The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Role of the cotransporter KCC2 in cortical excitatory synapse development and febrile seizure susceptibility

Le co-transporteur KCC2 spécifique au potassium et chlore a pour rôle principal de réduire la concentration intracellulaire de chlore, entraînant l’hyperpolarisation des courants GABAergic l’autorisant ainsi à devenir inhibiteur dans le cerveau mature. De plus, il est aussi impliqué dans le développement des synapses excitatrices, nommées aussi les épines dendritiques. Le but de notre projet est d’étudier l’effet des modifications concernant l'expression et la fonction de KCC2 dans le cortex du cerveau en développement dans un contexte de convulsions précoces. Les convulsions fébriles affectent environ 5% des enfants, et ce dès la première année de vie. Les enfants atteints de convulsions fébriles prolongées et atypiques sont plus susceptibles à développer l’épilepsie. De plus, la présence d’une malformation cérébrale prédispose au développement de convulsions fébriles atypiques, et d’épilepsie du lobe temporal. Ceci suggère que ces pathologies néonatales peuvent altérer le développement des circuits neuronaux irréversiblement. Cependant, les mécanismes qui sous-tendent ces effets ne sont pas encore compris. Nous avons pour but de comprendre l'impact des altérations de KCC2 sur la survenue des convulsions et dans la formation des épines dendritiques. Nous avons étudié KCC2 dans un modèle animal de convulsions précédemment validé, qui combine une lésion corticale à P1 (premier jour de vie postnatale), suivie d'une convulsion induite par hyperthermie à P10 (nommés rats LHS). À la suite de ces insultes, 86% des rats mâles LHS développent l’épilepsie à l’âge adulte, au même titre que des troubles d’apprentissage. À P20, ces animaux presentent une augmentation de l'expression de KCC2 associée à une hyperpolarisation du potentiel de réversion de GABA. De plus, nous avons observé des réductions dans la taille des épines dendritiques et l'amplitude des courants post-synaptiques excitateurs miniatures, ainsi qu’un déficit de mémoire spatial, et ce avant le développement des convulsions spontanées. Dans le but de rétablir les déficits observés chez les rats LHS, nous avons alors réalisé un knock-down de KCC2 par shARN spécifique par électroporation in utero. Nos résultats ont montré une diminution de la susceptibilité aux convulsions due à la lésion corticale, ainsi qu'une restauration de la taille des épines. Ainsi, l’augmentation de KCC2 à la suite d'une convulsion précoce, augmente la susceptibilité aux convulsions modifiant la morphologie des épines dendritiques, probable facteur contribuant à l’atrophie de l’hippocampe et l’occurrence des déficits cognitifs. Le deuxième objectif a été d'inspecter l’effet de la surexpression précoce de KCC2 dans le développement des épines dendritiques de l’hippocampe. Nous avons ainsi surexprimé KCC2 aussi bien in vitro dans des cultures organotypiques d’hippocampe, qu' in vivo par électroporation in utero. À l'inverse des résultats publiés dans le cortex, nous avons observé une diminution de la densité d’épines dendritiques et une augmentation de la taille des épines. Afin de confirmer la spécificité du rôle de KCC2 face à la région néocorticale étudiée, nous avons surexprimé KCC2 dans le cortex par électroporation in utero. Cette manipulation a eu pour conséquences d’augmenter la densité et la longueur des épines synaptiques de l’arbre dendritique des cellules glutamatergiques. En conséquent, ces résultats ont démontré pour la première fois, que les modifications de l’expression de KCC2 sont spécifiques à la région affectée. Ceci souligne les obstacles auxquels nous faisons face dans le développement de thérapie adéquat pour l’épilepsie ayant pour but de moduler l’expression de KCC2 de façon spécifique.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Young children's understanding of oddity: reducing complexity by simple oddity and "most different" strategies

Children aged between 3 and 7 years were taught simple and dimension-abstracted oddity discrimination using learning-set training techniques, in which isomorphic problems with varying content were presented with verbal explanation and feedback. Following the training phase, simple oddity (SO), dimension-abstracted oddity with one or two irrelevant dimensions, and non-oddity (NO) tasks were presented (without feedback) to determine the basis of solution. Although dimension-abstracted oddity requires discrimination based on a stimulus that is different from the others, which are all the same as each other on the relevant dimension, this was not the major strategy. The data were more consistent with use of a simple oddity strategy by 3- to 4-year-olds, and a most different strategy by 6- to 7-year-olds. These strategies are interpreted as reducing task complexity. (C) 2002 Elsevier Science Inc. All rights reserved.

