Nocardia otitidiscaviarum (GAM-5) induces parkinsonian-like alterations in mouse

Parkinson's disease, a major neurodegenerative disorder in humans whose etiology is unknown, may be associated with some environmental factors. Nocardia otitidiscaviarum (GAM-5) isolated from a patient with an actinomycetoma produced signs similar to Parkinson's disease following iv injection into NMRI mice. NMRI mice were infected intravenously with a non-lethal dose of 5 x 10(6) colony forming units of N. otitidiscaviarum (GAM-5). Fourteen days after bacterial infection, most of the 60 mice injected exhibited parkinsonian features characterized by vertical head tremor, akinesia/bradykinesia, flexed posture and postural instability. There was a peak of nocardial growth in the brain during the first 24 h followed by a decrease, so that by 14 days nocardiae could no longer be cultured. At 24 h after infection, Gram staining showed nocardiae in neurons in the substantia nigra and occasionally in the brain parenchyma in the frontal and parietal cortex. At 21 days post-infection, tyrosine hydroxylase immunolabeling showed a 58% reduction of tyrosine hydroxylase in the substantia nigra, and a 35% reduction of tyrosine hydroxylase in the ventral tegmental region. Dopamine levels were reduced from 110 ± 32.5 to 58 ± 16.5 ng/mg protein (47.2% reduction) in brain from infected mice exhibiting impaired movements, whereas serotonin levels were unchanged (191 ± 44 protein in control and 175 ± 39 ng/mg protein in injected mice). At later times, intraneuronal inclusion bodies were observed in the substantia nigra. Our observations emphasize the need for further studies of the potential association between Parkinson's disease or parkinsonism-like disease and exposure to various nocardial species.

Le rôle du stress oxydatif/nitrosatif dans la pathogénèse de l’encéphalopathie hépatique chronique

L'encéphalopathie hépatique (EH) est un syndrome neuropsychiatrique dû à une dysfonction hépatique où l'ammoniaque est un facteur central. Il a déjà été rapporté que l’intoxication aiguë d'ammoniaque induise le stress oxydatif/nitrosatif. La présente étude cible à évaluer le rôle du stress oxydatif/nitrosatif dans 2 modèles de l’EH chronique : (1) l’anastomose portocave (PCA) et (2) la ligation de la voie biliaire (BDL). Ces 2 modèles sont caractérisés par une hyperammoniémie et une augmentation d’ammoniaque centrale, cependant l’œdème cérébral est trouvé seulement chez les rats BDL. Des marqueurs du stress oxydatif/nitrosatif ont été évaluées dans le plasma et cortex frontal. Un stress nitrosatif central a été observé chez les rats PCA; tandis qu’un stress oxydatif/nitrosatif systémique a été démontré seulement chez les rats BDL. Ces résultats suggèrent (1) que l’hyperammoniémie chronique n’induise pas le stress oxydatif/nitrosatif systémique et (2) qu’un synergisme existe entre l’ammoniaque et le stress oxydatif/nitrosatif, en association avec l’œdème cérébral.

Caractérisation moléculaire du rôle de Lhx2 dans le développement de l'oeil et du cerveau

Le développement du système nerveux central (SNC) chez les vertébrés est un processus d'une extrême complexité qui nécessite une orchestration moléculaire très précise. Certains gènes exprimés très tôt lors du développement embryonnaire sont d'une importance capitale pour la formation du SNC. Parmi ces gènes, on retrouve le facteur de transcription à Lim homéodomaine Lhx2. Les embryons de souris mutants pour Lhx2 (Lhx2-/-) souffre d'une hypoplasie du cortex cérébral, sont anophtalmiques et ont un foie de volume réduit. Ces embryons mutants meurent in utero au jour embryonnaire 16 (e16) dû à une déficience en érythrocytes matures. L'objectif principal de cette thèse est de caractériser le rôle moléculaire de Lhx2 dans le développement des yeux et du cortex cérébral. Lhx2 fait partie des facteurs de transcription à homéodomaine exprimé dans la portion antérieure de la plaque neurale avec Rx, Pax6, Six3. Le développement de l'oeil débute par une évagination bilatérale de cette région. Nous démontrons que l'expression de Lhx2 est cruciale pour les premières étapes de la formation de l'oeil. En effet, en absence de Lhx2, l'expression de Rx, Six3 et Pax6 est retardée dans la plaque neurale antérieure. Au stade de la formation de la vésicule optique, l'absence de Lhx2 empêche l'activation de Six6 (un facteur de transcription également essentiel au développement de l'œil). Nous démontrons que Lhx2 et Pax6 coopèrent en s'associant au promoteur de Six6 afin de promouvoir sa trans-activation. Donc, Lhx2 est un gène essentiel pour la détermination de l'identité rétinienne au niveau de la plaque neurale. Plus tard, il collabore avec Pax6 pour établir l'identité rétinienne définitive et promouvoir la prolifération cellulaire. De plus, Lhx2 est fortement exprimé dans le télencéphale, région qui donnera naissance au cortex cérébral. L'absence de Lhx2 entraîne une diminution de la prolifération des cellules progénitrices neurales dans cette région à e12.5. Nous démontrons qu'en absence de Lhx2, les cellules progénitrices neurales (cellules de glie radiale) se différencient prématurément en cellules progénitrices intermédiaires et en neurones post-mitotiques. Ces phénotypes sont corrélés à une baisse d'activité de la voie Notch. En absence de Lhx2, DNER (un ligand atypique de la voie Notch) est fortement surexprimé dans le télencéphale. De plus, Lhx2 et des co-répresseurs s'associent à la chromatine de la région promotrice de DNER. Nous concluons que Lhx2 permet l'activation de la voie Notch dans le cortex cérébral en développement en inhibant la transcription de DNER, qui est un inhibiteur de la voie Notch dans ce contexte particulier. Lhx2 permet ainsi la maintenance et la prolifération des cellules progénitrices neurales.

