The neuroscience of cognitive enhancement : enhanced attention, working memory and visual information processing speed using 3D-MOT

Des interventions ciblant l’amélioration cognitive sont de plus en plus à l’intérêt dans nombreux domaines, y compris la neuropsychologie. Bien qu'il existe de nombreuses méthodes pour maximiser le potentiel cognitif de quelqu’un, ils sont rarement appuyé par la recherche scientifique. D’abord, ce mémoire examine brièvement l'état des interventions d'amélioration cognitives. Il décrit premièrement les faiblesses observées dans ces pratiques et par conséquent il établit un modèle standard contre lequel on pourrait et devrait évaluer les diverses techniques ciblant l'amélioration cognitive. Une étude de recherche est ensuite présenté qui considère un nouvel outil de l'amélioration cognitive, une tâche d’entrainement perceptivo-cognitive : 3-dimensional multiple object tracking (3D-MOT). Il examine les preuves actuelles pour le 3D-MOT auprès du modèle standard proposé. Les résultats de ce projet démontrent de l’augmentation dans les capacités d’attention, de mémoire de travail visuel et de vitesse de traitement d’information. Cette étude représente la première étape dans la démarche vers l’établissement du 3D-MOT comme un outil d’amélioration cognitive.

The neuroscience of cognitive enhancement : enhanced attention, working memory and visual information processing speed using 3D-MOT

Des interventions ciblant l’amélioration cognitive sont de plus en plus à l’intérêt dans nombreux domaines, y compris la neuropsychologie. Bien qu'il existe de nombreuses méthodes pour maximiser le potentiel cognitif de quelqu’un, ils sont rarement appuyé par la recherche scientifique. D’abord, ce mémoire examine brièvement l'état des interventions d'amélioration cognitives. Il décrit premièrement les faiblesses observées dans ces pratiques et par conséquent il établit un modèle standard contre lequel on pourrait et devrait évaluer les diverses techniques ciblant l'amélioration cognitive. Une étude de recherche est ensuite présenté qui considère un nouvel outil de l'amélioration cognitive, une tâche d’entrainement perceptivo-cognitive : 3-dimensional multiple object tracking (3D-MOT). Il examine les preuves actuelles pour le 3D-MOT auprès du modèle standard proposé. Les résultats de ce projet démontrent de l’augmentation dans les capacités d’attention, de mémoire de travail visuel et de vitesse de traitement d’information. Cette étude représente la première étape dans la démarche vers l’établissement du 3D-MOT comme un outil d’amélioration cognitive.

Hitting a moving target: Perception and action in the timing of rapid interceptions

Different interceptive tasks and modes of interception (hitting or capturing) do not necessarily involve similar control processes. Control based on preprogramming of movement parameters is possible for actions with brief movement times but is now widely rejected; continuous perceptuomotor control models are preferred for all types of interception. The rejection of preprogrammed control and acceptance of continuous control is evaluated for the timing of rapidly executed, manual hitting actions. It is shown that a preprogrammed control model is capable of providing a convincing account of observed behavior patterns that avoids many of the arguments that have been raised against it. Prominent continuous perceptual control models are analyzed within a common framework and are shown to be interpretable as feedback control strategies. Although these models can explain observations of on-line adjustments to movement, they offer only post hoc explanations for observed behavior patterns in hitting tasks and are not directly supported by data. It is proposed that rapid manual hitting tasks make up a class of interceptions for which a preprogrammed strategy is adopted-a strategy that minimizes the role of visual feedback. Such a strategy is effective when the task demands a high degree of temporal accuracy.

Activation of visual areas during the attentional blink

When two targets are presented in rapid succession, identification of the first target is nearly perfect while identification of the second is severely impaired at shorter inter-target lags, and then gradually improves as lag increases. This second-target deficit is known as the attentional blink (AB). Numerous studies have implicated competition for access to higher-order processing mechanisms as the primary cause of the AB. However, relatively few studies have directly examined how the AB modulates activity in specific brain areas. To this end, we used fMRI to measure activation in the occipital and parietal cortices (including V1, V2, and area MT) during an AB task. Participants were presented with an initial target of oriented line segments embedded in a central stream of letter distractors. This central target was followed 100 - 700 ms later by a peripheral ‘X’ presented at one of four locations along with three ‘+’ distractors. All peripheral items were presented in the centre of a small field of moving dots. Participants made non-speeded judgments about line-segment orientation and the location of the second target at the end of a trial and to ignore all other stimuli. The results showed a robust AB characterised by a linear improvement in second-target accuracy as lag increased. This pattern of behavioural results was mirrored by changes in activation patterns across a number of visual areas indicating robust modulation of brain activity by the AB.

