Electrophysiological analysis of the sleep onset period : a comparison between subjects with long term insomnia complaints associated with mild traumatic brain injury and matched controls /

The purpose of the current undertaking was to study the electrophysiological properties of the sleep onset period (SOP) in order to gain understanding into the persistent sleep difficulties of those who complain of insomnia following mild traumatic brain injury (MTBI). While many believe that symptoms of post concussion syndrome (PCS) following MTBI resolve within 6 to 12 months, there are a number of people who complain of persistent sleep difficulty. Two models were proposed which hypothesize alternate electrophysiological presentations of the insomnia complaints of those sustaining a MTBI: 1) Analyses of standard polysomnography (PSG) sleep parameters were conducted in order to determine if the sleep difficulties of the MTBI population were similar to that of idiopathic insomniacs (i.e. greater proportion ofREM sleep, reduced delta sleep); 2) Power spectral analysis was conducted over the SOP to determine if the sleep onset signature of those with MTBI would be similar to psychophysiological insomniacs (characterized by increased cortical arousal). Finally, exploratory analyses examined whether the sleep difficulties associated with MTBI could be explained by increases in variability of the power spectral data. Data were collected from 9 individuals who had sustained a MTBI 6 months to 5 years earlier and reported sleep difficulties that had arisen within the month subsequent to injury and persisted to the present. The control group consisted of 9 individuals who had experienced neither sleep difficulties, nor MTBI. Previous to spending 3 consecutive uninterrupted nights in the sleep lab, subjects completed questionnaires regarding sleep difficulties, adaptive functioning, and personality.

Identification and characterization of retinoic acid-induced morphological and electrophysiological changes in an invertebrate nervous system

The vitamin A metabolite, retinoic acid (RA) is known to play an important role in the development, patterning and regeneration of nervous tissue, both in the embryo and in the adult. Classically, RA is known to mediate the transcription of target genes through the binding and activation ofits nuclear receptors: the retinoic acid receptors (RARs) and retinoid X receptors (RXRs). Recently, mounting evidence from many animal models has implicated a number of RA-mediated effects operating independently of gene transcription, and thus highlights nove~ nongenornic actions of RA. For example, recent work utilizing cultured neurons from the pond snaa Lymnaea stagnalis, has shown that RA can elicit a regenerative response, growth cone turning, independently of "classical" transcriptional activation While this work illustrates a novel regeneration-inducing effect in culture, it is currently -unknown whether RA also induces regeneration in situ. This study has sought to determine RA's regenerative effucts at the morphological and molecular levels by utilizing an in situ approach focusing on a single identified dopaminergic neuron which possesses a known "mapped" morphology within the CNS. These studies show, for the first time in an invertebrate, that RA can increase neurite outgrowth of dopaminergic cells that have undergone a nerve-crush injury. Utilizing Western blot analysis, it was shown that this effect appears to be independent of any changes in whole CNS expression levels of either the RAR or RXR. Additionally, utilizing immunohistochemistry, to examine protein localization, there does not appear to be any obvious changes in the RXR expression level at the crush site. Changes in cell morphology such as neurity extension are known to be modulated by changes in neuronal firing activity. It has been previously shown that exposure to RA over many days can lead to changes in the electrophysiological properties of cultured Lymnaea neurons; however, no studies have investigated whether short-term exposure to RA can elicit electrophysiological changes and/or changes in firing pattern of neurons in Lymnaea or any other species. The studies performed here show, for the first time in any species, that short-tenn treatment with RA can elicit significant changes in the firing properties of both identified dopaminergic neurons and peptidergic neurons. This effect appears to be independent of protein synthesis, activation of protein kinase A or phospholipase C, and calcium influx but is both dose-dependent and isomer-dependent. These studies provide evidence that the RXR, but not RAR, may be involved, and that intracellular calcium concentrations decrease upon RAexposure with a time course, dose-dependency and isomer-dependency that coincide with the RA-induced electrophysiological changes. Taken together, these studies provide important evidence highlighting RA as a multifunctional molecule, inducing morphological, molecular and electrophysiological changes within the CNS, and highlight the many pathways through which RA may operate to elicit its effects.

