Functional anatomy of human eyeblink conditioning determined with regional cerebral glucose metabolism and positron-emission tomography.

Relative cerebral glucose metabolism was examined with positron-emission tomography (PET) as a measure of neuronal activation during performance of the classically conditioned eyeblink response in 12 young adult subjects. Each subject received three sessions: (i) a control session with PET scan in which unpaired presentations of the tone conditioned stimulus and corneal airpuff unconditioned stimulus were administered, (ii) a paired training session to allow associative learning to occur, and (iii) a paired test session with PET scan. Brain regions exhibiting learning-related activation were identified as those areas that showed significant differences in glucose metabolism between the unpaired control condition and well-trained state in the 9 subjects who met the learning criterion. Areas showing significant activation included bilateral sites in the inferior cerebellar cortex/deep nuclei, anterior cerebellar vermis, contralateral cerebellar cortex and pontine tegmentum, ipsilateral inferior thalamus/red nucleus, ipsilateral hippocampal formation, ipsilateral lateral temporal cortex, and bilateral ventral striatum. Among all subjects, including those who did not meet the learning criterion, metabolic changes in ipsilateral cerebellar nuclei, bilateral cerebellar cortex, anterior vermis, contralateral pontine tegmentum, ipsilateral hippocampal formation, and bilateral striatum correlated with degree of learning. The localization to cerebellum and its associated brainstem circuitry is consistent with neurobiological studies in the rabbit model of eyeblink classical conditioning and neuropsychological studies in brain-damaged humans. In addition, these data support a role for the hippocampus in conditioning and suggest that the ventral striatum may also be involved.

Short-term and long-term verbal memory: a positron emission tomography study.

Short-term and long-term retention of experimentally presented words were compared in a sample of 33 healthy normal volunteers by the [15O]H2O method with positron emission tomography (PET). The design included three conditions. For the long-term condition, subjects thoroughly studied 18 words 1 week before the PET study. For the short-term condition, subjects were shown another set of 18 words 60 sec before imaging, with instructions to remember them. For the baseline condition, subtracted from the two memory conditions, subjects read a third set of words that they had not previously seen in the experiment. Similar regions were activated in both short-term and long-term conditions: large right frontal areas, biparietal areas, and the left cerebellum. In addition, the short-term condition also activated a relatively large region in the left prefrontal region. These complex distributed circuits appear to represent the neural substrates for aspects of memory such as encoding, retrieval, and storage. They indicate that circuitry involved in episodic memory has much larger cortical and cerebellar components than has been emphasized in earlier lesion studies.

Evidence for a hypothalamothalamocortical circuit mediating pheromonal influences on eye and head movements.

A method for simultaneous iontophoretic injections of the anterograde tracer Phaseolus vulgaris leukoagglutinin and the retrograde tracer fluorogold was used to characterize in the rat a hypothalamothalamocortical pathway ending in a region thought to regulate attentional mechanisms by way of eye and head movements. The relevant medial hypothalamic nuclei receive pheromonal information from the amygdala and project to specific parts of the thalamic nucleus reuniens and anteromedial nucleus, which then project to a specific lateral part of the retrosplenial area (or medial visual cortex). This cortical area receives a convergent input from the lateral posterior thalamic nucleus and projects to the superior colliculus. Bidirectional connections with the hippocampal formation suggest that activity in this circuit is modified by previous experience. Striking parallels with basal ganglia circuitry are noted.