Special issue on methods and learning in functional MRI: Introductory remarks

This special issue represents a further exploration of some issues raised at a symposium entitled “Functional magnetic resonance imaging: From methods to madness” presented during the 15th annual Theoretical and Experimental Neuropsychology (TENNET XV) meeting in Montreal, Canada in June, 2004. The special issue’s theme is methods and learning in functional magnetic resonance imaging (fMRI), and it comprises 6 articles (3 reviews and 3 empirical studies). The first (Amaro and Barker) provides a beginners guide to fMRI and the BOLD effect (perhaps an alternative title might have been “fMRI for dummies”). While fMRI is now commonplace, there are still researchers who have yet to employ it as an experimental method and need some basic questions answered before they venture into new territory. This article should serve them well. A key issue of interest at the symposium was how fMRI could be used to elucidate cerebral mechanisms responsible for new learning. The next 4 articles address this directly, with the first (Little and Thulborn) an overview of data from fMRI studies of category-learning, and the second from the same laboratory (Little, Shin, Siscol, and Thulborn) an empirical investigation of changes in brain activity occurring across different stages of learning. While a role for medial temporal lobe (MTL) structures in episodic memory encoding has been acknowledged for some time, the different experimental tasks and stimuli employed across neuroimaging studies have not surprisingly produced conflicting data in terms of the precise subregion(s) involved. The next paper (Parsons, Haut, Lemieux, Moran, and Leach) addresses this by examining effects of stimulus modality during verbal memory encoding. Typically, BOLD fMRI studies of learning are conducted over short time scales, however, the fourth paper in this series (Olson, Rao, Moore, Wang, Detre, and Aguirre) describes an empirical investigation of learning occurring over a longer than usual period, achieving this by employing a relatively novel technique called perfusion fMRI. This technique shows considerable promise for future studies. The final article in this special issue (de Zubicaray) represents a departure from the more familiar cognitive neuroscience applications of fMRI, instead describing how neuroimaging studies might be conducted to both inform and constrain information processing models of cognition.

Hyperbaric oxygen on the healing of ischemic colonic anastomosis - an experimental study in rats

The aim of the present study was to evaluate the effect of hyperbaric oxygen therapy (HBO(2)) on the healing process of ischemic colonic anastomoses in rats Forty Wistar rats were divided into four groups control (Group I), control and HBO(2) (Group 11), ischemia (Group III), ischemia and HBO(2) (Group IV) Ischemia was achieved by clamping four centimeters of the colonic arcade On the eighth therapy day, the anastomotic region was removed for quantification of hydroxyproline and immunohistochemical determination of metalloproteinases 1 and 9 (MMP1,MMP9) The immunohistochemical studies showed significantly larger metalloproteinase-labeled areas in Group IV compared with Group III for both MMP1 and MMP9 (p<001) This finding points to a higher remodeling activity of the anastomoses in this experimental group Additionally, animals subjected to hyperbaric oxygen therapy showed both a reduction in interstitial edema and an increase in hydroxyproline concentrations [at the anastomotic site] Therefore, we conclude that HBO(2) is indeed beneficial in anastomotic ischemia

Learning about life and death in early childhood

Inagaki and Hatano (2002) have argued that young children initially understand biological phenomena in terms of vitalism, a mode of construal in which life or life-force is the central causal-explanatory concept. This study investigated the development of vitalistic reasoning in young children's concepts of life, the human body and death. Sixty preschool children between the ages of 3 years, 7 months and 5 years, 11 months participated. All children were initially given structured interviews to assess their knowledge of (1) human body function and (2) death. From this sample 40 children in the Training group were taught about the human body and how it functions to maintain life. The Control group (n = 20) received no training. All 60 children were subsequently reassessed on their knowledge of human body function and death. Results from the initial interviews indicated that young children who spontaneously appealed to vitalistic concepts in reasoning about human body functioning were also more sophisticated in their understanding of death. Results from the posttraining interviews showed that children readily learned to adopt a vitalistic approach to human body functioning, and that this learning coincided with significant development in their understanding of human body function, and of death. The overall pattern of results supports the claim that the acquisition of a vitalistic causal-explanatory framework serves to structure children's concepts and facilitates learning in the domain of biology. (C) 2003 Elsevier Science (USA). All rights reserved.