Récepteur EphA7 : expression régionale dans le cerveau et localisation ultrastructurale dans l’hippocampe chez le rat et la souris adultes

Bourse de maîtrise du Groupe de recherche sur le système nerveux central GRSNC, (2009,2010) Bourse d’études supérieures du Canada Frederick Banting et Charles Best, IRSC Instituts de recherche en santé du Canada, (2011)

Portacaval anastomosis-induced hyperammonemia does not lead to oxidative stress.

Ammonia is neurotoxic and believed to play a major role in the pathogenesis of hepatic encephalopathy (HE). It has been demonstrated, in vitro and in vivo, that acute and high ammonia treatment induces oxidative stress. Reactive oxygen species (ROS) are highly reactive and can lead to oxidization of proteins resulting in protein damage. The present study was aimed to assess oxidative status of proteins in plasma and brain (frontal cortex) of rats with 4-week portacaval anastomosis (PCA). Markers of oxidative stress, 4-hydroxy-2-nonenal (HNE) and carbonylation were evaluated by immunoblotting in plasma and frontal cortex. Western blot analysis did not demonstrate a significant difference in either HNE-linked or carbonyl derivatives on proteins between PCA and sham-operated control rats in both plasma and frontal cortex. The present study suggests PCA-induced hyperammonemia does not lead to systemic or central oxidative stress.

La mémoire émotionnelle chez les patients schizophrènes consommateurs de cannabis : une étude en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle

Contexte Malgré les conséquences néfastes bien connues de la consommation de cannabis chez les patients souffrant de schizophrénie (SCZ), ces derniers en font usage dans une proportion atteignant 40%. Plusieurs études ont tenté d’éclaircir la nature du lien qui existe entre ces deux problématiques, mais cela demeure à ce jour un sujet d’incertitude. Des études précédentes, dont certaines de notre groupe, ont montré que les patients souffrant de schizophrénie et d’un trouble d’abus de cannabis (SCZCAN) présentaient moins de symptômes négatifs, de meilleures capacités cognitives et un processus de traitement des émotions se rapprochant davantage de la normale. Objectif La présente étude vise à évaluer la mémoire émotionnelle ainsi que ses corrélats neurobiologiques par imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) chez les SCZCAN en comparaison avec les SCZ. Notre hypothèse est que les SCZCAN vont mieux performer lors d’une tâche de mémoire émotionnelle en comparaison avec les SCZ et qu’ils démontreront des activités dans des régions cérébrales plus étendues et impliquées dans la mémoire et le traitement émotionnel. Méthode Trois groupes de sujets, soit un groupe de SCZ (N=14), un groupe de SCZCAN (N=14) et un groupe contrôle (N=21) ont participé à une tâche de mémoire émotionnelle lors d’une imagerie par IRMf. Résultats Les résultats de notre étude ont montré que les SCZCAN performaient mieux que les SCZ dans une tâche de mémoire émotionnelle et montraient des activations dans des régions cérébrales plus étendues à l’IRMf, en particulier celles impliquées dans mémoire et dans le traitement des émotions (cortex orbitofrontal et temporal, hippocampe). Conclusion Les SCZCAN ont une préservation relative de leur mémoire émotionnelle en comparaison aux SCZ, ce qui est corrélé avec de plus grandes activations cérébrales dans les régions qui jouent un rôle dans la mémoire et le traitement émotionnel.