Membrane properties and synaptic integration of identified neuronal populations in the developing rodent neocortex

In my PhD work I concentrated on three elementary questions that are essential to understand the interactions between the different neuronal cell populations in the developing neocortex. The questions regarded the identity of Cajal-Retzius (CR) cells, the ubiquitous expression of glycine receptors in all major cell populations of the immature neocortex, and the role of taurine in the modulation of immature neocortical network activity.rnTo unravel whether CR cells of different ontogenetic origin have divergent functions I investigated the electrophysiological properties of YFP+ (derived from the septum and borders of the pallium) and YFP− CR cells (derived from other neocortical origins). This study demonstrated that the passive and active electrophysiological properties as well as features of GABAergic PSCs and glutamatergic currents are similar between both CR cell populations. These findings suggest that CR cells of different origins most probably support similar functions within the neuronal networks of the early postnatal cerebral cortex.rnTo elucidate whether glycine receptors are expressed in all major cell populations of the developing neocortex I analyzed the functional expression of glycine receptors on subplate (SP) cells. Activation of glycine receptors by glycine, -alanine and taurine elicited membrane responses that could be blocked by the selective glycinergic antagonist strychnine. Pharmacological experiments suggest that SP cells express functional heteromeric glycine receptors that do not contain 1 subunits. The activation of glycine receptors by glycine and taurine induced a membrane depolarization, which mediated excitatory effects. Considering the key role of SP cells in immature cortical networks and the development of thalamocortical connections, this glycinergic excitation may influence the properties of early cortical networks and the formation of cortical circuits.rnIn the third part of my project I demonstrated that tonic taurine application induced a massive increase in the frequency of PSCs. Based on their reversal potential and their pharmacological properties these taurine-induced PSCs are exclusively transmitted via GABAA receptors to the pyramidal neurons, while both GABAA and glycine receptors were implicated in the generation of the presynaptic activity. Accordingly, whole-cell and cell-attached recordings from genetically labeled interneurons revealed the expression of glycine and GABAA receptors, which mediated an excitatory action on these cells. These findings suggest that low taurine concentrations can tonically activate exclusively GABAergic networks. The activity level maintained by this GABAergic activity in the immature nervous system may contribute to network properties and can facilitate the activity dependent formation of adequate synaptic projections.rnIn summary, the results of my studies complemented the knowledge about neuronal interactions in the immature neocortex and improve our understanding of cellular processes that guide neuronal development and thus shape the brain.rn

Interplay between BDNF,TrkB signalling and GABAergic inhibition in the visual cortex of mice