Transcending the self in immersive virtual reality

Cognitive neuroscientists have discovered various experimental setups that suggest that our body representation is surprisingly flexible, where the brain can easily be tricked into the illusion that a rubber hand is your hand or that a manikin body is your body. These multisensory illusions work well in immersive virtual reality (IVR). What is even more surprising is that such embodiment induces perceptual, attitudinal and behavioural changes that are concomitant with the displayed body type. Here we outline some recent findings in this field, and suggest that this offers a powerful tool for neuroscience, psychology and a new path for IVR.

Imagerie par résonance magnétique spectroscopique et exploration neurochimique de régions cérébrales d'individus atteints d'un trouble léger de la cognition.

Introduction : Les individus présentant des troubles cognitifs légers ou Mild Cognitive Impairment (MCI) sont plus à risque de développer une maladie d’Alzheimer (MA) que le reste de la population âgée. Objectif : Cette étude repose sur le recours à un devis de type étude de cas multiples dont l’objectif est de contribuer à l’identification d’indices biologiques en quantifiant, à l’aide de la résonance magnétique spectroscopique (MRS), des changements métaboliques précoces chez les individus avec MCI, susceptibles d’évoluer vers la MA. Méthodologie : Huit individus MCI sont comparés à huit individus âgés normaux. Chaque participant est soumis à un examen MRS. Résultats : Parmi les huit participants MCI recrutés, l’un d’entre eux présente désormais un profil cognitif concordant avec une MA. L’analyse spectrale des métabolites de cet individu montre des ratios de glutamate plus élevés au niveau du cortex préfrontal gauche et de la régioncingulaire postérieure gauche. Bien qu’une diminution de NAA/Cr soit fréquemment observée chez la population MCI en voie d’évoluer vers la démence, les résultats obtenus ne démontrent rien en ce sens. Discussion/Conclusion : Le rôle du glutamate dans les processus neurodégénératifs est encore mal établi. L’augmentation de glutamate observée est contraire à la diminution habituellement observée au cours de la MA. Ces résultats sont toutefois explicables par l’existence possible d’excitotoxicité précoce chez les MCI en voie de d’évoluervers la démence. Cela pourrait aussi illustrer des mécanismes de compensation présents avant qu’un déclin cognitif ne soit objectivable.

Les mécanismes endogènes de modulation de la douleur et leur dysfonction dans le syndrome de l'intestin irritable

La douleur est une expérience subjective multidimensionnelle accompagnée de réponses physiologiques. Ces dernières sont régulées par des processus cérébraux qui jouent un rôle important dans la modulation spinale et cérébrale de la douleur. Cependant, les mécanismes de cette régulation sont encore mal définis et il est essentiel de bien les comprendre pour mieux traiter la douleur. Les quatre études de cette thèse avaient donc comme objectif de préciser les mécanismes endogènes de modulation de la douleur par la contreirritation (inhibition de la douleur par une autre douleur) et d’investiguer la dysfonction de ces mécanismes chez des femmes souffrant du syndrome de l’intestin irritable (Sii). Dans un premier temps, un modèle expérimental a été développé pour mesurer l’activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle concurremment à l’enregistrement du réflexe nociceptif de flexion (RIII : index de nociception spinale) et des réponses de conductance électrodermale (SCR : index d’activation sympathique) évoqués par des stimulations électriques douloureuses. La première étude indique que les différences individuelles d’activité cérébrale évoquée par les stimulations électriques dans les cortex orbitofrontal (OFC) et cingulaire sont associées aux différences individuelles de sensibilité à la douleur, de réactivité motrice (RIII) et de réactivité autonomique (SCR) chez des sujets sains. La deuxième étude montre que l’analgésie par contreirritation produite chez des sujets sains est accompagnée de l’inhibition de l’amygdale par OFC et d’une modulation du réflexe RIII par la substance grise périaqueducale (PAG) et le cortex somesthésique primaire (SI). Dans les troisième et quatrième études, il est montré que la contreirritation ne produit pas d’inhibition significative de la douleur et du réflexe RIII chez les patientes Sii en comparaison aux contrôles. De plus, les résultats indiquent que la sévérité des symptômes psychologiques est associée au déficit de modulation de la douleur et à une hypersensibilité diffuse chez les patientes Sii. Dans l’ensemble, cette thèse précise le rôle de certaines structures cérébrales dans les multiples composantes de la douleur et dans l’analgésie par contreirritation et montre que les patientes Sii présentent une dysfonction des mécanismes spinaux et cérébraux impliqués dans la perception et la modulation de la douleur.