Le rôle de la méthylation de l’ADN dans les fonctions cérébrales fronto-limbiques et la réactivité au stress quotidien

La sérotonine (5-HT) joue un rôle crucial dans l'étiologie des troubles mentaux comme la dépression majeure, les troubles de comportement et les troubles anxieux. Des études ont montré que des altérations précoces du système 5-HT peuvent potentiellement influencer le développement du cerveau et le fonctionnement du système fronto-limbique, engendrant des conséquences pour la régulation émotionnelle. Il existe aussi des évidences que le stress précoce peut affecter la méthylation de l'ADN résultant d'une altération de l'expression génique. Toutefois, le lien entre la méthylation de l'ADN et la réactivité comportementale à des facteurs de stress de la vie quotidienne est inconnu. La méthylation du gène transporteur 5-HT (SLC6A4) est d'un intérêt particulier, étant donné le rôle de SLC6A4 dans le développement du cerveau, les troubles mentaux et la régulation du stress. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'association entre (1) les niveaux périphériques de méthylation de l'ADN dans le gène SLC6A4 et les réponses neurales aux stimuli émotionnels dans les circuits fronto-limbiques du cerveau, ainsi qu’entre (2) la méthylation périphérique de SLC6A4 et la réactivité comportementale au stress de la vie quotidienne. Nous explorons également l'association entre les réponses neuronales fronto-limbique à des stimuli émotionnels et la réactivité comportementale au stress de la vie quotidienne (3). À cette fin, vingt-deux personnes (11 femmes) d’âge moyen de 34,0 ans (SD : 1,5) avec différents niveaux de méthylation au gène SLC6A4 ont été recrutés à partir de deux études longitudinales. Les participants ont subi une analyse IRMf qui comprenait une tâche de traitement émotionnel. Un questionnaire en ligne sur la réactivité au stress quotidien de la vie a été réalisé pendant 5 jours consécutifs. Des analyses corrélationnelles et de régression ont été effectuées pour examiner les associations entre les variables primaires. Les résultats préliminaires de cette étude ont montré que la méthylation de l'ADN est associée à la désactivation significative du gyrus précentral et gyrus fusiforme respectivement face à des stimuli de peur et de tristesse. Aucune association significative n'a été observée entre les niveaux de méthylation et l'activation de l'amygdale. En outre, les scores obtenus aux variables de stress de la vie quotidienne tels que la détresse chronique ont été associées à la désactivation du précuneus et du cortex cingulaire postérieur face à la tristesse. Ces résultats suggèrent l'implication potentielle des processus épigénétiques dans l'activation cérébrale spécifique et la sensibilité au stress de la vie courante.

Corrélats neuronaux du circuit des récompenses chez les jeunes à risque parental de troubles de l'humeur

