Oscillatory beta activity mediates neuroplastic effects of motor cortex stimulation in humans

Continuous theta burst stimulation (cTBS) is a repetitive transcranial magnetic stimulation protocol that can inhibithumanmotor cortex (M1) excitability and impair movement for ≤1 h. While offering valuable insights into brain function and potential therapeutic benefits, these neuroplastic effects are highly variable between individuals. The source of this variability, and the electrophysiological mechanisms underlying the inhibitory after-effects, are largely unknown. In this regard, oscillatory activity at beta frequency (15-35 Hz) is of particular interest as it is elevated in motor disorders such as Parkinson's disease and modulated during the generation of movements. Here, we used a source-level magnetoencephalography approach to investigate the hypothesis that the presence of neuroplastic effects following cTBS is associated with concurrent changes in oscillatory M1 beta activity. M1 cortices were localized with a synthetic aperture magnetometry beamforming analysis of visually cued index finger movements. Virtual electrode analysis was used to reconstruct the spontaneous and movement-related oscillatory activity in bilateral M1 cortices, before and from 10 to 45 min after cTBS. We demonstrate that 40 s of cTBS applied over left M1 reduced corticospinal excitability in the right index finger of 8/16 participants. In these responder participants only, cTBS increased the power of the spontaneous beta oscillations in stimulated M1 and delayed reaction times in the contralateral index finger. No further changes were observed in the latency or power of movement-related beta oscillations. These data provide insights into the electrophysiological mechanisms underlying cTBS-mediated impairment of motor function and demonstrate the association between spontaneous oscillatory beta activity in M1 and the inhibition of motor function. © 2013 the authors.

Astrocyte plasticity:implications for synaptic and neuronal activity

Astrocytes are increasingly implicated in a range of functions in the brain, many of which were previously ascribed to neurons. Much of the prevailing interest centers on the role of astrocytes in the modulation of synaptic transmission and their involvement in the induction of forms of plasticity such as long-term potentiation and long-term depression. However, there is also an increasing realization that astrocytes themselves can undergo plasticity. This plasticity may be manifest as changes in protein expression which may modify calcium activity within the cells, changes in morphology that affect the environment of the synapse and the extracellular space, or changes in gap junction astrocyte coupling that modify the transfer of ions and metabolites through astrocyte networks. Plasticity in the way that astrocytes release gliotransmitters can also have direct effects on synaptic activity and neuronal excitability. Astrocyte plasticity can potentially have profound effects on neuronal network activity and be recruited in pathological conditions. An emerging principle of astrocyte plasticity is that it is often induced by neuronal activity, reinforcing our emerging understanding of the working brain as a constant interaction between neurons and glial cells. © The Author(s) 2013.

Background synaptic activity in rat entorhinal cortex shows a progressively greater dominance of inhibition over excitation from deep to superficial layers

The entorhinal cortex (EC) controls hippocampal input and output, playing major roles in memory and spatial navigation. Different layers of the EC subserve different functions and a number of studies have compared properties of neurones across layers. We have studied synaptic inhibition and excitation in EC neurones, and we have previously compared spontaneous synaptic release of glutamate and GABA using patch clamp recordings of synaptic currents in principal neurones of layers II (L2) and V (L5). Here, we add comparative studies in layer III (L3). Such studies essentially look at neuronal activity from a presynaptic viewpoint. To correlate this with the postsynaptic consequences of spontaneous transmitter release, we have determined global postsynaptic conductances mediated by the two transmitters, using a method to estimate conductances from membrane potential fluctuations. We have previously presented some of this data for L3 and now extend to L2 and L5. Inhibition dominates excitation in all layers but the ratio follows a clear rank order (highest to lowest) of L2>L3>L5. The variance of the background conductances was markedly higher for excitation and inhibition in L2 compared to L3 or L5. We also show that induction of synchronized network epileptiform activity by blockade of GABA inhibition reveals a relative reluctance of L2 to participate in such activity. This was associated with maintenance of a dominant background inhibition in L2, whereas in L3 and L5 the absolute level of inhibition fell below that of excitation, coincident with the appearance of synchronized discharges. Further experiments identified potential roles for competition for bicuculline by ambient GABA at the GABAA receptor, and strychnine-sensitive glycine receptors in residual inhibition in L2. We discuss our results in terms of control of excitability in neuronal subpopulations of EC neurones and what these may suggest for their functional roles. © 2014 Greenhill et al.

