Pulsed extremely low-frequency magnetic fields stimulate microvesicle release from human monocytic leukaemia cells

Microvesicles are released from cell surfaces constitutively during early apoptosis or upon activation with various stimuli including sublytic membrane attack complex (MAC). This study shows that an alternating current, pulsed, extremely low-frequency electromagnetic field (0.3 μT at 10 Hz, 6 V AC) induced transient plasma membrane damage that allowed calcium influx. This in turn caused a release of stimulated microvesicles (sMV). When extracellular calcium was chelated with EGTA, sMV biogenesis initiated by ELFMF was markedly reduced and the reduction was less than when the stimulation was the deposition of sublytic MAC. This suggested that pulsed ELFMF resulted in transcellular membrane pores causing organelles to leak additional calcium into the cytoplasm (which EGTA would not chelate) which itself can lead to sMV release.

Représentation corticale de la mémoire à court-terme tactile chez l'humain pour une stimulation de la main : étude par magnétoencéphalographie

L'activité cérébrale, reliée spécifiquement à la rétention d'information en mémoire à court-terme tactile, a été investiguée à l'aide de l'enregistrement des champs magnétiques produits par l'activité neuronale générée durant la période de rétention par une tâche de mémoire tactile. Une, deux, trois ou quatre positions, sur une possibilité de huit sur les phalangines et les phalangettes, de la main gauche ou droite, lors de blocs d'essai différents, ont été stimulées simultanément. Le patron de stimulation tactile devait être retenu pendant 1800 ms avant d'être comparé avec un patron test qui était, soit identique, soit différent par une seule position. Nos analyses se sont concentrées sur les régions du cerveau qui montraient une augmentation monotone du niveau d'activité soutenu durant la période de rétention pour un nombre croissant de positions à retenir dans le patron de stimulation. Ces régions ont plus de chance de participer à la rétention active de l'information à maintenir en mémoire à court-terme tactile. Le gyrus cingulaire (BA32), le gyrus frontal supérieur droit (BA 8), le precuneus gauche (BA 7, 19), le gyrus postcentral gauche (BA 7), le gyrus precentral droit (BA 6), le gyrus frontal supérieur gauche (BA 6) et le lobule pariétal inférieur droit (BA 40) semblent tous impliqués dans un réseau mnésique qui maintient les informations sensorielles tactiles dans un système de mémoire à court-terme spécialisé pour l'information tactile.

Validation d’une situation de stimulation suscitant des comportements stéréotypés et des intérêts restreints chez le jeune enfant autiste

Les comportements stéréotypés et les intérêts restreints sont des comportements à valeur diagnostique dans l’autisme. Pourtant, il y a des lacunes en clinique, dans la façon de détecter ces comportements, considérant l’absence d’instruments standardisés les suscitant et en recherche, dans la façon de documenter ces comportements pour arriver à les définir de façon opérationnelle. Cette thèse a pour objectif de mieux documenter, par une situation d’observation, les comportements stéréotypés et les intérêts restreints en bas âge dans l’autisme, et de permettre l’utilisation de cette situation en clinique. Deux étapes préliminaires ont permis de documenter les comportements stéréotypés et les intérêts restreints en bas âge dans l’autisme. La première, l’élaboration d’un questionnaire sur les comportements stéréotypés et les intérêts restreints et les objets qui les déclenchent complété par des experts dans le domaine. Ce questionnaire a permis de construire la grille de cotation et la situation de stimulation. La seconde la construction d’une grille de cotation qui apporte une définition opérationnelle des comportements stéréotypés et des intérêts restreints en bas âge dans l’autisme et vise à les colliger. L’étape principale de la présente recherche consiste en l’élaboration d’une situation de stimulation suscitant des comportements stéréotypés et des intérêts restreints par l’exposition à des objets qui les déclenchent. Cette situation a permis de documenter, par observation, les comportements stéréotypés et les intérêts restreints en bas âge dans l’autisme. La validation de la situation de stimulation a été appliquée auprès de deux groupes d’enfants âgés de 24 à 72 mois appariés en âge chronologique, 21 enfants portant un diagnostic d’autisme et 24 enfants au développement typique Les résultats montrent que la situation de stimulation est un instrument suffisamment sensible pour détecter des comportements stéréotypés et des intérêts restreints en bas âge dans l’autisme et d’identifier des objets d’intérêt. En effet, lors de l’exposition à la situation de stimulation, les enfants autistes se distinguent des enfants typiques sur la base du nombre et de la durée des comportements stéréotypés et des intérêts restreints qu’ils présentent. Les enfants autistes montrent une fréquence significativement plus élevé pour les CSIR suivants: maniérismes des mains et des doigts, crispation des doigts, sautillement, doigts dans la bouche, objets dans la bouche, exploration visuelle: regard rapproché, met les objets en mouvement non circulaire. Les enfants autistes se distinguent également des enfants typiques sur la base de l’exploration des objets, en fréquence et en durée, significativement, pour les objets: Bateau: marteau et balles et lettres et chiffres. Cette étude est la première qui passe par un protocole d’observation systématique, pour documenter les comportements stéréotypés et les intérêts restreints, ainsi que les objets qui les déclenchent, des objets d’intérêt, en bas âge dans l’autisme. Cette situation pourrait ultimement faire partie du processus d’évaluation diagnostique ou de dépistage de l’autisme permettant d’identifier en bas âge des enfants autistes ou à risque d’autisme.