Cette thèse a pour objectif l’investigation du circuit des récompenses, sur les plans comportementaux et neuronaux, chez des adolescents à risque parental élevé de dépression majeure et de trouble bipolaire, en comparaison à des jeunes à risque parental peu élevé. Plus précisément, le but est d’identifier des marqueurs comportementaux et neuronaux du risque de développer une dépression majeure ou un trouble bipolaire, afin d’être en mesure de détecter et de prévenir ces troubles le plus tôt possible pour éviter, ou du moins retarder, leur émergence. Pour ce faire, nous avons réalisé deux études, présentées ici dans deux articles empiriques. Dans le premier article, le fonctionnement comportemental et neuronal du circuit des récompenses a été investigué au moyen d’une tâche d’anticipation et d’obtention de gains et de pertes monétaires, chez des adolescents à risque parental de dépression majeure (i.e., jeunes asymptomatiques dont un des parents souffre de dépression majeure), des adolescents à risque parental de trouble bipolaire (i.e., jeunes asymptomatiques dont un des parents souffre de trouble bipolaire) et des adolescents contrôles (i.e., jeunes asymptomatiques dont les deux parents sont en bonne santé mentale). Au niveau comportemental, les résultats ont révélé une meilleure performance chez les jeunes à risque de dépression majeure lorsqu’ils devaient éviter d’obtenir des pertes monétaires de magnitude variée (0,20$, 1$ ou 5$), ainsi qu’une meilleure performance chez les jeunes à risque de trouble bipolaire sur les essais impliquant d’éviter des pertes monétaires de magnitude nulle (0$). Au niveau neuronal, les jeunes à risque de dépression majeure démontraient une diminution de l’activation du cortex préfrontal dorsolatéral lors de l’anticipation de potentielles pertes monétaires de magnitude variée, tandis que les jeunes à risque de trouble bipolaire démontraient une diminution de l’activation du cortex préfrontal dorsolatéral lors de l’anticipation de potentielles pertes monétaires de magnitude nulle. De plus, les jeunes à risque de dépression majeure tendaient à démontrer une augmentation de l’activité du cortex orbitofrontal durant l’évitement réussi de pertes monétaires, tandis que les jeunes à risque de trouble bipolaire tendaient à démontrer une augmentation de l’activité du cortex orbitofrontal lors de l’obtention de pertes monétaires. Dans le deuxième article, l’intégrité structurelle des régions fronto-limbiques a été investiguée, au moyen de mesures du volume, de l’épaisseur corticale et de la superficie corticale. Les résultats ont mis en évidence, chez les jeunes à risque de trouble bipolaire, un volume plus élevé du cortex préfrontal dorsolatéral, par rapport aux jeunes à risque de dépression majeure et contrôles. De plus, les jeunes à risque de trouble bipolaire présentaient un volume plus élevé du cortex cingulaire postérieur, en comparaison aux jeunes à risque de dépression majeure. Enfin, une diminution de l’épaisseur corticale du cortex orbitofrontal et du gyrus frontal moyen a été observée chez les adolescents à risque de trouble bipolaire, en comparaison au groupe contrôle. L’ensemble de ces résultats démontre ainsi l’existence de particularités comportementales et d’altérations neuronales sur les plans fonctionnel et structurel, chez des jeunes à risque élevé de troubles de l’humeur, et ce, avant même l’émergence des premiers symptômes thymiques. Plus particulièrement, ces caractéristiques pourraient constituer des marqueurs du risque de développer un trouble de l’humeur. Par conséquent, ces marqueurs pourraient aider à mieux identifier les jeunes qui sont le plus à risque de développer un trouble de l’humeur, et ainsi permettre la mise en place précoce de stratégies préventives adaptées, afin d’éviter des trajectoires développementales psychopathologiques.

Prospective longitudinal voxel-based morphometry study of major depressive disorder in young individuals at high familial risk

BACKGROUND Previous neuroimaging studies indicate abnormalities in cortico-limbic circuitry in mood disorder. Here we employ prospective longitudinal voxel-based morphometry to examine the trajectory of these abnormalities during early stages of illness development. METHOD Unaffected individuals (16-25 years) at high and low familial risk of mood disorder underwent structural brain imaging on two occasions 2 years apart. Further clinical assessment was conducted 2 years after the second scan (time 3). Clinical outcome data at time 3 was used to categorize individuals: (i) healthy controls ('low risk', n = 48); (ii) high-risk individuals who remained well (HR well, n = 53); and (iii) high-risk individuals who developed a major depressive disorder (HR MDD, n = 30). Groups were compared using longitudinal voxel-based morphometry. We also examined whether progress to illness was associated with changes in other potential risk markers (personality traits, symptoms scores and baseline measures of childhood trauma), and whether any changes in brain structure could be indexed using these measures. RESULTS Significant decreases in right amygdala grey matter were found in HR MDD v. controls (p = 0.001) and v. HR well (p = 0.005). This structural change was not related to measures of childhood trauma, symptom severity or measures of sub-diagnostic anxiety, neuroticism or extraversion, although cross-sectionally these measures significantly differentiated the groups at baseline. CONCLUSIONS These longitudinal findings implicate structural amygdala changes in the neurobiology of mood disorder. They also provide a potential biomarker for risk stratification capturing additional information beyond clinically ascertained measures.