Rôle des récepteurs glutamatergiques dans l'activité épileptiforme des interneurones inhibiteurs de l'hippocampe

Les patients atteints d'épilepsie du lobe temporal (TLE) ainsi que les rats injectés à l'acide kaïnique (KA) exhibent des patrons pathophysiologiques similaires de crises, de sclérose de l'hippocampe et de perte de certains types neuronaux. Parmi les cellules atteintes dans le modèle KA du TLE on retrouve certains interneurones inhibiteurs du CA1. En effet, certains interneurones des couches oriens et alveus (O/A-IN) meurent suite à une injection de KA chez le rat, contrairement aux interneurones à la bordure des couches radiatum et lacunosum/moleculare (R/LM-IN) de la même région. Bien que cette perte soit empêchée par des antagonistes des récepteurs glutamatergiques métabotropes de groupe I (mGluR1/5), la cause de cette perte sélective des O/A-INs reste à être précisée. Au cours des travaux de cette thèse, nous avons effectué des enregistrements de patch-clamp en configuration cellule-entière en modes courant- et voltage-imposé couplés à l'imagerie calcique pour étudier les causes de la vulnérabilité sélective des O/A-INs dans ce modèle. Dans un premier temps, nous avons évalué les effets d'une application aiguë de KA sur les propriétés membranaires et calciques pour voir s'il y avait des différences entre les O/A-INs et R/LM-INs qui pourraient expliquer la vulnérabilité. Nos résultats montrent que les dépolarisations et variations de résistance d'entrée ainsi que les augmentations de calcium intracellulaire, dépendantes principalement des récepteurs -amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxasole propionic acid (AMPA), sont similaires entre les deux types d'interneurones suite à des applications aigües de KA. Ceci indique que l'effet aigu du KA sur les interneurones ne serait pas la cause de la vulnérabilité des O/A-INs. Dans un second temps nous avons comparé l'implication des sous-types de récepteurs mGluR1 et 5 dans l'activité épileptiforme des deux types d'interneurones évoquée dans un modèle de tranche désinhibée. Dans ce cas, nos données montrent un rôle important des mGluR1 et 5 activés synaptiquement lors des décharges épileptiformes et ce, de manière spécifique aux O/A-INs. Les courants synaptiques sous-tendant ces décharges impliquent des récepteurs ionotropes et métabotropes du glutamate. En présence d'antagonistes des récepteurs ionotropes glutamatergiques, les courants synaptiques sont biphasiques et formés de composantes rapide et lente. Les récepteurs mGluR1 et 5 sont différemment impliqués dans ces composantes: les mGluR5 étant impliqués dans les composantes rapide et lente, et les mGluR1 que dans la composante lente. Ces résultats indiquent que les mGluR1 et 5 contribuent différemment à l'activité épileptiforme, et spécifiquement dans les O/A-INs, et pourraient donc être impliqués dans la vulnérabilité sélective de ces interneurones dans le modèle KA.

Stress oxydatif cérébrovasculaire et rupture de la barrière hémato-encéphalique dans le syndrome de Wernicke-Korsakoff expérimental