Modulation de l'apprentissage visuel par stimulation électrique transcrânienne à courant direct du cortex préfrontal

Le traitement visuel répété d’un visage inconnu entraîne une suppression de l’activité neuronale dans les régions préférentielles aux visages du cortex occipito-temporal. Cette «suppression neuronale» (SN) est un mécanisme primitif hautement impliqué dans l’apprentissage de visages, pouvant être détecté par une réduction de l’amplitude de la composante N170, un potentiel relié à l’événement (PRE), au-dessus du cortex occipito-temporal. Le cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) influence le traitement et l’encodage visuel, mais sa contribution à la SN de la N170 demeure inconnue. Nous avons utilisé la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SETCD) pour moduler l’excitabilité corticale du CPDL de 14 adultes sains lors de l’apprentissage de visages inconnus. Trois conditions de stimulation étaient utilisées: inhibition à droite, excitation à droite et placebo. Pendant l’apprentissage, l’EEG était enregistré afin d’évaluer la SN de la P100, la N170 et la P300. Trois jours suivant l’apprentissage, une tâche de reconnaissance était administrée où les performances en pourcentage de bonnes réponses et temps de réaction (TR) étaient enregistrées. Les résultats indiquent que la condition d’excitation à droite a facilité la SN de la N170 et a augmentée l’amplitude de la P300, entraînant une reconnaissance des visages plus rapide à long-terme. À l’inverse, la condition d’inhibition à droite a causé une augmentation de l’amplitude de la N170 et des TR plus lents, sans affecter la P300. Ces résultats sont les premiers à démontrer que la modulation d’excitabilité du CPDL puisse influencer l’encodage visuel de visages inconnus, soulignant l’importance du CPDL dans les mécanismes d’apprentissage de base.

La stimulation du nerf vague pour le traitement de la dépression réfractaire : les résultats après un an de suivi

La stimulation du nerf vague (SNV) a reçu l’approbation de Santé Canada en 2001, comme en Europe, pour le traitement de la dépression réfractaire et en 2005 aux États-Unis. Les études européennes et américaines rapportent un taux de réponse de 50% et de rémission de 30% après un an de traitement. La sélection des patients, encadrée par la recherche de marqueurs biologiques et des critères de résistance, pourrait contribuer à améliorer les taux de réponse. Cette étude décrit le suivi des patients ambulatoires souffrant de dépression réfractaire, d’un spectre unipolaire ou bipolaire (n=13) sous SNV. Une révision exhaustive de l’histoire médicale et thérapeutique précède une évaluation clinique intensive. Si un consensus d’équipe est obtenu, une investigation clinique à la recherche des marqueurs biologiques est effectuée. Ceci inclut une tomographie par émission de photons simples (SPECT), une tomographie par émission de positrons (TEP), une formule sanguine complète, un test de suppression à la dexaméthasone (DST), une collecte d’urine 24h (catécholamines et cortisol), une polysomnographie et une évaluation neuropsychologique abrégée. Après 1 an de traitement, 61,5% (8/13) des patients ont atteint le seuil de réponse (diminution de 50% des symptômes), dont 87.5% (7/8) en rémission. Les patients diagnostiqués d’un trouble bipolaire, présentant un DST anormal et/ou avec déficits cognitifs ont répondu au traitement et poursuivent leur rémission après 2 ans. Une sélection minutieuse des patients pour le SNV serait une méthode efficace pour traiter les dépressions réfractaires, notamment pour prévenir les rechutes, amenant un état euthymique durable pour la plupart des patients.