Background synaptic activity in rat entorhinal cortical neurones:differential control of transmitter release by presynaptic receptors

The entorhinal cortex (EC) is a key brain area controlling both hippocampal input and output via neurones in layer II and layer V, respectively. It is also a pivotal area in the generation and propagation of epilepsies involving the temporal lobe. We have previously shown that within the network of the EC, neurones in layer V are subject to powerful synaptic excitation but weak inhibition, whereas the reverse is true in layer II. The deep layers are also highly susceptible to acutely provoked epileptogenesis. Considerable evidence now points to a role of spontaneous background synaptic activity in control of neuronal, and hence network, excitability. In the present article we describe results of studies where we have compared background release of the excitatory transmitter, glutamate, and the inhibitory transmitter, GABA, in the two layers, the role of this background release in the balance of excitability, and its control by presynaptic auto- and heteroreceptors on presynaptic terminals. © The Physiological Society 2004.

Compartmentalization of the MAPK scaffold protein KSR1 modulates synaptic plasticity in hippocampal neurons

ERK1/2 is required for certain forms of synaptic plasticity, including the long-term potentiation of synaptic strength. However, the molecular mechanisms regulating synaptically localized ERK1/2 signaling are poorly understood. Here, we show that the MAPK scaffold protein kinase suppressor of Ras 1 (KSR1) is directly phosphorylated by the downstream kinase ERK1/2. Quantitative Western blot analysis further demonstrates that expression of mutated, feedback-deficient KSR1 promotes sustained ERK1/2 activation in HEK293 cells in response to EGF stimulation, compared to a more transient activation in control cells expressing wild-type KSR1. Immunocytochemistry and confocal imaging of primary hippocampal neurons from newborn C57BL6 mice further show that feedback phosphorylation of KSR1 significantly reduces its localization to dendritic spines. This effect can be reversed by tetrodotoxin (1 μM) or PD184352 (2 μM) treatment, further suggesting that neuronal activity and phosphorylation by ERK1/2 lead to KSR1 removal from the postsynaptic compartment. Consequently, electrophysiological recordings in hippocampal neurons expressing wild-type or feedback-deficient KSR1 demonstrate that KSR1 feedback phosphorylation restricts the potentiation of excitatory postsynaptic currents. Our findings, therefore, suggest that feedback phosphorylation of the scaffold protein KSR1 prevents excessive ERK1/2 signaling in the postsynaptic compartment and thus contributes to maintaining physiological levels of synaptic excitability. © FASEB.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Rôle de DSCAM dans le développement normal du cortex moteur et de la voie corticospinale

DSCAM est exprimé dans le cortex lors du développement et sa mutation altère l’arborisation dendritique des neurones pyramidaux du cortex moteur. Considérant que les souris DSCAM2J possèdent des problèmes posturaux et locomoteurs, nous émettons l’hypothèse que DSCAM est impliqué dans le fonctionnement normal du cortex moteur et de la voie corticospinale. Comparées aux souris contrôles, les souris DSCAM2J vont présenter des problèmes moteurs à basse vitesse et enjamber un obstacle presque normalement à vitesse intermédiaire. Le traçage antérograde de la voie corticospinale révèle un patron d’innervation normal dans le tronc cérébrale et la moelle épinière. Des microstimulations intracorticale du cortex moteur évoque des réponses électromyographiques dans les membres à un seuil et une latence plus élevé. Par contre, une stimulation de la voie corticospinale dans la médulla évoque des réponses électromyographies à un seuil et une latence similaire entre les deux groupes, suggérant une réduction de l’excitabilité du cortex moteur.

