Behavioural correlates of ocular accomodation and the autonomic nervous system

The binding issue of th is thesis was the examination of workload, induced by relinotopic and spatiotopic stimuli, on both the ocu lomotor and cardiovascular systems together with investigating the covariation between the two systems - the 'eye-heart' link. Further, the influence of refractive error on ocular accommodation and cardiovascular function was assessed. A clinical evaluation was undertaken to assess the newly available open-view infrared Shin-Nippon NVision-K 5001 optometer, its benefit being the capability to measure through pupils = 2.3 mm. Measurements of refractive error taken with the NVision-K were found to be both accurate (Difference in Mean Spherical Equivalent: 0.14 ± 0.35 D; p = 0.67) and repeatable when compared to non-cycloplegic subjective refraction. Due to technical difficulties, however, the NVision-K could not be used for the purpose of the thesis, as such, measures of accommodation were taken using the continuously recording Shin-Nippon SRW-5000 openview infrared optometer, coupled with a piezo-electric finger pulse transducer to measure pulse. Heart rate variability (HRV) was spectrally analysed to determine the systemic sympathetic and parasympathetic components of the autonomic nervous system (ANS). A large sample (n = 60), cross-sectional study showed late-onset myopes (LOMs) display less accurate responses when compared to other refractive groups at high accommodative demand levels (3 .0 0 and 4.0D). Tonic accommodation (TA) was highest in the hypermetropes, fo llowed by emmetropes and early-onset myopes while the LOM subjects demonstrated statistically significant lower levels of TA. The root-meansquare (RMS) value of the accommodative response was shown to amplify with increased levels of accommodative demand. Changes in refractive error only became significant between groups at higher demand levels (3.0 D and 4.0 D) with the LOMs showing the largest magnification in oscilIations. Examination of the stimulus-response cross-over point with the unit ratio line and TA showed a correlation between the two (r = 0.45, p = 0.001), where TA is approximately twice the dioptric value of the stimulus-response cross-over point. Investigation of the relationship between ocular accommodation and systemic ANS function demonstrated covariation between the systems. Subjects with a faster heart rate (lower heart period) tended to have a higher TA value (r = -0.27, p < 0.05). Further, an increase in accommodative demand accompanies a faster heart rate. The influence of refractive error on the cardiovascular response to changes in accommodative demand, however, was equivocal. Examination of the microfluctuations ofacconunodation demonstrated a correlation between the temporal frequency location of the accommodative high Frequency component (HFC) and the arterial pulse frequency. The correlation was present at a range of accommodative demands from 0.0 D to 4.0 D and in all four refractive groups, suggesting that the HFC was augmented by physiological factors. Examination of the effect of visual cognition on ocular accommodation and the ANS confirmed that increasing levels of cognition affect the accommodative mechanism. The accommodative response shifted away from the subject at both near and far. This shift in accommodative response accompanied a decay in the systemic parasympathetic innervation to the heart. Differences between refractive groups also existed with LOMs showing less accurate responses compared to emmetropes. This disparity, however, appeared to be augmented by the systemic sympathetic nervous system. The investigations discussed explored Ihe role of oculomotor and cardiovascular fu nction in workload enviromnents, providing evidence for a behavioural link between the cardiovascular and oculomotor systems.

Specific lipidome signatures in central nervous system from methionine-restricted mice

Membrane lipid composition is an important correlate of the rate of aging of animals. Dietary methionine restriction (MetR) increases lifespan in rodents. The underlying mechanisms have not been elucidated but could include changes in tissue lipidomes. In this work, we demonstrate that 80% MetR in mice induces marked changes in the brain, spinal cord, and liver lipidomes. Further, at least 50% of the lipids changed are common in the brain and spinal cord but not in the liver, suggesting a nervous system-specific lipidomic profile of MetR. The differentially expressed lipids includes (a) specific phospholipid species, which could reflect adaptive membrane responses, (b) sphingolipids, which could lead to changes in ceramide signaling pathways, and (c) the physiologically redox-relevant ubiquinone 9, indicating adaptations in phase II antioxidant response metabolism. In addition, specific oxidation products derived from cholesterol, phosphatidylcholine, and phosphatidylethanolamine were significantly decreased in the brain, spinal cord, and liver from MetR mice. These results demonstrate the importance of adaptive responses of membrane lipids leading to increased stress resistance as a major mechanistic contributor to the lowered rate of aging in MetR mice. © 2013 American Chemical Society.

