Using extended contact to improve physiological responses and behavior toward people with schizophrenia

Extended contact has been shown to improve explicit and implicit attitudes toward a number of outgroups, but not yet toward people with mental health conditions. Using people with schizophrenia as the target group, this experiment is the first to demonstrate that extended contact can reduce explicit prejudice, buffer stress responses to future interactions, improve non-verbal behavior, and improve the quality of interactions in a manner detectable by the target group member. Participants watched a video of a brief, positive interaction between two strangers, one of whom they were led to believe had schizophrenia. Control participants watched the same video without being told that the person had schizophrenia. They then participated in a social interaction with a confederate whom they were led to believe had the disorder. Participants' cardiovascular and electrodermal activity were monitored immediately before the interaction. The interaction was also secretly recorded to allow independent judges to assess the participants' non-verbal behaviors. The confederate also rated the positivity of each interaction. Participants in the extended contact condition reported more positive attitudes toward people with schizophrenia, displayed more positive non-verbal behaviors, and had a more positive interaction with the confederate. Moreover, just prior to the interaction, participants in the extended contact condition displayed smaller anticipatory stress responses, as reflected in smaller changes in interbeat interval and non-specific skin conductance responses during this phase. Together, these findings support the use of the extended contact as an intervention that could lead to genuine changes in attitudes toward and treatment of people with severe mental health disorders.

Proteomic analysis reveals oxidative stress response as the main adaptative physiological mechanism in cows under different production systems

Three groups of cows representing three ranges of welfare in the production system were included in the study: two groups of Bruna dels Pirineus beef cattle maintained under different management systems (good and semiferal conditions) and a group of Alberes cows, a breed that lives in the mountains (hardest conditions).

In order to identify new stress/welfare biomarkers, serum from Bruna cows living in both environments was subjected to DIGE labelling, two-dimensional electrophoresis and MALDI-MS or ion trap MS. Identification was achieved for 15 proteins, which mainly belonged to three biological functions, the oxidative stress pathway (glutathione peroxidase (GPx) and paraoxonase (PON-1)), the acute phase protein family (Heremans Schmid glycoprotein alpha2 (α2-HSG)) and the complement system.

Biological validation included the Alberes breed. GPx and PON-1 were validated by an enzymatic assay and found to be higher and lower, respectively, in cows living in hard conditions. α2-HSG was validated by ELISA and found to be reduced in hard conditions. Other biomarkers of the redox status were also altered by living conditions: protein carbonyl content, superoxide dismutase (SOD) and glutathione reductase (GR).

Our results show that changes in the redox system are the main adaptation of cows living in challenging environmental conditions. This article is part of a Special Issue entitled: “Farm animal proteomics”.

Applying imagined contact to improve physiological responses in anticipation of intergroup interactions and the perceived quality of these interactions

This experiment (N 5 49) is the first to show that imagined contact can bufferanticipatory physiological responses to future interactions, and improve the qualityof these interactions. Participants imagined a positive interaction with a person withschizophrenia, or in a control condition, a person who did not have schizophrenia. They then interacted with a confederate whom they believed had schizophrenia. Participants in the imagined contact condition reported more positive attitudes andless avoidance of people with schizophrenia, displayed smaller anticipatory physio-logical responses, specifically smaller changes in interbeat interval and skin conduct-ance responses, and had a more positive interaction according to the confederate.These findings support applying imagined contact to improve interactions with people with severe mental illnesses.

Age-related oral changes

Age-related oral changes are seen in the oral hard and soft tissues as well as in bone, the temporomandibular joints and the oral mucosa. As older patients retain their natural teeth for longer, the clinical picture consists of normal physiological age changes in combination with pathological and iatrogenic effects.

CLINICAL RELEVANCE: With an ageing population retaining more of its natural teeth for longer, dental professionals should expect to observe oral age changes more frequently.

