filaments bipolaires à partir de dimères. Ainsi, nous postulons que leur dimension (nombre de moteurs ATPasiques) pourrait dicter leur contribution en activité motrice et réticulante. Afin de déterminer la composition des filaments corticaux de NMY-2, nous avons utilisé une technique d'imagerie de molécules individuelles à l’aide de la microscopie TIRF. J’ai trouvé à travers l’analyse statistique de la distribution des NMY-2 mesurés que les filaments sont assemblés à deux dimensions constantes: Des filaments composés de 20 dimères et 30 dimères. La kinase Rho est une activatrice de NMY-2 nécessaire pour les niveaux physiologiques de NMY-2 sur l’anneau contractile, pour des cinétiques et fermeture concentrique de l’anneau. La déplétion de RhoK augmente l’abondance relative des filaments de 20 dimères. Ainsi, RhoK pourrait réguler le recrutement de la NMY et aussi l’assemblage des filaments corticaux de NMY-2. De plus, à l’aide de la microscopie confocale à temps réel, j’ai trouvé que lors de la déplétion de RhoK, il se produit une réduction du recrutement et du délai d’initiation du sillon, une fermeture lente et une augmentation significative de la concentricité de l’anneau. De plus, j’ai mesuré des défauts dans l’organisation corticale de l’anneau contractile en patch. La déplétion de MRCK-1 n’affecte pas l’initiation du sillon, les cinétiques de fermeture, ou la fermeture concentrique de l’anneau. Paradoxalement, la déplétion de MRCK-1 augmente le recrutement cortical de NMY-2, mais quand depleté simultanément avec Rho-K il diminue NMY-2 à l’équateur comparé à la déplétion seule de Rho-K. De plus, la double déplétion, conduit à un phénotype de concentricité de l’anneau, suivie d’un recentrage.

Changes in cortical and sub-cortical patterns of activity associated with aging during the performance of a lexical set-shifting task

Bien que le passage du temps altère le cerveau, la cognition ne suit pas nécessairement le même destin. En effet, il existe des mécanismes compensatoires qui permettent de préserver la cognition (réserve cognitive) malgré le vieillissement. Les personnes âgées peuvent utiliser de nouveaux circuits neuronaux (compensation neuronale) ou des circuits existants moins susceptibles aux effets du vieillissement (réserve neuronale) pour maintenir un haut niveau de performance cognitive. Toutefois, la façon dont ces mécanismes affectent l’activité corticale et striatale lors de tâches impliquant des changements de règles (set-shifting) et durant le traitement sémantique et phonologique n’a pas été extensivement explorée. Le but de cette thèse est d’explorer comment le vieillissement affecte les patrons d’activité cérébrale dans les processus exécutifs d’une part et dans l’utilisation de règles lexicales d’autre part. Pour cela nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) lors de la performance d’une tâche lexicale analogue à celle du Wisconsin. Cette tâche a été fortement liée à de l’activité fronto-stritale lors des changements de règles, ainsi qu’à la mobilisation de régions associées au traitement sémantique et phonologique lors de décisions sémantiques et phonologiques, respectivement. Par conséquent, nous avons comparé l’activité cérébrale de jeunes individus (18 à 35 ans) à celle d’individus âgés (55 à 75 ans) lors de l’exécution de cette tâche. Les deux groupes ont montré l’implication de boucles fronto-striatales associées à la planification et à l’exécution de changements de règle. Toutefois, alors que les jeunes semblaient activer une « boucle cognitive » (cortex préfrontal ventrolatéral, noyau caudé et thalamus) lorsqu’ils se voyaient indiquer qu’un changement de règle était requis, et une « boucle motrice » (cortex postérieur préfrontal et putamen) lorsqu’ils devaient effectuer le changement, les participants âgés montraient une activation des deux boucles lors de l’exécution des changements de règle seulement. Les jeunes adultes tendaient à présenter une augmentation de l’activité du cortex préfrontal ventrolatéral, du gyrus fusiforme, du lobe ventral temporale et du noyau caudé lors des décisions sémantiques, ainsi que de l’activité au niveau de l’aire de Broca postérieur, de la junction temporopariétale et du cortex moteur lors de décisions phonologiques. Les participants âgés ont montré de l’activité au niveau du cortex préfrontal latéral et moteur durant les deux types de décisions lexicales. De plus, lorsque les décisions sémantiques et phonologiques ont été comparées entre elles, les jeunes ont montré des différences significatives au niveau de plusieurs régions cérébrales, mais pas les âgés. En conclusion, notre première étude a montré, lors du set-shifting, un délai de l’activité cérébrale chez les personnes âgées. Cela nous a permis de conceptualiser l’Hypothèse Temporelle de Compensation (troisième manuscrit) qui consiste en l’existence d’un mécanisme compensatoire caractérisé par un délai d’activité cérébrale lié au vieillissement permettant de préserver la cognition au détriment de la vitesse d’exécution. En ce qui concerne les processus langagiers (deuxième étude), les circuits sémantiques et phonologiques semblent se fusionner dans un seul circuit chez les individus âgés, cela représente vraisemblablement des mécanismes de réserve et de compensation neuronales qui permettent de préserver les habilités langagières.

Observations on Cortical Mechanisms for Object Recognition andsLearning

This paper sketches a hypothetical cortical architecture for visual 3D object recognition based on a recent computational model. The view-centered scheme relies on modules for learning from examples, such as Hyperbf-like networks. Such models capture a class of explanations we call Memory-Based Models (MBM) that contains sparse population coding, memory-based recognition, and codebooks of prototypes. Unlike the sigmoidal units of some artificial neural networks, the units of MBMs are consistent with the description of cortical neurons. We describe how an example of MBM may be realized in terms of cortical circuitry and biophysical mechanisms, consistent with psychophysical and physiological data.

Diferencias en la fluidez sangu??nea cortical en los subtipos de TDAH : un estudio piloto

Resumen tomado de la publicaci??n

The slow cortical evoked potential: cross modality interaction of auditory, vibro-tactile and shock stimuli

This paper discusses a study that collected cortical evoked responses when stimuli of different modalities were presented.

Effect of stimulus intensity on cortical potentials in cochlear implant recipients

Cortical auditory evoked potentials were recorded in cochlear implant recipients and in individuals with normal hearing using a speech stimulus. Responses were acquired over two test sessions to investigate between group differences and test repeatability. Results indicate significant differences in N1-P2 latency and amplitude measures between cochlear implant recipients and individuals with normal hearing.