Theory of mind and relational complexity

Cognitive complexity and control theory and relational complexity theory attribute developmental changes in theory of mind (TOM) to complexity. In 3 studies, 3-, 4-, and 5-year-olds performed TOM tasks (false belief, appearance-reality), less complex connections (Level 1 perspective-taking) tasks, and transformations tasks (understanding the effects of location changes and colored filters) with content similar to TOM. There were also predictor tasks at binary-relational and ternary-relational complexity levels, with different content. Consistent with complexity theories: (a) connections and transformations were easier and mastered earlier than TOM; (b) predictor tasks accounted for more than 80% of age-related variance in TOM; and (c) ternary-relational items accounted for TOM variance, before and after controlling for age and binary-relational items. Prediction did not require hierarchically structured predictor tasks.

Infants' Understanding of Object Weight: Relations with Action Experience and Strength

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Can parents and teachers provide a reliable and valid report of behavioral inhibition?

Reliability and validity of parent and teacher report of behavioral inhibition (BI) was examined among children aged 3 to 5 years. Confirmatory factor analysis supported 6 correlated factors reflecting specific BI contexts, each loading on a single, higher order factor of BI. Internal consistency was acceptable, with moderate stability over 1 year and strong correlation with a brief inhibition subscale from a temperament questionnaire. Children who were rated by mothers and teachers as high BI took longer to initiate contact with a stranger, spoke less often and for shorter periods, and required more prompting to elicit speech compared with low-BI peers in a simulated stranger interaction task. Father report of BI was significantly associated with mean duration of speech and eye gaze.

A longitudinal investigation of self-other discrimination and the emergence of mirror self-recognition

The aim in this study was to investigate the association between infants' developing interest in their self-image and the onset of mirror self-recognition (MSR). A longitudinal study was conducted with 98 infants who were seen at intervals of 3 months from 9-24 months of age. At each session, the infants were administered a preferential-looking test whereby they were presented with a video image of themselves alongside a video image of a same-aged peer in two conditions, unmarked and marked. From the 12-month session onwards, the infants were also administered a version of the standard mark test of MSR. The infants showed a significant preference for looking at images of themselves in both conditions coincident with the onset of MSR. This result indicates that developing an interest in the self-image is an important component in the development of MSR. (C) 2003 Elsevier Science Inc. All rights reserved.

Implications of non-response of older women to a short form of the Center for Epidemiologic Studies Depression Scale

The Center for Epidemiologic Studies Depression Scale (CES-D) is frequently used in epidemiological surveys to screen for depression, especially among older adults. This article addresses the problem of non-completion of a short form of the CES-D (CESD-10) in a mailed survey of 73- to 78-year-old women enrolled in the Australian Longitudinal Study on Women's Health. Completers of the CESD-10 had more education, found it easier to manage on available income and reported better physical and mental health. The Medical Outcomes Study Short Form Health Survey (SF-36) scores for non-completers were intermediate between those for women classified as depressed and not depressed using the CESD-10. Indicators of depression had an inverted U-shaped relationship with the number of missing CESD- 10 items and were most frequent for women with two to seven items missing. Future research should pay particular attention to the level of missing data in depression scales and report its potential impact on estimates of depression.

Pretend play, mirror self-recognition and imitation: A longitudinal investigation through the second year

The aim in the current study was to investigate the emergence of pretend play, mirror self-recognition, synchronic imitation and deferred imitation in normally developing human infants. A longitudinal study was conducted with 98 infants seen at three-monthly intervals from 12 through to 24 months of age. At each session the infants were tested on a range of tasks assessing the four target skills. Deferred imitation was found to emerge prior to synchronic imitation, pretend play and mirror self-recognition. In contrast, the latter three skills emerged between 18 and 21 months and followed similar developmental trajectories. Deferred imitation was found to hold a prerequisite relation with these three skills. Synchronic imitation, pretend play and mirror self-recognition were not closely associated and no prerequisite relations were found between these skills. These findings are discussed in the context of current theories regarding the development of pretend play, mirror self-recognition, synchronic imitation and deferred imitation in the second year. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

Parent management training and Asperger syndrome - A randomized controlled trial to evaluate a parent based intervention

This controlled trial of a parent management intervention aimed to increase parental competence in management of problem behaviours associated with Asperger syndrome. The intervention compared two formats, a 1 day workshop and six individual sessions. Measures were taken on three occasions: pre-intervention, at 4 weeks, and at 3 month follow-up. Variables of interest were number and intensity of problem behaviours, and parent evaluation of social interaction skills. Results showed parents reporting fewer and lower intensity of problem behaviours and increased social interactions at 4 weeks and 3 months. Results held across formats and suggest that parent management training can provide an effective intervention for parents of a child with Asperger syndrome. Group differences on outcome measures and in the use of strategies are discussed along with limitations of the study.