Le syndrome de Wernicke-Korsakoff (SWK) est un désordre neuropsychiatrique causé par la déficience en thiamine (DT). Dans la DT expérimentale comme dans le SWK, on observe une mort neuronale et des hémorragies dans certaines régions précises du diencéphale et du tronc cérébral. Les lésions diencéphaliques du SWK sont particulièrement sévères et entraînent souvent des séquelles amnésiques permanentes. Le lien entre la dysfonction métabolique induite par la DT et la mort neuronale n’est pas connu. Des rapports précédents ont démontré que la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE) était altérée et ce, précédant l’apparition du dommage neuronal, suggérant un rôle critique de la dysfonction vasculaire. Les jonctions serrées (JS) interendothéliales, la base anatomique de la BHE, constituent un réseau moléculaire incluant l’occludin et les zonula occludens (ZOs). Cette thèse démontre une perte d’expression et une altération de la morphologie de ces protéines en relation avec la dysfonction de la BHE dans le thalamus de souris déficientes en thiamine, fournissant une explication pour la présence d’hémorragies. Le stress oxydatif peut entraîner des dommages directs aux protéines des JS et interférer avec leurs mécanismes de régulation. De plus, l’oxyde nitrique (NO) peut induire la métalloprotéinase matricielle-9 (MMP-9) impliquée dans la dégradation de ces protéines. L’endothélium vasculaire cérébral (EVC) semble être une source importante de NO dans la DT, l’expression de l’oxyde nitrique synthase endothéliale (eNOS) étant sélectivement induite dans les régions vulnérables. Le NO peut réagir avec les espèces réactives oxygénées et former du peroxynitrite, entraînant un stress oxydatif/nitrosatif endothélial. Les résultats présentés démontrent que la délétion du gène de eNOS prévient le stress oxydatif/nitrosatif cérébrovasculaire, l’extravasation des immunoglobulins G (IgGs) et l’altération de l’occludin et des ZOs dans le thalamus de souris déficientes en thiamine. De plus, cette délétion prévient l’induction de l’expression de MMP-9 dans l’EVC. Des résultats similaires ont été obtenus avec l’antioxydant N-acétylcystéine (NAC). Les mécanismes précis par lesquels les espèces réactives altèrent les protéines des JS sont inconnus. Caveolin-1, une composante majeure du caveolæ de l’EVC, est impliquée dans la régulation de l’expression des protéines des JS, et celle-ci est modulée par le stress oxydatif/nitrosatif; l’altération de l’expression de caveolin-1 a été récemment associée à la rupture de la BHE. Les résultats présentés démontrent que l’expression de caveolin-1 est sélectivement altérée dans l’EVC du thalamus de souris déficientes en thiamine, coïcidant avec la rupture de la BHE, et démontrent que la normalisation de l’expression de caveolin-1 par le NAC est associée avec l’atténuation du dommage à la BHE. Pris ensemble, ces résultats démontrent un rôle central du stress oxydatif/nitrosatif cérébrovasculaire, particulièrement celui provenant de eNOS, dans l’altération des JS de la BHE via des dommages directs et via l’induction de MMP-9 et de caveolin-1. Cette rupture de la BHE contribue par conséquent à la mort neuronale dans le thalamus, puisque la prévention des altérations cérébrovasculaires par la délétion du gène de eNOS et le NAC atténue significativement la mort neuronale. L’administration précoce d’antioxydants en combinaison avec la thiamine devrait donc être une considération importante pour le traitement du SWK.

Organisation et modulation du réseau neuronal de la respiration chez la lamproie.

Les mécanismes neuronaux contrôlant la respiration sont présentement explorés à l’aide de plusieurs modèles animaux incluant le rat et la grenouille. Nous avons utilisé la lamproie comme modèle animal nous permettant de caractériser les réseaux de neurones du tronc cérébral qui génèrent et modulent le rythme respiratoire. Nous avons d’abord caractérisé une nouvelle population de neurones, dans le groupe respiratoire paratrigéminal (pTRG), une région du tronc cérébral essentielle à la genèse du rythme respiratoire chez la lamproie. Les neurones de cette région sont actifs en phase avec le rythme respiratoire. Nous avons montré que ces neurones possèdent une arborisation axonale complexe, incluant des projections bilatérales vers les groupes de motoneurones du tronc cérébral qui activent les branchies ainsi que des connexions reliant les pTRG de chaque côté du tronc cérébral. Ces résultats montrent que le pTRG contient un groupe de cellules qui active les motoneurones respiratoires des deux côtés et qui pourrait être impliqué dans la synchronisation bilatérale du rythme respiratoire. Nous avons ensuite étudié les mécanismes neuronaux par lesquels le rythme respiratoire est augmenté en lien avec l’effort physique. Nous avons montré que la région locomotrice du mésencéphale (MLR), en plus de son rôle dans la locomotion, active les centres respiratoires pendant la nage, et même en anticipation. Les neurones de la MLR projetant vers les centres locomoteurs et respiratoires sont ségrégés anatomiquement, les neurones localisés plus dorsalement étant ceux qui possèdent des projections vers les centres respiratoires. Nous avons aboli la contribution de la partie dorsale de la MLR aux changements respiratoires en injectant des bloqueurs des récepteurs glutamatergiques localement, sur des préparations semi-intactes. Nous avons montré que lors d’épisodes de nage, une majeure partie de l’effet respiratoire est abolie par ces injections, suggérant un rôle prépondérant des neurones de cette région dans l’augmentation respiratoire pendant la locomotion. Nos résultats confirment que le rythme respiratoire est généré par une région rostrolatérale du pons de la lamproie et montrent que des connexions des centres locomoteurs arrivent directement à cette région et pourraient être impliquées dans l’augmentation respiratoire reliée à l’effort physique.