Physiology and metabolic profile of Moringa olifera and Eucalyptus globulus plants subjected to climate changes

As alterações climáticas emergentes têm um grande impacto no crescimento e desenvolvimento de espécies florestais, nomeadamente em espécies de valor industrial e medicinal, como é o caso do eucalipto (Eucalyptus globulus) e da moringa (Moringa oleifera). Assim, é urgente conhecer as respostas fisiológicas e entender as variações que ocorrem nos perfis metabólicos de espécies vegetais. Neste trabalho, plantas jovens de Eucalyptus globulus foram expostas a radiação UVB (12kJ/m2) e foram avaliadas as respostas fisiológicas e o perfil metabólico, um e onze dias após a aplicação da radiação. A dose de UVB usada não afetou as reações fotoquímicas nem as trocas gasosas, contudo ao nível do metabolismo do carbono (AST e amido) e do conteúdo de pigmentos verificaram-se pequenas alterações (AST e pigmentos). Através da análise do perfil metabólico de E. globulus foram encontrados compostos voláteis e semi-voláteis pertencentes às famílias dos terpenos, sesquiterpenos e aldeídos. Em geral, os sesquiterpenos e os álcoois monoterpénicos apresentaram uma tendência para manter e, em alguns casos, diminuir com o stress, enquanto que o grupos dos aldeídos aumentou e os monoterpenos apresentaram um comportamento mais heterogéneo. O E. globulus mostrou ser uma espécie tolerante à aplicação da dose de UVB usada neste trabalho. Por outro lado, plantas jovens de M. oleifera foram expostas a défice hídrico (DH). Um grupo de plantas foi recolhido um dia após o final da exposição e o outro grupo após onze dias do final da exposição. Foi avaliado o perfil metabólico desta espécie através de GC/MS. Os dados cromatográficos indicaram que em condições de stress (DH(1) e DH(11)), as quantidades de compostos associados a vias primárias e secundárias de defesa (como os alcanos, álcoois, ácidos carboxílicos, esteróis, aminoácidos e açucares) sofreram algumas alterações. As plantas analisadas 11 dias após a remoção do stress mostraram maiores variações do perfil de metabolitos. No entanto, tanto um como onze dias após a remoção do stress, as plantas apresentaram a formação de novos rebentos. Apesar do perfil de metabolitos ter sofrido algumas alterações, por não se registarem casos de morte, conclui-se que as plantas de moringa mostraram ser tolerantes aos tratamentos aplicados.

Real-time monitoring of protein conformational changes using a nano-mechanical sensor.

Proteins can switch between different conformations in response to stimuli, such as pH or temperature variations, or to the binding of ligands. Such plasticity and its kinetics can have a crucial functional role, and their characterization has taken center stage in protein research. As an example, Topoisomerases are particularly interesting enzymes capable of managing tangled and supercoiled double-stranded DNA, thus facilitating many physiological processes. In this work, we describe the use of a cantilever-based nanomotion sensor to characterize the dynamics of human topoisomerase II (Topo II) enzymes and their response to different kinds of ligands, such as ATP, which enhance the conformational dynamics. The sensitivity and time resolution of this sensor allow determining quantitatively the correlation between the ATP concentration and the rate of Topo II conformational changes. Furthermore, we show how to rationalize the experimental results in a comprehensive model that takes into account both the physics of the cantilever and the dynamics of the ATPase cycle of the enzyme, shedding light on the kinetics of the process. Finally, we study the effect of aclarubicin, an anticancer drug, demonstrating that it affects directly the Topo II molecule inhibiting its conformational changes. These results pave the way to a new way of studying the intrinsic dynamics of proteins and of protein complexes allowing new applications ranging from fundamental proteomics to drug discovery and development and possibly to clinical practice.

Same Performance Changes after Live High-Train Low in Normobaric vs. Hypobaric Hypoxia.

PURPOSE: We investigated the changes in physiological and performance parameters after a Live High-Train Low (LHTL) altitude camp in normobaric (NH) or hypobaric hypoxia (HH) to reproduce the actual training practices of endurance athletes using a crossover-designed study. METHODS: Well-trained triathletes (n = 16) were split into two groups and completed two 18-day LTHL camps during which they trained at 1100-1200 m and lived at 2250 m (P i O2 = 111.9 ± 0.6 vs. 111.6 ± 0.6 mmHg) under NH (hypoxic chamber; FiO2 18.05 ± 0.03%) or HH (real altitude; barometric pressure 580.2 ± 2.9 mmHg) conditions. The subjects completed the NH and HH camps with a 1-year washout period. Measurements and protocol were identical for both phases of the crossover study. Oxygen saturation (S p O2) was constantly recorded nightly. P i O2 and training loads were matched daily. Blood samples and VO2max were measured before (Pre-) and 1 day after (Post-1) LHTL. A 3-km running-test was performed near sea level before and 1, 7, and 21 days after training camps. RESULTS: Total hypoxic exposure was lower for NH than for HH during LHTL (230 vs. 310 h; P < 0.001). Nocturnal S p O2 was higher in NH than in HH (92.4 ± 1.2 vs. 91.3 ± 1.0%, P < 0.001). VO2max increased to the same extent for NH and HH (4.9 ± 5.6 vs. 3.2 ± 5.1%). No difference was found in hematological parameters. The 3-km run time was significantly faster in both conditions 21 days after LHTL (4.5 ± 5.0 vs. 6.2 ± 6.4% for NH and HH), and no difference between conditions was found at any time. CONCLUSION: Increases in VO2max and performance enhancement were similar between NH and HH conditions.