Corrélats neuronaux du circuit des récompenses chez les jeunes à risque parental de troubles de l'humeur

Cette thèse a pour objectif l’investigation du circuit des récompenses, sur les plans comportementaux et neuronaux, chez des adolescents à risque parental élevé de dépression majeure et de trouble bipolaire, en comparaison à des jeunes à risque parental peu élevé. Plus précisément, le but est d’identifier des marqueurs comportementaux et neuronaux du risque de développer une dépression majeure ou un trouble bipolaire, afin d’être en mesure de détecter et de prévenir ces troubles le plus tôt possible pour éviter, ou du moins retarder, leur émergence. Pour ce faire, nous avons réalisé deux études, présentées ici dans deux articles empiriques. Dans le premier article, le fonctionnement comportemental et neuronal du circuit des récompenses a été investigué au moyen d’une tâche d’anticipation et d’obtention de gains et de pertes monétaires, chez des adolescents à risque parental de dépression majeure (i.e., jeunes asymptomatiques dont un des parents souffre de dépression majeure), des adolescents à risque parental de trouble bipolaire (i.e., jeunes asymptomatiques dont un des parents souffre de trouble bipolaire) et des adolescents contrôles (i.e., jeunes asymptomatiques dont les deux parents sont en bonne santé mentale). Au niveau comportemental, les résultats ont révélé une meilleure performance chez les jeunes à risque de dépression majeure lorsqu’ils devaient éviter d’obtenir des pertes monétaires de magnitude variée (0,20$, 1$ ou 5$), ainsi qu’une meilleure performance chez les jeunes à risque de trouble bipolaire sur les essais impliquant d’éviter des pertes monétaires de magnitude nulle (0$). Au niveau neuronal, les jeunes à risque de dépression majeure démontraient une diminution de l’activation du cortex préfrontal dorsolatéral lors de l’anticipation de potentielles pertes monétaires de magnitude variée, tandis que les jeunes à risque de trouble bipolaire démontraient une diminution de l’activation du cortex préfrontal dorsolatéral lors de l’anticipation de potentielles pertes monétaires de magnitude nulle. De plus, les jeunes à risque de dépression majeure tendaient à démontrer une augmentation de l’activité du cortex orbitofrontal durant l’évitement réussi de pertes monétaires, tandis que les jeunes à risque de trouble bipolaire tendaient à démontrer une augmentation de l’activité du cortex orbitofrontal lors de l’obtention de pertes monétaires. Dans le deuxième article, l’intégrité structurelle des régions fronto-limbiques a été investiguée, au moyen de mesures du volume, de l’épaisseur corticale et de la superficie corticale. Les résultats ont mis en évidence, chez les jeunes à risque de trouble bipolaire, un volume plus élevé du cortex préfrontal dorsolatéral, par rapport aux jeunes à risque de dépression majeure et contrôles. De plus, les jeunes à risque de trouble bipolaire présentaient un volume plus élevé du cortex cingulaire postérieur, en comparaison aux jeunes à risque de dépression majeure. Enfin, une diminution de l’épaisseur corticale du cortex orbitofrontal et du gyrus frontal moyen a été observée chez les adolescents à risque de trouble bipolaire, en comparaison au groupe contrôle. L’ensemble de ces résultats démontre ainsi l’existence de particularités comportementales et d’altérations neuronales sur les plans fonctionnel et structurel, chez des jeunes à risque élevé de troubles de l’humeur, et ce, avant même l’émergence des premiers symptômes thymiques. Plus particulièrement, ces caractéristiques pourraient constituer des marqueurs du risque de développer un trouble de l’humeur. Par conséquent, ces marqueurs pourraient aider à mieux identifier les jeunes qui sont le plus à risque de développer un trouble de l’humeur, et ainsi permettre la mise en place précoce de stratégies préventives adaptées, afin d’éviter des trajectoires développementales psychopathologiques.