Psychological traits influence autonomic nervous system recovery following esophageal intubation in health and functional chest pain

Background: Esophageal intubation is a widely utilized technique for a diverse array of physiological studies, activating a complex physiological response mediated, in part, by the autonomic nervous system (ANS). In order to determine the optimal time period after intubation when physiological observations should be recorded, it is important to know the duration of, and factors that influence, this ANS response, in both health and disease. Methods: Fifty healthy subjects (27 males, median age 31.9 years, range 20-53 years) and 20 patients with Rome III defined functional chest pain (nine male, median age of 38.7 years, range 28-59 years) had personality traits and anxiety measured. Subjects had heart rate (HR), blood pressure (BP), sympathetic (cardiac sympathetic index, CSI), and parasympathetic nervous system (cardiac vagal tone, CVT) parameters measured at baseline and in response to per nasum intubation with an esophageal catheter. CSI/CVT recovery was measured following esophageal intubation. Key Results: In all subjects, esophageal intubation caused an elevation in HR, BP, CSI, and skin conductance response (SCR; all p < 0.0001) but concomitant CVT and cardiac sensitivity to the baroreflex (CSB) withdrawal (all p < 0.04). Multiple linear regression analysis demonstrated that longer CVT recovery times were independently associated with higher neuroticism (p < 0.001). Patients had prolonged CSI and CVT recovery times in comparison to healthy subjects (112.5 s vs 46.5 s, p = 0.0001 and 549 s vs 223.5 s, p = 0.0001, respectively). Conclusions & Inferences: Esophageal intubation activates a flight/flight ANS response. Future studies should allow for at least 10 min of recovery time. Consideration should be given to psychological traits and disease status as these can influence recovery. The psychological trait of neuroticism retards autonomic recovery following esophageal intubation in health and functional chest pain. © 2013 John Wiley & Sons Ltd.

Autonomic nervous system, circadian rhythms, and primary open-angle glaucoma

The etiology of primary open-angle glaucoma (POAG) remains the subject of continuing investigation. Despite the many known risk factors and mechanism of damage, the principal treatment objectives in POAG still consist of reduction of intraocular pressure, which although straightforward in many cases, often leaves the clinician with the question of how far to pursue a sufficiently low pressure to prevent further damage. Other risk factors such as hemodynamic insufficiency due to vascular dysregulation and abnormal blood pressure are often overlooked in the day-to-day practice; their harmful effects for glaucoma are, it seems, more potent at night while the patient sleeps and when clinical investigation is most difficult. Although the status of autonomic nervous system is an important determinant of the systemic hemodynamic parameters, this issue is usually ignored by the clinician in the process of glaucoma diagnosis. Consequently, there is a lack of alternative therapies tailored to address associated systemic risk factors for POAG on a case and chronological basis; this approach could be more effective in preventing the progression and visual loss in selected glaucoma cases. © 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

Development of a physiologically-based pharmacokinetic model of the rat central nervous system

Central nervous system (CNS) drug disposition is dictated by a drug’s physicochemical properties and its ability to permeate physiological barriers. The blood–brain barrier (BBB), blood-cerebrospinal fluid barrier and centrally located drug transporter proteins influence drug disposition within the central nervous system. Attainment of adequate brain-to-plasma and cerebrospinal fluid-to-plasma partitioning is important in determining the efficacy of centrally acting therapeutics. We have developed a physiologically-based pharmacokinetic model of the rat CNS which incorporates brain interstitial fluid (ISF), choroidal epithelial and total cerebrospinal fluid (CSF) compartments and accurately predicts CNS pharmacokinetics. The model yielded reasonable predictions of unbound brain-to-plasma partition ratio (Kpuu,brain) and CSF:plasma ratio (CSF:Plasmau) using a series of in vitro permeability and unbound fraction parameters. When using in vitro permeability data obtained from L-mdr1a cells to estimate rat in vivo permeability, the model successfully predicted, to within 4-fold, Kpuu,brain and CSF:Plasmau for 81.5% of compounds simulated. The model presented allows for simultaneous simulation and analysis of both brain biophase and CSF to accurately predict CNS pharmacokinetics from preclinical drug parameters routinely available during discovery and development pathways.