Physiological reactivity and the perception of emotional stimuli as they relate to social adaptive functioning after traumatic brain injury / y Melonie Jane Hopkins.

Traumatic brain injury (TBI) often affects social adaptive functioning and these changes in social adaptability are usually associated with general damage to the frontal cortex. Recent evidence suggests that certain neurons within the orbitofrontal cortex appear to be specialized for the processing of faces and facial expressions. The orbitofrontal cortex also appears to be involved in self-initiated somatic activation to emotionally-charged stimuli. According to Somatic Marker Theory (Damasio, 1994), the reduced physiological activation fails to provide an individual with appropriate somatic cues to personally-relevant stimuli and this, in turn, may result in maladaptive behaviour. Given the susceptibility of the orbitofrontal cortex in TBI, it was hypothesized that impaired perception and reactivity to socially-relevant information might be responsible for some of the social difficulties encountered after TBL Fifteen persons who sustained a moderate to severe brain injury were compared to age and education matched Control participants. In the first study, both groups were presented with photographs of models displaying the major emotions and either asked to identify the emotions or simply view the faces passively. In a second study, participants were asked to select cards from decks that varied in terms of how much money could be won or lost. Those decks with higher losses were considered to be high-risk decks. Electrodermal activity was measured concurrently in both situations. Relative to Controls, TBI participants were found to have difficulty identifying expressions of surprise, sadness, anger, and fear. TBI persons were also found to be under-reactive, as measured by electrodermal activity, while passively viewing slides of negative expressions. No group difference,in reactivity to high-risk card decks was observed. The ability to identify emotions in the face and electrodermal reactivity to faces and to high-risk decks in the card game were examined in relationship to social monitoring and empathy as described by family members or friends on the Brock Adaptive Functioning Questionnaire (BAFQ). Difficulties identifying negative expressions (i.e., sadness, anger, fear, and disgust) predicted problems in monitoring social situations. As well, a modest relationship was observed between hypo-arousal to negative faces and problems with social monitoring. Finally, hypo-arousal in the anticipation of risk during the card game related to problems in empathy. In summary, these data are consistent with the view that alterations in the ability to perceive emotional expressions in the face and the disruption in arousal to personally-relevant information may be accounting for some of the difficulties in social adaptation often observed in persons who have sustained a TBI. Furthermore, these data provide modest support for Damasio's Somatic Marker Theory in that physiological reactivity to socially-relevant information has some value in predicting social function. Therefore, the assessment of TBI persons, particularly those with adaptive behavioural problems, should be expanded to determine whether alterations in perception and reactivity to socially-relevant stimuli have occurred. When this is the case, rehabilitative strategies aimed more specifically at these difficulties should be considered.

Radiation-induced changes in the export of photoassimilated carbon /|nBarry Jess Shelp. -- 260 0 St. Catharines, [Ont. : s. n.],