Les effets de la stimulation électrique transcrânienne à courant direct appliquée au cortex somatosensoriel primaire sur la perception vibrotactile

La stimulation électrique transcrânienne à courant direct (tDCS) est une technique non invasive de neuromodulation qui modifie l’excitabilité corticale via deux grosses électrodes de surface. Les effets dépendent de la polarité du courant, anodique = augmentation de l’excitabilité corticale et cathodique = diminution. Chez l’humain, il n’existe pas de consensus sur des effets de la tDCS appliquée au cortex somatosensoriel primaire (S1) sur la perception somesthésique. Nous avons étudié la perception vibrotactile (20 Hz, amplitudes variées) sur le majeur avant, pendant et après la tDCS appliquée au S1 controlatéral (anodale, a; cathodale, c; sham, s). Notre hypothèse « shift-gain » a prédit une diminution des seuils de détection et de discrimination pour la tDCS-a (déplacement vers la gauche de la courbe stimulus-réponse et une augmentation de sa pente). On attendait les effets opposés avec la tDCS-c, soit une augmentation des seuils (déplacement à droite et diminution de la pente). Chez la majorité des participants, des diminutions des seuils ont été observées pendant et immédiatement suivant la tDCS-a (1 mA, 20 min) en comparaison à la stimulation sham. Les effets n’étaient plus présents 30 min plus tard. Une diminution du seuil de discrimination a également été observée pendant, mais non après la tDCS-c (aucun effet pour détection). Nos résultats supportent notre hypothèse, uniquement pour la tDCS-a. Une suite logique serait d’étudier si des séances répétées de tDCS-a mènent à des améliorations durables sur la perception tactile. Ceci serait bénéfique pour la réadaptation sensorielle (ex. suite à un accident vasculaire cérébral).

L’effet du vieillissement normal sur les mécanismes centraux de la régulation de la douleur

Les personnes vieillissantes doivent composer au quotidien avec des douleurs chroniques. Le but de ce travail est de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents qui contribueraient aux douleurs chroniques liées au vieillissement et par là, ouvrir un chemin vers de nouvelles perspectives thérapeutiques. Les contrôles inhibiteurs diffus nociceptifs (CIDN) ont un rôle qui n’est pas des moindres dans le contrôle de la douleur. Des études expérimentales examinant l’effet analgésique de la contre stimulation hétérotopique nociceptive (HNCS), un protocole permettant de tester l’efficacité de ces CIDN, suggèrent que le recrutement des CIDN au sein de cette population était plus faible (i.e. moins d’inhibition) comparé à une population plus jeune. En revanche, les études examinant la sensibilisation centrale induite par sommation temporelle (TS) de la douleur rapportent des résultats mitigés. De plus, une composante importante influençant l’expérience de douleur, les ressources cognitives, dont l’inhibition cognitive, se voient aussi décliner avec l’âge. Premièrement, le recrutement des CIDN a été comparé entre des participants sains, jeunes et des plus âgés avec la HNCS, et le recrutement des mécanismes de sensibilisation centrale avec la TS. La stimulation électrique du nerf sural a été choisie pour permettre de quantifier la douleur, tout en prenant une mesure indicative de la nociception spinale qu’est le réflexe nociceptif spinal (RIII). Nos sujets ont aussi participé à une tâche cognitive (le Stroop), testant l’inhibition cognitive. Deuxièmement, l’efficacité des CIDN ainsi que de l’inhibition cognitive a été testée chez les jeunes et les aînés en imagerie par résonance magnétique (IRM), afin de vérifier la relation entre ces deux mesures psychophysiques et l’épaisseur corticale des régions qui y sont impliquées ainsi que l’effet de l’âge sur celles-ci. Les résultats suggèrent un moindre recrutement des CIDN chez les plus âgés lors de l’expérimentation de la HNCS. Également, les sujets âgés présentaient des capacités d’inhibitions cognitives plus faibles que les jeunes. En plus, une corrélation entre l’inhibition cognitive et la modulation du réflexe RIII par la HNCS a été mise en évidence. Pour l’expérience de TS, les résultats étaient comparables pour les deux groupes, suggérant que les mécanismes impliqués dans la régulation de la douleur ne subiraient pas l’effet de l’âge de la même manière. Pour l’étude de l’épaisseur corticale, on y trouve une diminution globale de l’épaisseur corticale liée à l’âge, mais aussi une corrélation de l’analgésie par la HNCS avec l’inhibition cognitive et également, une relation des deux avec l’épaisseur corticale du cortex orbitofrontal (OFC) latéral gauche, suggérant la possibilité d’une existence d’un réseau neuronal au moins partiellement commun du contrôle inhibiteur descendant sensoriel et cognitif. Ce travail montre que l’effet de l’âge sur les mécanismes centraux de la régulation de la douleur est loin d’être uniforme. Également, il montre une corrélation entre la modulation endogène de la douleur et l’inhibition cognitive, ces deux processus seraient associés à une même région cérébrale. Ces résultats pourraient contribuer à identifier d’autres méthodes thérapeutiques, ouvrant ainsi une nouvelle avenue vers d’autres options dans la prise en charge des douleurs chroniques chez les personnes vieillissantes.