L'influence des oscillations en delta sur la sélection d'une action

Résumé : La capacité de décider parmi plusieurs possibilités d'actions, grâce à l'information sensorielle disponible, est essentielle à un organisme interagissant avec un environnement complexe. Les modèles actuels de sélection d'une action soutiennent que le cerveau traite continuellement l'information sensorielle afin de planifier plusieurs possibilités d'action en parallèle. Dans cette perspective, ces représentations motrices, associées à chaque possibilité d'action, sont en constante compétition entre elles. Afin qu'une alternative puisse être sélectionnée pour le mouvement, une valeur de pondération, intégrant une multitude de facteurs, doit être associée à chacun des plans moteurs afin de venir moduler la compétition. Plusieurs études se sont intéressées aux différents facteurs modulant la sélection de l'action, tels que la disposition de l'environnement, le coût des actions, le niveau de récompense, etc. Par contre, il semble qu'aucune étude n'ait rapporté ce qu'il advient lorsque la valeur de pondération de chacune des actions possibles est identique. Dans ce contexte, quel est l'élément permettant de venir moduler la sélection de l'action? De ce fait, l'objectif principal de mon projet de maitrise est d'investiguer le facteur permettant au cerveau de sélectionner une action lorsque tous les facteurs rapportés dans la littérature sont contrôlés. De récentes données ont montré que les oscillations corticales lentes dans la bande delta peuvent servir d'instrument de sélection attentionnelle en modulant l'amplitude de la réponse neuronale. Ainsi, les stimuli arrivant dans le cortex pendant une phase en delta de forte excitabilité sont amplifiés, tandis que ceux arrivant lors d'une phase en delta de faible excitabilité sont atténués. Ceci dit, il est possible que la phase en delta dans laquelle se trouve le cerveau au moment d'effectuer la sélection d'une action puisse influencer la décision. Utilisant une tâche de sélection de main, cette étude teste l'hypothèse que la sélection de la main est associée à la phase en delta des ensembles neuronaux codant le mouvement de chacune des mains, lorsque tous les facteurs connus influençant la décision sont contrôlés. L'électroencéphalographie (EEG) fut utilisée afin d'enregistrer les signaux corticaux pendant que les participants effectuaient une tâche de sélection de main dans laquelle ils devaient, à chaque essai, atteindre une cible visuelle aussi rapidement que possible en utilisant la main de leur choix. La tâche fut conçue de façon à ce que les facteurs spatiaux et biomécaniques soient contrôlés. Ceci fut réalisé enidentifiant premièrement, sur une base individuelle, l'emplacement de la cible pour laquelle les mains droite et gauche avaient une probabilité équivalente d'être choisies (point d'égalité subjective, PSE). Ensuite, dans l'expérience principale, les participants effectuaient plusieurs mouvements d'atteinte vers des cibles positionnées près et loin du PSE, toujours avec la main de leur choix. L'utilisation de cinq cibles très près du PSE a permis de collecter de nombreux essais dans lesquels la main droite et la main gauche furent sélectionnées en réponse à un même stimulus visuel. Ceci a ainsi permis d'analyser les signaux des deux cortex dans des conditions d'utilisation de la main droite et gauche, tout en contrôlant pour les autres facteurs pouvant moduler la sélection de la main. Les résultats de cette recherche révèlent que l'hémisphère cortical se trouvant dans la phase la plus excitable en delta (près du pic négatif), lors de l'apparition du stimulus, est associé à la fois à la main qui sera sélectionnée ainsi qu'au temps de réaction. Ces résultats montrent que l'excitabilité corticale momentanée (phase du signal) pourrait agir comme un facteur modulant la sélection d'une action. Dans cette optique, ces données élargissent considérablement les modèles actuels en montrant que la sélection d'une action est en partie déterminée par l'état du cerveau au moment d'effectuer un choix, d'une manière qui est indépendante de toutes les variables de décision connues.