Der visuelle Kortex ist eine der attraktivsten Modellsysteme zur Untersuchung der molekularen Mechanismen der synaptischen Plastizität im Gehirn. Es hat sich gezeigt, dass der Wachstumsfaktor brain-derived-neurotrophic-factor (BDNF) und die GABAerge Hemmung während der Entwicklung eine essentielle Funktion in der Regulierung der synaptischen Plastizität im visuellen Kortex besitzen. BDNF bindet u.a. an TrkB Rezeptoren, die das Signal intrazellular an unterschiedliche Effektormoleküle weiter vermitteln. Außer BDNF sind auch andere TrkB-Rezeptor Agonisten in der Literatur beschrieben. Einer davon ist das kürzlich identifizierte Flavonoid 7,8-Dihydroxyflavone (7,8-DHF), welchem eine neurotrophe Wirkung zugeschrieben wird. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Doktorarbeit wurde der Effekt dieses Agonisten auf die synaptische Übertragung und intrinsischen Zelleigenschaften im visuellen Kortex der Maus untersucht. Dies wurde mit Hilfe der whole-cell patch clamp Methode durchgeführt, wobei die synaptischen Eingänge der Pyramidalzellen der kortikalen Schicht 2/3 von besonderem Interesse waren.rnEine 30 minütige Inkubationszeit der kortikalen Schnitte mit 7,8 DHF (20µM) erzielte eine signifikante Reduktion der GABAergen Hemmung, während die glutamaterge synaptische Übertragung unverändert blieb. Des weiteren konnte in Gegenwart von 7,8 DHF eine Veränderung der intrinsischen neuronalen Zellmembraneigenschaften beobachtet werden. Dies wurde deutlich in der Erhöhung des Eingangwiderstandes und der Frequenz der induzierten Aktionspotentiale. Die chronische Applikation von 7,8 DHF in vivo bestätigte die selektive Wirkung von 7,8 DHF auf das GABAerge System. rnDie Rolle des BDNF-TrkB-Signalweges in der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen ist bisher wenig verstanden. Eine häufig beschriebene elektrophysiologische Veränderung nach kortikaler Verletzung ist eine Reduktion in der GABAergen Hemmung. Im zweiten Abschnitt dieser Doktorarbeit wurde hierzu die Funktion des BDNF-TrkB-Signalweges auf die GABAerge Hemmung nach kortikaler Verletzung untersucht. Es wurde ein "ex-vivo/in-vitro“ Laser-Läsions Modell verwendet, wobei mittels eines Lasers im visuellen Kortex von WT und heterozygoten BDNF (+/−) Mäusen eine definierte, reproduzierbare Läsion induziert wurde. Nachfolgende elektrophysiologische Messungen ergaben, dass die Auswirkung einer Verletzung des visuellen Kortex auf die GABAerge Funktion signifikant von der basalen BDNF Konzentration im Kortex abhängt. Des weiteren konnte beobachtet werden, dass nach kortikaler Verletzung in WT Mäusen sowohl die Frequenz der basalen inhibitorischen, postsynaptischen Potentiale (mIPSCs) reduziert war, als auch ein erhöhtes Paired-Pulse Verhältnis vorlag. Diese Ergebnisse deuten auf Veränderungen der präsynaptischen Funktion inhibitorischer Synapsen auf Pyramidalneurone hin. Im Gegensatz dazu konnte in BDNF (+/−) mice Mäusen eine erhöhte und gleichzeitig verlängerte mIPSC-Amplitude beobachtet werden, induziert durch Reizung afferenter Nervenfasern. Hieraus lässt sich schließen, dass kortikale Verletzungen in BDNF (+/−) mice Mäusen Auswirkungen auf die Eigenschaften von postsynaptischen GABAA-Rezeptoren haben. Die nachfolgende Gabe eines TrkB-Rezeptor Antagonisten bestätigte diese Ergebnisse für das GABAerge System post-Läsion. Dies zeigt auch, dass die Änderungen der synaptischen Hemmung nicht auf eine Reduktion der BDNF-Konzentration zurückzuführen sind. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass der BDNF-TrkB Signalweg eine wichtige Rolle in der Reorganisation der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen spielt. So könnte ein TrkB-Rezeptor Agonist, wie das kürzlich entdeckte 7,8-DHF, über eine Modulation der BDNF-TrB Signalkaskade pharmakologisch die funktionelle Reorganisation des Kortex nach einer fokalen Gehirnverletzung fördern. rnrn

Influence of V5/6-His Tag on the Properties of Gap Junction Channels Composed of Connexin43, Connexin40 or Connexin45

HeLa cells expressing wild-type connexin43, connexin40 or connexin45 and connexins fused with a V5/6-His tag to the carboxyl terminus (CT) domain (Cx43-tag, Cx40-tag, Cx45-tag) were used to study connexin expression and the electrical properties of gap junction channels. Immunoblots and immunolabeling indicated that tagged connexins are synthesized and targeted to gap junctions in a similar manner to their wild-type counterparts. Voltage-clamp experiments on cell pairs revealed that tagged connexins form functional channels. Comparison of multichannel and single-channel conductances indicates that tagging reduces the number of operational channels, implying interference with hemichannel trafficking, docking and/or channel opening. Tagging provoked connexin-specific effects on multichannel and single-channel properties. The Cx43-tag was most affected and the Cx45-tag, least. The modifications included (1) V j-sensitive gating of I j (V j, gap junction voltage; I j, gap junction current), (2) contribution and (3) kinetics of I j deactivation and (4) single-channel conductance. The first three reflect alterations of fast V j gating. Hence, they may be caused by structural and/or electrical changes on the CT that interact with domains of the amino terminus and cytoplasmic loop. The fourth reflects alterations of the ion-conducting pathway. Conceivably, mutations at sites remote from the channel pore, e.g., 6-His-tagged CT, affect protein conformation and thus modify channel properties indirectly. Hence, V5/6-His tagging of connexins is a useful tool for expression studies in vivo. However, it should not be ignored that it introduces connexin-dependent changes in both expression level and electrophysiological properties.