Low levels of ionizing radiation induce two translocation responses in soybean: a reduction in photoassimilate export from leaves and a change in the distribution pattern of exported photoassimilate within the plant. In this investigation these responses have been further studied specifically to ascertain the site of radiation damage and to better understand the physiological responses observed. Experimentally the primary data was obtained from studies in which a mature trifoliate leaf of a young soybean plant (Glycine ~ L. cultivar Harosoy '63) is isolated in a closed transparent chamber and allowed to photoassimilate 14C02 for 15 minutes. This is followed by an additional 45 ~_il'1;ute period before the plant is sectl.o ne d an d 14 C-ra dl' oactl.v.l ty d eterml. ne d'l n a 11 parts. Such 14c data provides one with the magnitude and distribution pattern of translocation. Further analyses were conducted to determine the relative levels of the major photosynthetic products using the techniques of paper chromatography and autoradiography. Since differences between control and irradiated P 1 ants were not 0 b serve d l' n t h e par tl't"lo nlng 0 f 14 C between the 80% ethanol-soluble and -insoluble fractions 14 or in the relative amounts of C-products of photosynthesis, the reduction in export in irradiated plants is not likely due to reduced availability of translocatable materials. Data presented in this thesis shows that photoassimilate export was not affected by gamma radiation until a threshold dose between 2.0 and 3.0 krads was reached. It was also observed that radiation-induced damage to the export process was capable of recovery in a period of 1 to 2 hours provided high light intensity was supplied. In contrast, the distribution pattern was shown to be extremely radiosensitive with a low threshold dose between .25 and .49 krads. Although this process was also capable of recovery,lt" occurred much earlier and was followed by a secondary effect which lasted at least for the duration of the experiments. The data presented in this thesis is interpreted to suggest that the sites of radiation action for the two translocation responses are different. In regards to photoassimilate export, the site of action of ionizing radiation is the leaf, quite possibly the process of photophosphorylation which may provide energy directly for phloem loading and for membrane integrity of the phloem tissue* In regards to the pattern of distribution of exported photoassimilate, the site is likely the apical sink, possibly the result of changes of levels of endogenous hormones. By the selection of radiation exposure dose and time post-irradiation, it is possible to affect independently these two processes suggesting that each may be regulated independent of the other and involves a distinct site.

Personality traits and individual differences predict changes in postural control under conditions of height-induced postural threat

This thesis explored whether individual characteristics could predict changes in postural control in young adults under conditions of height-induced postural threat. Eighty-two young adults completed questionnaires to assess trait anxiety, trait movement reinvestment, physical risk-taking, and previous experience with height-related activities. Tests of static (quiet standing) and anticipatory (rise to toes) postural control were completed under conditions of low and high postural threat manipulated through changes in surface height. Individual characteristics were able to significantly predict changes in static, but not anticipatory postural control. Trait movement reinvestment and physical risk-taking were the most influential predictors. Evidence was provided that changes in fear and physiological arousal mediated the relationship between physical risk-taking and changes in static postural control. These results suggest that individual characteristics shape the postural strategy employed under threatening conditions and may be important for clinicians to consider during balance assessment and treatment protocols.

Physiological and behavioural effects of dextroamphetamine on Beagle dogs : a placebo controlled study

Plusieurs articles scientifiques et manuels de référence en médecine comportementale distinguent l'hyperactivité ou hyperkinésie de l’activité excessive en évaluant la réponse physiologique et comportementale des chiens suite à l’administration per os de 0.2 à 1.0 mg/kg de dextroamphétamine. Selon ces références, le chien atteint d’un syndrome hyperactif ou hyperkinésie, répondra de façon paradoxale à cette médication par une diminution de l’activité motrice accompagnée d’une réduction minimale de 15% de la fréquence respiratoire et de la fréquence cardiaque. L’objectif de la présente étude était de mesurer la variation de la température corporelle, de la fréquence cardiaque, de l’activité motrice et de différents comportements spécifiques chez un groupe de Beagles ayant reçu de la dextroamphétamine. La fiabilité d'un accéléromètre comme mesure objective d’activité motrice a aussi été évaluée. Dans le cadre de cette étude croisée contrôlée par placebo, douze Beagles de la colonie de recherche âgés entre 13 et 20 mois ont reçu une dose orale de 0.2 mg/kg de dextroamphétamine. Le moniteur cardiaque Polar® et un accéléromètre Actical® ont été utilisés pour enregistrer la fréquence cardiaque et l’activité motrice avant et après l’administration de la médication. La durée de chacun des comportements spécifiques a été compilée à l’aide du logiciel Noldus® et la température corporelle a été prise par thermomètre rectal. Le modèle équilibré de mesures répétées indique que les sujets ayant reçu la dextroamphétamine montrent une réduction significative (p = 0.044) de leur fréquence cardiaque comparativement aux chiens ayant reçu le placebo. Aucune variation significative n'a été observée concernant la température corporelle, l'activité motrice, et les autres comportements (léchage des babines, halètements, et bâillements) suite à l’administration de la dextroamphétamine. Une corrélation significative, linéaire et positive (p < 0,0001) entre les périodes de mouvements observées (vidéo) et les mesures d’activité enregistrées par l’accéléromètre a été observée. Les résultats de cette étude indiquent que les Beagles peuvent afficher des effets paradoxaux dans les 90 minutes suivant l’administration per os de dextroamphétamine à raison de 0.2 mg/kg.