A novel human-machine interface using subdermal magnetic implants

This paper explores a novel tactile human-machine interface based on the controlled stimulation of mechanoreceptors by a subdermal magnetic implant manipulated through an external electromagnet. The selection of a suitable implant magnet and implant site is discussed and an external interface for manipulating the implant is described. The paper also reports on the basic properties of such an interface, including magnetic field strength sensitivity and frequency sensitivity obtained through experimentation on two participants. Finally, the paper presents two practical application scenarios for the interface.

Complex spatiotemporal haemodynamic response following sensory stimulation in the awake rat

Detailed understanding of the haemodynamic changes that underlie non-invasive neuroimaging techniques such as blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging is essential if we are to continue to extend the use of these methods for understanding brain function and dysfunction. The use of animal and in particular rodent research models has been central to these endeavours as they allow in-vivo experimental techniques that provide measurements of the haemodynamic response function at high temporal and spatial resolution. A limitation of most of this research is the use of anaesthetic agents which may disrupt or mask important features of neurovascular coupling or the haemodynamic response function. In this study we therefore measured spatiotemporal cortical haemodynamic responses to somatosensory stimulation in awake rats using optical imaging spectroscopy. Trained, restrained animals received non-noxious stimulation of the whisker pad via chronically implanted stimulating microwires whilst optical recordings were made from the contralateral somatosensory cortex through a thin cranial window. The responses we measure from un-anaesthetised animals are substantially different from those reported in previous studies which have used anaesthetised animals. These differences include biphasic response regions (initial increases in blood volume and oxygenation followed by subsequent decreases) as well as oscillations in the response time series of awake animals. These haemodynamic response features do not reflect concomitant changes in the underlying neuronal activity and therefore reflect neurovascular or cerebrovascular processes. These hitherto unreported hyperemic response dynamics may have important implications for the use of anaesthetised animal models for research into the haemodynamic response function.

A dynamic causal model of the coupling between pulse stimulation and neural activity

We present a dynamic causal model that can explain context-dependent changes in neural responses, in the rat barrel cortex, to an electrical whisker stimulation at different frequencies. Neural responses were measured in terms of local field potentials. These were converted into current source density (CSD) data, and the time series of the CSD sink was extracted to provide a time series response train. The model structure consists of three layers (approximating the responses from the brain stem to the thalamus and then the barrel cortex), and the latter two layers contain nonlinearly coupled modules of linear second-order dynamic systems. The interaction of these modules forms a nonlinear regulatory system that determines the temporal structure of the neural response amplitude for the thalamic and cortical layers. The model is based on the measured population dynamics of neurons rather than the dynamics of a single neuron and was evaluated against CSD data from experiments with varying stimulation frequency (1–40 Hz), random pulse trains, and awake and anesthetized animals. The model parameters obtained by optimization for different physiological conditions (anesthetized or awake) were significantly different. Following Friston, Mechelli, Turner, and Price (2000), this work is part of a formal mathematical system currently being developed (Zheng et al., 2005) that links stimulation to the blood oxygen level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) signal through neural activity and hemodynamic variables. The importance of the model described here is that it can be used to invert the hemodynamic measurements of changes in blood flow to estimate the underlying neural activity.

Comparison between the C5 or C6-Cz electrode assembly and C3 or C4-Cz assembly for transcranial electric motor activation of muscular response of the contralateral facial nerve

We used an assembly of electrodes C3 and C4-Cz in order to activate the motor cortical area of the corticobulbar tract to elucidate the motor-evoked potential of the contralateral mentalis muscle. We compared this setup to that of an assembly with electrodes C5 or C6-Cz using a train of electrical pulses and a single electrical pulse. This analysis was made in 23 consecutive patients who underwent several varied surgeries and were prospectively operated on at Santa Paula Hospital between January and June 2011. The results showed that the assembly with C5 or C6-Cz produced a multisynaptic motor-evoked potential in the contralateral mentalis muscle in 86.9 % of the patients, whereas 82.6 % of patients stimulated at points C3 or C4-Cz presented the same response. However, both assemblies showed similar behavior with the use of a single electrical pulse for peripheral contralateral nerve stimulation. We concluded that the C5 or C6-Cz assembly was similar to C3 or C4-Cz in obtaining a multisynaptic response in the contralateral mentalis muscle, although it required less intensive stimulation than the C3 or C4- Cz assembly.