Étude de la perfusion cérébrale régionale dans le trouble comportemental en sommeil paradoxal

Le trouble comportemental en sommeil paradoxal (TCSP) se caractérise par une perte de l’atonie musculaire en sommeil paradoxal et par des manifestations motrices élaborées souvent associées au contenu onirique. Le TCSP peut apparaître sous une forme idiopathique (TCSPi), mais il est fréquemment lié à certains désordres neurodégénératifs, dont les synucléinopathies. Des marqueurs biologiques des synucléinopathies, tels que la présence d’anomalies au plan de la motricité, de la détection des odeurs ainsi que de la discrimination des couleurs, ont été retrouvés dans le TCSPi. De plus, des perturbations de l’activité cérébrale en neuroimagerie ainsi que du fonctionnement cognitif ont été observées chez ces patients. Des études ont démontré que le TCSPi pouvait précéder l’apparition d’une maladie de Parkinson (MP) ou d’une démence à corps de Lewy (DCL). Ceci suggère que le TCSPi représenterait un facteur de risque des synucléinopathies. L’objectif principal du présent projet est d’étudier les anomalies du débit sanguin cérébral régional (DSCr) de repos avec la tomographie par émission monophotonique (TEM) dans le TCSPi. Deux études ont été réalisées. La première visait à comparer le DSCr entre des patients avec un TCSPi et des sujets sains, puis d’explorer la relation entre l’activité cérébrale et la présence de marqueurs biologiques des synucléinopathies. Les résultats ont montré une diminution de la perfusion cérébrale dans les régions frontales et pariétales ainsi qu’une augmentation de la perfusion au niveau du pont, du putamen et des hippocampes chez les patients avec un TCSPi. Une relation significative entre la performance des sujets avec un TCSPi à une épreuve de discrimination des couleurs et la perfusion cérébrale au niveau des régions frontales et occipitales a été mise en évidence. Dans l’ensemble, ces résultats ont démontré des anomalies du DSCr chez les patients avec un TCSPi qui sont similaires à celles observées par d’autres études en neuroimagerie dans la MP. Ceci suggère des atteintes neuroanatomiques semblables entre ces pathologies. La seconde étude en TEM a été effectuée dans le but d’examiner les modifications du DSCr associées aux perturbations du fonctionnement cognitif dans le TCSPi. Pour ce faire, le DSCr a été comparé entre un sous-groupe de patients avec un TCSPi et un trouble cognitif léger (TCL), un sous-groupe de patients avec un TCSPi sans TCL et un groupe de sujets sains. Les résultats ont montré que seuls les patients avec un TCSPi et un TCL présentaient une diminution de la perfusion cérébrale dans les aires corticales postérieures (occipitales et temporo-pariétales). Ces observations sont similaires à celles rapportées dans la MP avec démence et la DCL dans les études en neuroimagerie. En conclusion, les résultats de ces deux études ont montré des perturbations du DSCr dans le TCSPi, similaires à celles observées dans les synucléinopathies. Par ailleurs, nos résultats ont mis en évidence que les patients avec un TCSPi et un TCL présentaient les mêmes anomalies de la perfusion cérébrale que les patients avec une MP avec démence et/ou une DCL. La présence de tels marqueurs des synucléinopathies dans le TCSPi suggère que ces patients pourraient être plus à risque d’évoluer vers ce type de maladie neurodégénérative.

Localisation régionale et subcellulaire du récepteur EphA7 dans l'hippocampe et le cervelet du rat adulte