Differential dynamic properties of scleroderma fibroblasts in response to perturbation of environmental stimuli.

Diseases are believed to arise from dysregulation of biological systems (pathways) perturbed by environmental triggers. Biological systems as a whole are not just the sum of their components, rather ever-changing, complex and dynamic systems over time in response to internal and external perturbation. In the past, biologists have mainly focused on studying either functions of isolated genes or steady-states of small biological pathways. However, it is systems dynamics that play an essential role in giving rise to cellular function/dysfunction which cause diseases, such as growth, differentiation, division and apoptosis. Biological phenomena of the entire organism are not only determined by steady-state characteristics of the biological systems, but also by intrinsic dynamic properties of biological systems, including stability, transient-response, and controllability, which determine how the systems maintain their functions and performance under a broad range of random internal and external perturbations. As a proof of principle, we examine signal transduction pathways and genetic regulatory pathways as biological systems. We employ widely used state-space equations in systems science to model biological systems, and use expectation-maximization (EM) algorithms and Kalman filter to estimate the parameters in the models. We apply the developed state-space models to human fibroblasts obtained from the autoimmune fibrosing disease, scleroderma, and then perform dynamic analysis of partial TGF-beta pathway in both normal and scleroderma fibroblasts stimulated by silica. We find that TGF-beta pathway under perturbation of silica shows significant differences in dynamic properties between normal and scleroderma fibroblasts. Our findings may open a new avenue in exploring the functions of cells and mechanism operative in disease development.

Differential dynamic properties of scleroderma fibroblasts in response to perturbation of environmental stimuli.

Diseases are believed to arise from dysregulation of biological systems (pathways) perturbed by environmental triggers. Biological systems as a whole are not just the sum of their components, rather ever-changing, complex and dynamic systems over time in response to internal and external perturbation. In the past, biologists have mainly focused on studying either functions of isolated genes or steady-states of small biological pathways. However, it is systems dynamics that play an essential role in giving rise to cellular function/dysfunction which cause diseases, such as growth, differentiation, division and apoptosis. Biological phenomena of the entire organism are not only determined by steady-state characteristics of the biological systems, but also by intrinsic dynamic properties of biological systems, including stability, transient-response, and controllability, which determine how the systems maintain their functions and performance under a broad range of random internal and external perturbations. As a proof of principle, we examine signal transduction pathways and genetic regulatory pathways as biological systems. We employ widely used state-space equations in systems science to model biological systems, and use expectation-maximization (EM) algorithms and Kalman filter to estimate the parameters in the models. We apply the developed state-space models to human fibroblasts obtained from the autoimmune fibrosing disease, scleroderma, and then perform dynamic analysis of partial TGF-beta pathway in both normal and scleroderma fibroblasts stimulated by silica. We find that TGF-beta pathway under perturbation of silica shows significant differences in dynamic properties between normal and scleroderma fibroblasts. Our findings may open a new avenue in exploring the functions of cells and mechanism operative in disease development.