The potential role of environmental exposures and genomic signaling in development of central nervous system tumors

The etiology of central nervous system tumors (CNSTs) is mainly unknown. Aside from extremely rare genetic conditions, such as neurofibromatosis and tuberous sclerosis, the only unequivocally identified risk factor is exposure to ionizing radiation, and this explains only a very small fraction of cases. Using meta-analysis, gene networking and bioinformatics methods, this dissertation explored the hypothesis that environmental exposures produce genetic and epigenetic alterations that may be involved in the etiology of CNSTs. A meta-analysis of epidemiological studies of pesticides and pediatric brain tumors revealed a significantly increased risk of brain tumors among children whose mothers had farm-related exposures during pregnancy. A dose response was recognized when this risk estimate was compared to those for risk of brain tumors from maternal exposure to non-agricultural pesticides during pregnancy, and risk of brain tumors among children exposed to agricultural activities. Through meta-analysis of several microarray studies which compared normal tissue to astrocytomas, we were able to identify a list of 554 genes which were differentially expressed in the majority of astrocytomas. Many of these genes have in fact been implicated in development of astrocytoma, including EGFR, HIF-1α, c-Myc, WNT5A, and IDH3A. Reverse engineering of these 554 genes using Bayesian network analysis produced a gene network for each grade of astrocytoma (Grade I-IV), and ‘key genes’ within each grade were identified. Genes found to be most influential to development of the highest grade of astrocytoma, Glioblastoma multiforme (GBM) were: COL4A1, EGFR, BTF3, MPP2, RAB31, CDK4, CD99, ANXA2, TOP2A, and SERBP1. Lastly, bioinformatics analysis of environmental databases and curated published results on GBM was able to identify numerous potential pathways and geneenvironment interactions that may play key roles in astrocytoma development. Findings from this research have strong potential to advance our understanding of the etiology and susceptibility to CNSTs. Validation of our ‘key genes’ and pathways could potentially lead to useful tools for early detection and novel therapeutic options for these tumors.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Optimizing Western Blots for the Detection of Endogenous α-Synuclein in the Enteric Nervous System

International audience

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Emerging pathogens in the central nervous system: a cerebral abscess by Streptococcus porcinus

Brain abscesses can cause an incapacitating neurological deicit in up to 50% of patients, thus the reduction of these sequelae becomes the main goal of its timely and speciic surgical and medical treatment. With technological advances in bacteriological identiication and diagnostic imaging, the clinical suspicion can be conirmed, and the speciic etiological agent can be identiied in a larger number of cases. New pathogens have emerged through this process, such as Streptococcus porcinus, in which the ability to affect the central nervous system has not been documented. A clinical case is presented of a brain abscess in an immunocompetent patient, and its favorable response to surgical drainage t hrough a skull burr h ole and nee dle aspiration with antibiotic therapy (ceftriaxone, metronidazole and vancomycin) is discussed.

Infection of the central nervous system by Mycobacterium tuberculosis in patients infected with human immunodeficiency virus (the new neurotuberculosis)

Neurologic complications of HIV infection are numerous. This review focuses on the clinical presentation, diagnostic particularities and therapeutic issues of neurotuberculosis. The pertinent literature describing this important infection is succinctly summarized with a particular emphasis on the discussion of differences in clinical presentation between HIV-infected and -uninfected patients.

Interspecies study of the enteric nervous system and related pathologies

The enteric nervous system (ENS) modulates a number of digestive functions including well known ones, i.e. motility, secretion, absorption and blood flow, along with other critically relevant processes, i.e. immune responses of the gastrointestinal (GI) tract, gut microbiota and epithelial barrier . The characterization of the anatomical aspects of the ENS in large mammals and the identification of differences and similarities existing between species may represent a fundamental basis to decipher several digestive GI diseases in humans and animals. In this perspective, the aim of the present thesis is to highlight the ENS anatomical basis and pathological aspects in different mammalian species, such as horses, dogs and humans. Firstly, I designed two anatomical studies in horses:  “Excitatory and inhibitory enteric innervation of horse lower esophageal sphincter”.  “Localization of 5-hydroxytryptamine 4 receptor (5-HT4R) in the equine enteric nervous system”. Then I focused on the enteric dysfunctions, including:  A primary enteric aganglionosis in horses: “Extrinsic innervation of the ileum and pelvic flexure of foals with ileocolonic aganglionosis”.  A diabetic enteric neuropathy in dogs: “Quantification of nitrergic neurons in the myenteric plexus of gastric antrum and ileum of healthy and diabetic dogs”.  An enteric neuropathy in human neurological patients: “Functional and neurochemical abnormalities in patients with Parkinson's disease and chronic constipation”. The physiology of the GI tract is characterized by a high complexity and it is mainly dependent on the control of the intrinsic nervous system. ENS is critical to preserve body homeostasis as reflect by its derangement occurring in pathological conditions that can be lethal or seriously disabling to humans and animals. The knowledge of the anatomy and the pathology of the ENS represents a new important and fascinating topic, which deserves more attention in the veterinary medicine field.