EphA7 est un membre de la famille des récepteurs à tyrosine kinase, Eph, qui assume plusieurs rôles durant le développement du système nerveux central. Par ailleurs, il continue d’être fortement exprimé dans le cerveau adulte, notamment dans les régions reconnues pour leur grande plasticité synaptique, telles que l’hippocampe et le cervelet. Par hybridation in situ, nous avons cartographié la distribution de l’ARNm d’EphA7 dans le cerveau de rats et souris adultes. Les couches pyramidales du CA1 et CA3 et granulaire du gyrus dentelé de la formation de l’hippocampe ont montré le plus fort marquage. Un niveau d’ARNm d’EphA7 plus modéré a été observé dans l’habenula, le striatum, l’amygdale, le cervelet et le cortex cingulaire, piriforme et entorhinal. Quant à la protéine détectée par immunohistochimie, elle était fortement exprimée dans le neuropile de l’hippocampe et la couche des cellules de Purkinje du cervelet. En microscopie électronique, dans toutes les couches de l’hippocampe et du cervelet examinées, des épines dendritiques, des dendrites, des axones non-myélinisés, des terminaisons axonales et quelquefois des prolongements astrocytaires constituaient les éléments immunopositifs. Comme on pouvait déjà le voir en microscopie photonique, les corps cellulaires des cellules pyramidales et granulaires de l’hippocampe ainsi que des cellules de Purkinje du cervelet montraient aussi du marquage, surtout intracellulaire. L’analyse quantitative a révélé la localisation préférentielle d’EphA7 dans des dendrites et épines dendritiques. La majorité des épines marquées formaient des synapses asymétriques (excitatrices) avec des terminaisons axonales non marquées. La double localisation préférentielle d’EphA7 dans les dendrites ainsi que les densités post-synaptiques des épines dendritiques est compatible avec l’hypothèse d’un rôle d’EphA7 dans le maintien ou la fonction de certaines synapses du SNC adulte.

Brain Glutamate Dehydrogenase Changes In Streptozotocin Diabetic Rats As A Function Of Age

Kinetic parameters of brain glutamate dehydrogenase (GDH) were compared in the brain stem, cerebellum and cerebral cortex of three weeks and one year old streptozotocin (STZ) induced four day diabetic rats with respective controls. A single intrafemoral dose of STZ (60mg/Kg body weight) was administered to induce diabetes in both age groups. After four days the blood glucose levels showed a significant increase in the diabetic animals of both age groups compared with the respective controls. The increase in blood glucose was significant in one year old compared to the three weeks old diabetic rats. The Vmm of the enzyme was decreased in all the brain regions studied, of the three weeks old diabetic rats without any significant change in the Km. In the adult the Vmax of GDH was increased in cerebellum and brain stem but was unchanged in the cerebral cortex. The K. was unchanged in cerebellum and cerebral cortex but was increased in the brain stem. These results suggest there may be an important regulatory role of the glutamate pathway in brain neural network disturbances and neuronal degeneration in diabetes as a function of age.

Atypical neural self-representation in autism

The 'self' is a complex multidimensional construct deeply embedded and in many ways defined by our relations with the social world. Individuals with autism are impaired in both self-referential and other-referential social cognitive processing. Atypical neural representation of the self may be a key to understanding the nature of such impairments. Using functional magnetic resonance imaging we scanned adult males with an autism spectrum condition and age and IQ-matched neurotypical males while they made reflective mentalizing or physical judgements about themselves or the British Queen. Neurotypical individuals preferentially recruit the middle cingulate cortex and ventromedial prefrontal cortex in response to self compared with other-referential processing. In autism, ventromedial prefrontal cortex responded equally to self and other, while middle cingulate cortex responded more to other-mentalizing than self-mentalizing. These atypical responses occur only in areas where self-information is preferentially processed and does not affect areas that preferentially respond to other-referential information. In autism, atypical neural self-representation was also apparent via reduced functional connectivity between ventromedial prefrontal cortex and areas associated with lower level embodied representations, such as ventral premotor and somatosensory cortex. Furthermore, the magnitude of neural self-other distinction in ventromedial prefrontal cortex was strongly related to the magnitude of early childhood social impairments in autism. Individuals whose ventromedial prefrontal cortex made the largest distinction between mentalizing about self and other were least socially impaired in early childhood, while those whose ventromedial prefrontal cortex made little to no distinction between mentalizing about self and other were the most socially impaired in early childhood. These observations reveal that the atypical organization of neural circuitry preferentially coding for self-information is a key mechanism at the heart of both self-referential and social impairments in autism.

The neural basis of maternal responsiveness to infants: an fMRI study

Using fMRI, we examined the neural correlates of maternal responsiveness. Ten healthy mothers viewed alternating blocks of video: (i) 40 s of their own infant; (ii) 20 s of a neutral video; (iii) 40 s of an unknown infant and (iv) 20 s of neutral video, repeated 4 times. Predominant BOLD signal change to the contrast of infants minus neutral stimulus occurred in bilateral visual processing regions BA minus neutral stimulus occurred in bilateral visual processing regions (BA 38), left amygdala and visual cortex (BA 19), and to the unknown infant minus own infant contrast in bilateral orbitofrontal cortex (BA 10,47) and medial prefrontal cortex (BA 8). These findings suggest that amygdala and temporal pole may be key sites in mediating a mother's response to her infant and reaffirms their importance in face emotion processing and social behaviour.