Functional Magnetic Resonance Imaging Data Analysis by Autoregressive Estimator

The autoregressive (AR) estimator, a non-parametric method, is used to analyze functional magnetic resonance imaging (fMRI) data. The same method has been used, with success, in several other time series data analysis. It uses exclusively the available experimental data points to estimate the most plausible power spectra compatible with the experimental data and there is no need to make any assumption about non-measured points. The time series, obtained from fMRI block paradigm data, is analyzed by the AR method to determine the brain active regions involved in the processing of a given stimulus. This method is considerably more reliable than the fast Fourier transform or the parametric methods. The time series corresponding to each image pixel is analyzed using the AR estimator and the corresponding poles are obtained. The pole distribution gives the shape of power spectra, and the pixels with poles at the stimulation frequency are considered as the active regions. The method was applied in simulated and real data, its superiority is shown by the receiver operating characteristic curves which were obtained using the simulated data.

Dorsal periaqueductal gray stimulation facilitates anxiety-, but not panic-related, defensive responses in rats tested in the elevated T-maze

The escape response to electrical or chemical stimulation of the dorsal periaqueductal gray matter (DPAG) has been associated with panic attacks. In order to explore the validity of the DPAG stimulation model for the study of panic disorder, we determined if the aversive consequences of the electrical or chemical stimulation of this midbrain area can be detected subsequently in the elevated T-maze. This animal model, derived from the elevated plus-maze, permits the measurement in the same rat of a generalized anxiety- and a panic-related defensive response, i.e., inhibitory avoidance and escape, respectively. Facilitation of inhibitory avoidance, suggesting an anxiogenic effect, was detected in male Wistar rats (200-220 g) tested in the elevated T-maze 30 min after DPAG electrical stimulation (current generated by a sine-wave stimulator, frequency at 60 Hz) or after local microinjection of the GABA A receptor antagonist bicuculline (5 pmol). Previous electrical (5, 15, 30 min, or 24 h before testing) or chemical stimulation of this midbrain area did not affect escape performance in the elevated T-maze or locomotion in an open-field. No change in the two behavioral tasks measured by the elevated T-maze was observed after repetitive (3 trials) electrical stimulation of the DPAG. The results indicate that activation of the DPAG caused a short-lived, but selective, increase in defensive behaviors associated with generalized anxiety.

Topological mass of magnetic Skyrmions probed by ultrafast dynamic imaging

In dieser Arbeit untersuchen wir mittels zeitaufgelöster Abbildungen die Gigahertz-Dynamik von magnetischen Skyrmionen, um die Bewegungsgleichungen für diese Quasiteilchen zu bestimmen. Um dieses Ziel zu erreichen haben wir zunächst ein CoB/Pt Schichtsystem entwickelt, das starke senkrechte magnetische Anisotropie mit einer besonders geringen Rauigkeit der Energielandschaft verbindet. Diese Eigenschaften sind für das repetitive dynamische Abbildungsverfahren unerlässlich. In einem zweiten Schritt haben wir das Probendesign optimiert und so weiterentwickelt, dass eine Beobachtung der Skyrmionenbewegung mit einer Auflösung von besser als 3 nm möglich wurde. Aufgrund dieser Verbesserungen ist es uns gelungen, die Trajektorie eines Skyrmionen aufzuzeichnen. Diese Bewegung ist eine Superposition von zwei Drehbewegungen, einer im Uhrzeigersinn und einer gegen läufigen. Aus der Existenz dieser zwei Moden lässt sich schließen, dass Skyrmionen träge Quasiteilchen sind, und aus den Frequenzen können wir einen Wert für die träge Masse ableiten. Es stellt sich heraus, dass die Masse von Skyrmion fünfmal größer ist als von existierenden Theorien vorhergesagt. Die Masse wird folglich durch einen neuartigen Mechanismus bestimmt, der sich aus der räumlichen Beschränkung der Skyrmionen ergibt, welche sich direkt aus der Topologie bleitenrnlässt.

Transcranial Doppler-detected cerebral embolic load during transcatheter aortic valve implantation

Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is an alternative to surgery for high-risk patients with severe aortic valve stenosis. Periprocedural stroke is reported at an incidence up to 10%. Magnetic resonance imaging studies have identified new onset of clinically silent ischaemic cerebral lesions more frequently (68-84%). So far, few data are available about cerebral embolism during TAVI. The aim of this study was to determine the frequency of high-intensity transient signals (HITS) and to explore differences in the HITS pattern between transfemoral and transapical access and between self-expanding (SE) and balloon-expandable (BE) deployment technique.