Long-term injury induced plasticity in {\it Aplysia\/} neurons: Behavioral, electrophysiological, and morphological studies

Nerve injury is known to produce a variety of electrophysiological and morphological neuronal alterations (reviewed by Titmus and Faber, 1990; Bulloch and Ridgeway, 1989; Walters, 1994). Determining if these alterations are adaptive and how they are activated and maintained could provide important insight into basic cellular mechanisms of injury-induced plasticity. Furthermore, characterization of injury-induced plasticity provides a useful assay system for the identification of possible induction signals underlying these neuronal changes. Understanding fundamental mechanisms and underlying induction signals of injury-induced neuronal plasticity could facilitate development of treatment strategies for neural injury and neuropathic pain in humans.^ This dissertation characterizes long-lasting, injury-induced neuronal alterations using the nervous system of Aplysia californica as a model. These changes are examined at the behavioral, electrophysiological, and morphological levels. Injury-induced changes in the electrophysiological properties of neurons were found that increased the signaling effectiveness of the injured neurons. This increase in signalling effectiveness could act to compensate for partial destruction of the injured neuron's peripheral processes. Recovery of a defensive behavioral response which serves to protect the animal from further injury was found within 2 weeks of injury. For the behavioral recovery to occur, new neural pathways must have been formed between the denervated area and the CNS. This was found to be mediated at least in part by new axonal growth which extended from the injured cell back along the original pathway (i.e. into the injured nerve). In addition, injury produced central axonal sprouting into different nerves that do not usually contain the injured neuron's axons. This could be important for (i) finding alternative pathways to the periphery when the original pathways are impassable and (ii) the formation of additional synaptic connections with post-synaptic targets which would further enhance the signalling effectiveness of the injured cell. ^

Autoinhibition of serotonin cells: An intrinsic regulatory mechanism sensitive to the pattern of usage of the cells

After periods of high-frequency firing, the normal rhythmically active serotonin (5HT)-containing neurosecretory neurons of the lobster ventral nerve cord display a period of suppressed spike generation and reduced synaptic input that we refer to as “autoinhibition.” The duration of this autoinhibition is directly related to the magnitude and duration of the current injection triggering the high-frequency firing. More interesting, however, is that the autoinhibition is inversely related to the initial firing frequency of these cells within their normal range of firing (0.5–3 Hz). This allows more active 5HT neurons to resume firing after shorter durations of inhibition than cells that initially fired at slower rates. Although superfused 5HT inhibits the spontaneous firing of these cells, the persistence of autoinhibition in saline with no added calcium, in cadmium-containing saline, and in lobsters depleted of serotonin suggests that intrinsic membrane properties account for the autoinhibition. A similar autoinhibition is seen in spontaneously active octopamine neurons but is absent from spontaneously active γ-aminobutyric acid cells. Thus, this might be a characteristic feature of amine-containing neurosecretory neurons. The 5HT cells of vertebrate brain nuclei share similarities in firing frequencies, spike shapes, and inhibition by 5HT with the lobster cells that were the focus of this study. However, the mechanism suggested to underlie autoinhibition in vertebrate neurons is that 5HT released from activated or neighboring cells acts back on inhibitory autoreceptors that are found on the dendrites and cell bodies of these neurons.

Memory from the dynamics of intrinsic membrane currents

Almost all theoretical and experimental studies of the mechanisms underlying learning and memory focus on synaptic efficacy and make the implicit assumption that changes in synaptic efficacy are both necessary and sufficient to account for learning and memory. However, network dynamics depends on the complex interaction between intrinsic membrane properties and synaptic strengths and time courses. Furthermore, neuronal activity itself modifies not only synaptic efficacy but also the intrinsic membrane properties of neurons. This paper presents examples demonstrating that neurons with complex temporal dynamics can provide short-term “memory” mechanisms that rely solely on intrinsic neuronal properties. Additionally, we discuss the potential role that activity may play in long-term modification of intrinsic neuronal properties. While not replacing synaptic plasticity as a powerful learning mechanism, these examples suggest that memory in networks results from an ongoing interplay between changes in synaptic efficacy and intrinsic membrane properties.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Are there functional P2X receptors on cell bodies in intact dorsal root ganglia of rats?