Origins and early development of human body knowledge

As a knowable object, the human body is highly complex. Evidence from several converging lines of research, including psychological studies, neuroimaging and clinical neuropsychology, indicates that human body knowledge is widely distributed in the adult brain, and is instantiated in at least three partially independent levels of representation. Sensori-motor body knowledge is responsible for on-line control and movement of one's own body and may also contribute to the perception of others' moving bodies; visuo-spatial body knowledge specifies detailed structural descriptions of the spatial attributes of the human body; and lexical-semantic body knowledge contains language-based knowledge about the human body. In the first chapter of this Monograph, we outline the evidence for these three hypothesized levels of human body knowledge, then review relevant literature on infants' and young children's human body knowledge in terms of the three-level framework. In Chapters II and III, we report two complimentary series of studies that specifically investigate the emergence of visuospatial body knowledge in infancy. Our technique is to compare infants' responses to typical and scrambled human bodies, in order to evaluate when and how infants acquire knowledge about the canonical spatial layout of the human body. Data from a series of visual habituation studies indicate that infants first discriminate scrambled from typical human body pictures at 15 to 18 months of age. Data from object examination studies similarly indicate that infants are sensitive to violations of three-dimensional human body stimuli starting at 15-18 months of age. The overall pattern of data supports several conclusions about the early development of human body knowledge: (a) detailed visuo-spatial knowledge about the human body is first evident in the second year of life, (b) visuo-spatial knowledge of human faces and human bodies are at least partially independent in infancy and (c) infants' initial visuo-spatial human body representations appear to be highly schematic, becoming more detailed and specific with development. In the final chapter, we explore these conclusions and discuss how levels of body knowledge may interact in early development.

Culture and children's cosmology

In this investigation, we examined children's knowledge of cosmology in relation to the shape of the earth and the day-night cycle. Using explicit questioning involving a choice of alternative answers and 3D models, we carried out a comparison of children aged 4-9 years living in Australia and England. Though Australia and England have a close cultural affinity, there are differences in children's early exposure to cosmological concepts. Australian children who have early instruction in this domain were nearly always significantly in advance of their English counterparts. In general, they most often produced responses compatible with a conception of a round earth on which people can live all over without falling off. We consider coherence and fragmentation in children's knowledge in terms of the timing of culturally transmitted information, and in relation to questioning methods used in previous research that may have underestimated children's competence.

Theory-of-mind development in oral deaf children with cochlear implants or conventional hearing aids

Background: In the context of the established finding that theory-of-mind (ToM) growth is seriously delayed in late-signing deaf children, and some evidence of equivalent delays in those learning speech with conventional hearing aids, this study's novel contribution was to explore ToM development in deaf children with cochlear implants. Implants can substantially boost auditory acuity and rates of language growth. Despite the implant, there are often problems socialising with hearing peers and some language difficulties, lending special theoretical interest to the present comparative design. Methods: A total of 52 children aged 4 to 12 years took a battery of false belief tests of ToM. There were 26 oral deaf children, half with implants and half with hearing aids, evenly divided between oral-only versus sign-plus-oral schools. Comparison groups of age-matched high-functioning children with autism and younger hearing children were also included. Results: No significant ToM differences emerged between deaf children with implants and those with hearing aids, nor between those in oral-only versus sign-plus-oral schools. Nor did the deaf children perform any better on the ToM tasks than their age peers with autism. Hearing preschoolers scored significantly higher than all other groups. For the deaf and the autistic children, as well as the preschoolers, rate of language development and verbal maturity significantly predicted variability in ToM, over and above chronological age. Conclusions: The finding that deaf children with cochlear implants are as delayed in ToM development as children with autism and their deaf peers with hearing aids or late sign language highlights the likely significance of peer interaction and early fluent communication with peers and family, whether in sign or in speech, in order to optimally facilitate the growth of social cognition and language.

Attentional bias toward fear-related stimuli: An investigation with nonselected children and adults and children with anxiety disorders

Research investigating anxiety-related attentional bias for emotional information in anxious and nonanxious children has been equivocal with regard to whether a bias for fear-related stimuli is unique to anxious children or is common to children in general. Moreover, recent cognitive theories have proposed that an attentional bias for objectively threatening stimuli may be common to all individuals, with this effect enhanced in anxious individuals. The current study investigated whether an attentional bias toward fear-related pictures could be found in nonselected children (n = 105) and adults (n = 47) and whether a sample of clinically anxious children (n = 23) displayed an attentional bias for fear-related pictures over and above that expected for nonselected children. Participants completed a dot-probe task that employed fear-related, neutral, and pleasant pictures. As expected, both adults and children showed a stronger attentional bias toward fear-related pictures than toward pleasant pictures. Consistent with some findings in the childhood domain, the extent of the attentional bias toward fear-related pictures did not differ significantly between anxious children and nonselected children. However, compared with nonselected children, anxious children showed a stronger attentional bias overall toward affective picture stimuli. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.