Microstructural and metabolic changes in the brains of concussed athletes

Les commotions cérébrales ont longtemps été considérées comme une blessure ne comportant que peu ou pas de conséquences. Cependant, la mise à la retraite forcée de plusieurs athlètes de haut niveau, liée au fait d'avoir subi des commotions cérébrales multiples, a porté cette question au premier plan de la culture scientifique et sportive. Malgré la sensibilisation croissante du public et la compréhension scientifique accrue des commotions cérébrales, il reste encore beaucoup d’inconnus au sujet de ces blessures. En effet, il est difficile de comprendre comment cette atteinte peut avoir des effets si profonds malgré le fait qu’elle n’entraîne apparemment pas de conséquences physiques apparentes lorsque les techniques traditionnelles d’imagerie cérébrale sont utilisées. Les techniques de neuroimagerie fonctionnelle ont cependant contribué à répondre aux nombreuses questions entourant les conséquences des commotions cérébrales ainsi qu'à accroître la compréhension générale de la physiopathologie de commotions cérébrales. Bien que les techniques de base telles que l'imagerie structurelle comme les scans TC et IRM soient incapables de détecter des changements structurels dans la grande majorité des cas (Ellemberg, Henry, Macciocchi, Guskiewicz, & Broglio, 2009; Johnston, Ptito, Chankowsky, & Chen, 2001), d'autres techniques plus précises et plus sensibles ont été en mesure de détecter avec succès des changements dans le cerveau commotionné. Des études d’IRM fonctionelle ont entre autres établi une solide relation entre les altérations fonctionnelles et les symptômes post-commotionels (Chen, Johnston, Collie, McCrory, & Ptito, 2007; Chen et al., 2004; Chen, Johnston, Petrides, & Ptito, 2008; Fazio, Lovell, Pardini, & Collins, 2007). Les mesures électrophysiologiques telles que les potentiels évoqués cognitifs (ERP) (Gaetz, Goodman, & Weinberg, 2000; Gaetz & Weinberg, 2000; Theriault, De Beaumont, Gosselin, Filipinni, & Lassonde, 2009; Theriault, De Beaumont, Tremblay, Lassonde, & Jolicoeur, 2010) et la stimulation magnétique transcrânienne ou SMT (De Beaumont, Brisson, Lassonde, & Jolicoeur, 2007; De Beaumont, Lassonde, Leclerc, & Theoret, 2007; De Beaumont et al., 2009) ont systématiquement démontré des altérations fonctionnelles chez les athlètes commotionnés. Cependant, très peu de recherches ont tenté d'explorer davantage certaines conséquences spécifiques des commotions cérébrales, entre autres sur les plans structural et métabolique. La première étude de cette thèse a évalué les changements structurels chez les athlètes commotionnés à l’aide de l'imagerie en tenseur de diffusion (DTI) qui mesure la diffusion de l'eau dans la matière blanche, permettant ainsi de visualiser des altérations des fibres nerveuses. Nous avons comparé les athlètes commotionnés à des athlètes de contrôle non-commotionnés quelques jours après la commotion et de nouveau six mois plus tard. Nos résultats indiquent un patron constant de diffusion accrue le long des voies cortico-spinales et dans la partie du corps calleux reliant les régions motrices. De plus, ces changements étaient encore présents six mois après la commotion, ce qui suggère que les effets de la commotion cérébrale persistent bien après la phase aiguë. Les deuxième et troisième études ont employé la spectroscopie par résonance magnétique afin d'étudier les changements neurométaboliques qui se produisent dans le cerveau commotionné. La première de ces études a évalué les changements neurométaboliques, les aspects neuropsychologiques, et la symptomatologie dans la phase aiguë post-commotion. Bien que les tests neuropsychologiques aient été incapables de démontrer des différences entre les athlètes commotionnés et non-commotionnés, des altérations neurométaboliques ont été notées dans le cortex préfrontal dorsolatéral ainsi que dans le cortex moteur primaire, lesquelles se sont avérées corréler avec les symptômes rapportés. La deuxième de ces études a comparé les changements neurométaboliques immédiatement après une commotion cérébrale et de nouveau six mois après l’atteinte. Les résultats ont démontré des altérations dans le cortex préfrontal dorsolatéral et moteur primaire dans la phase aiguë post-traumatique, mais seules les altérations du cortex moteur primaire ont persisté six mois après la commotion. Ces résultats indiquent que les commotions cérébrales peuvent affecter les propriétés physiques du cerveau, spécialement au niveau moteur. Il importe donc de mener davantage de recherches afin de mieux caractériser les effets moteurs des commotions cérébrales sur le plan fonctionnel.

Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Physiological analysis of central and peripheral insect circadian pacemaker neurons

Alle bisher untersuchten Lebewesen besitzen (circadiane) innere Uhren, die eine endogene Perioden-länge von ungefähr 24 Stunden generieren. Eine innere Uhr kann über Zeitgeber mit der Umwelt synchronisiert werden und ermöglicht dem Organismus, rhythmische Umweltveränderungen vorweg zu nehmen. Neben einem zentralen Schrittmacher, der Physiologie und Verhalten des Organismus steuert, gibt es in unterschiedlichen Organen auch periphere Uhren, die die zeitlichen Abläufe in der spezifischen Funktion dieser Organe steuern. In dieser Arbeit sollten zentrale und periphere Schrittmacherneurone von Insekten physiologisch untersucht und verglichen werden. Die Neurone der akzessorischen Medulla (AME) von Rhyparobia maderae dienten als Modellsystem für zentrale Schrittmacher, während olfaktorische Rezeptorneurone (ORNs) von Manduca sexta als Modellsystem für periphere Schrittmacher dienten. Die zentralen Schrittmacherneurone wurden in extrazellulären Ableitungen an der isolierten AME (Netzwerkebene) und in Patch-Clamp Experimenten an primären AME Zellkulturen (Einzelzellebene) untersucht. Auf Netzwerkebene zeigten sich zwei charakteristische Aktivitätsmuster: regelmäßige Aktivität und Wechsel zwischen hoher und niedriger Aktivität (Oszillationen). Es wurde gezeigt, dass Glutamat ein Neurotransmitter der weitverbreiteten inhibitorischen Synapsen der AME ist, und dass in geringem Maße auch exzitatorische Synapsen vorkommen. Das Neuropeptid pigment-dispersing factor (PDF), das von nur wenigen AME Neuronen exprimiert wird und ein wichtiger Kopplungsfaktor im circadianen System ist, führte zu Hemmungen, Aktivierungen oder Oszillationen. Die Effekte waren transient oder langanhaltend und wurden wahrscheinlich durch den sekundären Botenstoff cAMP vermittelt. Ein Zielmolekül von cAMP war vermutlich exchange protein directly activated by cAMP (EPAC). Auf Einzelzellebene wurde gezeigt, dass die meisten AME Neurone depolarisiert waren und deshalb nicht feuerten. Die Analyse von Strom-Spannungs-Kennlinien und pharmakologische Experimente ergaben, dass unterschiedliche Ionenkanäle vorhanden waren (Ca2+, Cl-, K+, Na+ Kanäle sowie nicht-spezifische Kationenkanäle). Starke, bei hohen Spannungen aktivierende Ca2+ Ströme (ICa) könnten eine wichtige Rolle bei Ca2+-abhängiger Neurotransmitter-Ausschüttung, Oszillationen, und Aktionspotentialen spielen. PDF hemmte unterschiedliche Ströme (ICa, IK und INa) und aktivierte nicht-spezifische Kationenströme (Ih). Es wurde angenommen, dass simultane PDF-abhängige Hyper- und Depolarisationen rhythmische Membranpotential-Oszillationen verursachen. Dieser Mechanismus könnte eine Rolle bei PDF-abhängigen Synchronisationen spielen. Die Analyse peripherer Schrittmacherneurone konzentrierte sich auf die Charakterisierung des olfaktorischen Corezeptors von M. sexta (MsexORCO). In anderen Insekten ist ORCO für die Membran-Insertion von olfaktorischen Rezeptoren (ORs) erforderlich. ORCO bildet Komplexe mit den ORs, die in heterologen Expressionssystemen als Ionenkanäle fungieren und Duft-Antworten vermitteln. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass MsexORCO in pheromonsensitiven ORNs in vivo nicht als Teil eines ionotropen Rezeptors sondern als Schrittmacherkanal fungiert, der unterschwellige Membranpotential-Oszillationen generiert. MsexORCO wurde mit vermeintlichen Pheromonrezeptoren in human embryonic kidney (HEK 293) Zellen coexprimiert. Immuncytochemie und Ca2+ Imaging Experimente zeigten sehr schwache Expressionsraten. Trotzdem war es möglich zu zeigen, dass MsexORCO wahrscheinlich ein spontan-aktiver, Ca2+-permeabler Ionenkanal ist, der durch den ORCO-Agonisten VUAA1 und cyclische Nucleotide aktiviert wird. Außerdem wiesen die Experimente darauf hin, dass MsexOR-1 offensichtlich der Bombykal-Rezeptor ist. Eine weitere Charakterisierung von MsexORCO in primären M. sexta ORN Zellkulturen konnte nicht vollendet werden, weil die ORNs nicht signifikant auf ORCO-Agonisten oder -Antagonisten reagierten.