P2X purinoceptors have been suggested to participate in transduction of painful stimuli in nociceptive neurons. In the current experiments, ATP (1-10 mM), alpha,beta-methylene-ATP (10-30 mu M) and capsaicin (10 nM-1 mu M) were applied to neurons impaled with high resistance microelectrodes in rat dorsal root ganglia (L4 and L5) isolated in vitro together with the sciatic nerve and dorsal roots. The agonists were either bath applied or focally applied using a picospritzer. GABA (100 mu M) and 40-80 mM K+ solutions gave brisk responses when applied by either technique. Only three of 22 neurons with slowly conducting axons (C cells) showed evidence of P2X-purinoceptor-mediated responses. Only two of 13 cells which responded to capsaicin (putative nociceptors), and none of 29 cells with rapidly conducting axons (A cells), responded to the purinergic agonists. When acutely dissociated dorsal root ganglion cells were studied using patch-clamp techniques, all but four of 30 cells of all sizes responded with an inward current to either ATP or alpha,beta-methylene-ATP (both 100 mu M). Our data suggest that few sensory cell bodies in intact dorsal root ganglia express functional purinoceptors. (C) 1998 IBRO. Published by Elsevier Science Ltd.

Intrapericardial Ranolazine Prolongs Atrial Refractory Period and Markedly Reduces Atrial Fibrillation Inducibility in the Intact Porcine Heart

Introduction: Extensive experimental studies and clinical evidence (Metabolic Efficiency with Ranzolazine for Less Ischemia in Non-ST-Elevation Acute Coronary Syndrome Thrombolysis in Myocardial Infarction-36 [MERLIN TIMI-36] trial) indicate potential antiarrhythmic efficacy of the antianginal agent ranolazine. Delivery of agents into the pericardial space allows high local concentrations to be maintained in close proximity to myocardial tissue while systemic effects are minimized. Methods and Results: The effects of intrapericardial (IPC) administration of ranolazine (50-mg bolus) on right atrial and right ventricular effective refractory periods (ERP), atrial fibrillation threshold, and ventricular fibrillation threshold were determined in 17 closed-chest anesthetized pigs. IPC ranolazine increased atrial ERP in a time-dependent manner from 129 +/- 5.14 to 186 +/- 9.78 ms (P < 0.01, N = 7) but did not significantly affect ventricular ERP (from 188.3 +/- 4.6 to 201 +/- 4.3 ms (NS, N = 6). IPC ranolazine increased atrial fibrillation threshold from 4.8 +/- 0.8 to 28 +/- 2.3 mA (P < 0.03, N = 6) and ventricular fibrillation threshold (from 24 +/- 3.56 baseline to 29.33 +/- 2.04 mA at 10-20 minutes, P < 0.03, N = 6). No significant change in mean arterial pressure was observed (from 92.8 +/- 7.1 to 74.8 +/- 7.5 mm Hg, P < 0.125, N = 5, at 7 minutes). Conclusions: IPC ranolazine exhibits striking atrial antiarrhythmic actions as evidenced by increases in refractoriness and in fibrillation inducibility without significantly altering mean arterial blood pressure. Ranolazine`s effects on the atria appear to be more potent than those on the ventricles.

Qualitative analysis of hippocampal plastic changes in rats with epilepsy supplemented with oral omega-3 fatty acids

Studies have provided evidence of the important effects of omega-3 fatty acid on the brain in neurological conditions, including epilepsy. Previous data have indicated that omega-3 fatty acids lead to prevention of status epilepticus-associated neuropathological changes in the hippocampal formation of rats with epilepsy. Omega-3 fatty acid supplementation has resulted in extensive preservation of GABAergic cells in animals with epilepsy. This study investigated the interplay of these effects with neurogenesis and brain-derived neurotrophic factor (BDNF). The results clearly showed a positive effect of long-term omega-3 fatty acid supplementation on brain plasticity in animals with epilepsy. Enhanced hippocampal neurogenesis and BDNF levels and preservation of interneurons expressing parvalbumin were observed. Parvalbumin-positive cells were identified as surviving instead of newly formed cells. Additional investigations are needed to determine the electrophysiological properties of the newly formed cells and to clarify whether the effects of omega-3 fatty acids on brain plasticity are accompanied by functional gain in animals with epilepsy. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.