Spike-timing dependent plasticity and connectivity in primate sensorimotor cortex

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Comprendre l’interaction entre la douleur et le système moteur : une étude novatrice combinant la stimulation magnétique transcrânienne et l’électroencéphalographie

Résumé : L’interaction entre la douleur et le système moteur est bien connue en clinique et en réadaptation. Il est sans surprise que la douleur est un phénomène considérablement invalidant, affectant la qualité de vie de ceux et celles qui en souffrent. Toutefois, les bases neurophysiologiques qui sous-tendent cette interaction demeurent, encore aujourd’hui, mal comprises. Le but de la présente étude était de mieux comprendre les mécanismes corticaux impliqués dans l’interaction entre la douleur et le système moteur. Pour ce faire, une douleur expérimentale a été induite à l’aide d’une crème à base de capsaïcine au niveau de l’avant-bras gauche des participants. L'effet de la douleur sur la force des projections corticospinales ainsi que sur l’activité cérébrale a été mesuré à l’aide de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de l’électroencéphalographie (EEG), respectivement. L’analyse des données EEG a permis de révéler qu'en présence de douleur aiguë, il y a une augmentation de l’activité cérébrale au niveau du cuneus central (fréquence têta), du cortex dorsolatéral préfrontal gauche (fréquence alpha) ainsi que du cuneus gauche et de l'insula droite (toutes deux fréquence bêta), lorsque comparée à la condition initiale (sans douleur). Également, les analyses démontrent une augmentation de l'activité du cortex moteur primaire droit en présence de douleur, mais seulement chez les participants qui présentaient simultanément une diminution de leur force de projections corticales (mesurée avec la TMS t=4,45, p<0,05). Ces participants ont également montré une plus grande connectivité entre M1 et le cuneus que les participants dont la douleur n’a pas affecté la force des projections corticospinales (t=3,58, p<0,05). Ces résultats suggèrent qu’une douleur expérimentale induit, chez certains individus, une altération au niveau des forces de projections corticomotrices. Les connexions entre M1 et le cuneus seraient possiblement impliquées dans la survenue de ces changements corticomoteurs.

Fibroblast growth factors:new insights, new targets in the management of diabetes

The fibroblast growth factor (FGF) family consists of 22 evolutionarily and structurally related proteins (FGF1 to FGF23; with FGF15 being the rodent ortholog of human FGF19). Based on their mechanism of action, FGFs can be categorized into intracrine, autocrine/paracrine and endocrine subgroups. Both autocrine/paracrine and endocrine FGFs are secreted from their cells of origin and exert their effects on target cells by binding to and activating specific single-pass transmembrane tyrosine kinase receptors (FGFRs). Moreover, FGF binding to FGFRs requires specific cofactors, namely heparin/heparan sulfate proteoglycans or Klothos for autocrine/paracrine and endocrine FGF signaling, respectively. FGFs are vital for embryonic development and mediate a broad spectrum of biological functions, ranging from cellular excitability to angiogenesis and tissue regeneration. Over the past decade certain FGFs (e.g. FGF1, FGF10, FGF15/FGF19 and FGF21) have been further recognized as regulators of energy homeostasis, metabolism and adipogenesis, constituting novel therapeutic targets for obesity and obesity-related cardiometabolic disease. Until recently, translational research has been mainly focused on FGF21, due to the pleiotropic, beneficial metabolic actions and the relatively benign safety profile of its engineered variants. However, increasing evidence regarding the role of additional FGFs in the regulation of metabolic homeostasis and recent developments regarding novel, engineered FGF variants have revitalized the research interest into the therapeutic potential of certain additional FGFs (e.g. FGF1 and FGF15/FGF19). This review presents a brief overview of the FGF family, describing the mode of action of the different FGFs subgroups, and focuses on FGF1 and FGF15/FGF19, which appear to also represent promising new targets for the treatment of obesity and type 2 diabetes.

Suplementos alimentares termogénicos contendo cafeína

Trabalho Complementar apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de licenciada em Ciências da Nutrição

Deficit of quantal release of GABA in experimental models of temporal lobe epilepsy

Because GABA (gamma-aminobutyric acid) receptor-mediated inhibition controls the excitability of principal neurons in the brain, deficits in GABAergic inhibition have long been favored to explain seizures. In an experimental model of temporal lobe epilepsy, we have identified a deficit of inhibition in presynaptic GABAergic terminals characterized by decreased GABA quantal activity associated with reduced synaptic vesicle density. This decrease in vesicle number primarily seems to affect the reserve pool, rather than the docked or the readily releasable pool.