Heat stress response for physiological traits in dairy and dual purpose cattle populations on phenotypic and genetic scales

The main objective of this thesis was to determine the potential impact of heat stress (HS) on physiological traits of lactating cows and semen quality of bulls kept in a temperate climate. The thesis is comprised of three studies. An innovative statistical modeling aspect common to all three studies was the application of random regression methodology (RRM) to study the phenotypic and genetic trajectory of traits in dependency of a continuous temperature humidity index (THI). In the first study, semen quality and quantity traits of 562 Holstein sires kept on an AI station in northwestern Germany were analyzed in the course of THI calculated from data obtained from the nearest weather station. Heat stress was identified based on a decline in semen quality and quantity parameters. The identified general HS threshold (THI = 60) and the thermoneutal zone (THI in the range from 50 to 60) for semen production were lower than detected in studies conducted in tropical and subtropical climates. Even though adult bulls were characterized by higher semen productivity compared to younger bulls, they responded with a stronger semen production loss during harsh environments. Heritabilities (low to moderate range) and additive genetic variances of semen characteristics varied with different levels of THI. Also, based on genetic correlations genotype, by environment interactions were detected. Taken together, these findings suggest the application of specific selection strategies for specific climate conditions. In the second study, the effect of the continuous environmental descriptor THI as measured inside the barns on rectal temperatures (RT), skin temperatures (ST), vaginal temperatures (VT), respiration rates (RR), and pulse rate (PR) of lactating Holstein Friesian (HF) and dual-purpose German black pied cattle (DSN) was analyzed. Increasing HS from THI 65 (threshold) to THI 86 (maximal THI) resulted in an increase of RT by 0.6 °C (DSN) and 1 °C (HF), ST by 3.5 °C (HF) and 8 °C (DSN), VT by 0.3 °C (DSN), and RR by 47 breaths / minute (DSN), and decreased PR by 7 beats / minute (DSN). The undesired effects of rising THI on physiological traits were most pronounced for cows with high levels of milk yield and milk constituents, cows in early days in milk and later parities, and during summer seasons in the year 2014. In the third study of this dissertation, the genetic components of the cow’s physiological responses to HS were investigated. Heat stress was deduced from indoor THI measurements, and physiological traits were recorded on native DSN cows and their genetically upgraded crosses with Holstein Friesian sires in two experimental herds from pasture-based production systems reflecting a harsh environment of the northern part of Germany. Although heritabilities were in a low range (from 0.018 to 0.072), alterations of heritabilities, repeatabilities, and genetic components in the course of THI justify the implementation of genetic evaluations including heat stress components. However, low repeatabilities indicate the necessity of using repeated records for measuring physiological traits in German cattle. Moderate EBV correlations between different trait combinations indicate the potential of selection for one trait to simultaneously improve the other physiological attributes. In conclusion, bulls of AI centers and lactating cows suffer from HS during more extreme weather conditions also in the temperate climate of Northern Germany. Monitoring physiological traits during warm and humid conditions could provide precious information for detection of appropriate times for implementation of cooling systems and changes in feeding and management strategies. Subsequently, the inclusion of these physiological traits with THI specific breeding values into overall breeding goals could contribute to improving cattle adaptability by selecting the optimal animal for extreme hot and humid conditions. Furthermore, the recording of meteorological data in close distance to the cow and visualizing the surface body temperature by infrared thermography techniques might be helpful for recognizing heat tolerance and adaptability in cattle.