How the brain blinks: towards a neurocognitive model of the attentional blink

When people monitor a visual stream of rapidly presented stimuli for two targets (T1 and T2), they often miss T2 if it falls into a time window of about half a second after T1 onset-the attentional blink (AB). We provide an overview of recent neuroscientific studies devoted to analyze the neural processes underlying the AB and their temporal dynamics. The available evidence points to an attentional network involving temporal, right-parietal and frontal cortex, and suggests that the components of this neural network interact by means of synchronization and stimulus-induced desynchronization in the beta frequency range. We set up a neurocognitive scenario describing how the AB might emerge and why it depends on the presence of masks and the other event(s) the targets are embedded in. The scenario supports the idea that the AB arises from "biased competition", with the top-down bias being generated by parietal-frontal interactions and the competition taking place between stimulus codes in temporal cortex.

Turning on the alarm: the neural mechanisms of the transition from innocuous to painful sensation

The experience of pain occurs when the level of a stimulus is sufficient to elicit a marked affective response, putatively to warn the organism of potential danger and motivate appropriate behavioral responses. Understanding the biological mechanisms of the transition from innocuous to painful levels of sensation is essential to understanding pain perception as well as clinical conditions characterized by abnormal relationships between stimulation and pain response. Thus, the primary objective of this study was to characterize the neural response associated with this transition and the correspondence between that response and subjective reports of pain. Towards this goal, this study examined BOLD response profiles across a range of temperatures spanning the pain threshold. 14 healthy adults underwent functional magnetic resonance imaging (fMRI) while a range of thermal stimuli (44-49oC) were applied. BOLD responses showed a sigmoidal profile along the range of temperatures in a network of brain regions including insula and mid- cingulate, as well as a number of regions associated with motor responses including ventral lateral nuclei of the thalamus, globus pallidus and premotor cortex. A sigmoid function fit to the BOLD responses in these regions explained up to 85% of the variance in individual pain ratings, and yielded an estimate of the temperature of steepest transition from non-painful to painful heat that was nearly identical to that generated by subjective ratings. These results demonstrate a precise characterization of the relationship between objective levels of stimulation, resulting neural activation, and subjective experience of pain and provide direct evidence for a neural mechanism supporting the nonlinear transition from innocuous to painful levels along the sensory continuum.

The neural bases of the short-term storage of verbal information are anatomically variable across individuals

What are the precise brain regions supporting the short-term retention of verbal information? A previous functional magnetic resonance imaging (fMRI) study suggested that they may be topographically variable across individuals, occurring, in most, in regions posterior to prefrontal cortex (PFC), and that detection of these regions may be best suited to a single-subject (SS) approach to fMRI analysis (Feredoes and Postle, 2007). In contrast, other studies using spatially normalized group-averaged (SNGA) analyses have localized storage-related activity to PFC. To evaluate the necessity of the regions identified by these two methods, we applied repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) to SS- and SNGA-identified regions throughout the retention period of a delayed letter-recognition task. Results indicated that rTMS targeting SS analysis-identified regions of left perisylvian and sensorimotor cortex impaired performance, whereas rTMS targeting the SNGA-identified region of left caudal PFC had no effect on performance. Our results support the view that the short-term retention of verbal information can be supported by regions associated with acoustic, lexical, phonological, and speech-based representation of information. They also suggest that the brain bases of some cognitive functions may be better detected by SS than by SNGA approaches to fMRI data analysis.

Perceived helplessness is associated with individual differences in the central motor output system

Learned helplessness is a maladaptive response to uncontrollable stress characterized by impaired motor escape responses, reduced motivation and learning deficits. There are important individual differences in the likelihood of becoming helpless following exposure to uncontrollable stress but little is known about the neural mechanisms underlying these individual differences. Here we used structural MRI to measure gray and white matter in individuals with chronic pain, a population at high risk for helplessness due to prolonged exposure to a poorly controlled stressor (pain). Given that self-reported helplessness is predictive of treatment outcomes in chronic pain, understanding such differences might provide valuable clinical insight. We found that the magnitude of self-reported helplessness correlated with cortical thickness in the supplementary motor area (SMA) and midcingulate cortex, regions implicated in cognitive aspects of motor behavior. We then examined the white matter connectivity of these regions and found that fractional anisotropy of connected white matter tracts along the corticospinal tract was associated with helplessness and mediated the relationship between SMA cortical thickness and helplessness. These data provide novel evidence that links individual differences in the motor output pathway with perceived helplessness over a chronic and poorly controlled stressor.