A comprehensive analysis of sexual dimorphism in the midbrain dopamine system

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

On dendrites in Down syndrome and DS murine models: a spiny way to learn

Since the discovery in the 1970s that dendritic abnormalities in cortical pyramidal neurons are the most consistent pathologic correlate of mental retardation, research has focused on how dendritic alterations are related to reduced intellectual ability. Due in part to obvious ethical problems and in part to the lack of fruitful methods to study neuronal circuitry in the human cortex, there is little data about the microanatomical contribution to mental retardation. The recent identification of the genetic bases of some mental retardation associated alterations, coupled with the technology to create transgenic animal models and the introduction of powerful sophisticated tools in the field of microanatomy, has led to a growth in the studies of the alterations of pyramidal cell morphology in these disorders. Studies of individuals with Down syndrome, the most frequent genetic disorder leading to mental retardation, allow the analysis of the relationships between cognition, genotype and brain microanatomy. In Down syndrome the crucial question is to define the mechanisms by which an excess of normal gene products, in interaction with the environment, directs and constrains neural maturation, and how this abnormal development translates into cognition and behaviour. In the present article we discuss mainly Down syndrome-associated dendritic abnormalities and plasticity and the role of animal models in these studies. We believe that through the further development of such approaches, the study of the microanatomical substrates of mental retardation will contribute significantly to our understanding of the mechanisms underlying human brain disorders associated with mental retardation. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Tailored conductivity in ion implanted polyetheretherketone

Ion implantation can be used to confer electrical conductivity upon conventional insulating polymers such as polyetheretherketone (PEEK). We have implanted PEEK films using three different types of ion implantation: conventional inert gas and metal ion implantation, and ion beam mixing. We have applied a number of analytical techniques to compare the chemical, structural and electrical properties of these films. The most effective means of increasing electrical conductivity appears to be via ion beam mixing of metals into the polymer, followed by metal ion implantation and finally, inert gas ion implantation. Our results suggest that in all cases, the conducting region corresponds to the implanted layer in the near surface to a depth of similar to750 Angstrom (ion beam mixed) to similar to5000 Angstrom (metal ion). This latter value is significantly higher than would be expected from a purely ballistic standpoint, and can only be attributed to thermal inter-diffusion. Our data also indicates that graphitic carbon is formed within the implant region by chain scission and subsequent cross-linking. All ion implanted samples retained their bulk mechanical properties, i.e. they remained flexible. The implant layers showed no signs of de-lamination. We believe this to be the first comparative study between different implantation techniques, and our results support the proposition that soft electronic circuitry and devices can be created by conductivity engineering with ion beams. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Reappraising contemporary theories of subcortical participation in language: Proposing an interhemispheric regulatory function for the subthalamic nucleus (STN) in the mediation of high-level linguistic processes

Apropos the basal ganglia, the dominant striatum and globus pallidus internus (GPi) have been hypothesised to represent integral components of subcortical language circuitry. Working subcortical language theories, however, have failed thus far to consider a role for the STN in the mediation of linguistic processes, a structure recently defined as the driving force of basal ganglia output. The aim of this research was to investigate the impact of surgically induced functional inhibition of the STN upon linguistic abilities, within the context of established models of basal ganglia participation in language. Two males with surgically induced 'lesions' of the dominant and non-dominant dorsolateral STN, aimed at relieving Parkinsonian motor symptoms, served as experimental subjects. General and high-level language profiles were compiled for each subject up to 1 month prior to and 3 months following neurosurgery, within the drug-on state (i.e., when optimally medicated). Comparable post-operative alterations in linguistic performance were observed subsequent to surgically induced functional inhibition of the left and right STN. More specifically, higher proportions of reliable decline as opposed to improvement in post-operative performance were demonstrated by both subjects on complex language tasks, hypothesised to entail the interplay of cognitive-linguistic processes. The outcomes of the current research challenge unilateralised models of functional basal ganglia organisation with the proposal of a potential interhemispheric regulatory function for the STN in the mediation of high-level linguistic processes.

Alterations in the phenotype of neocortical pyramidal cells in the Dyrk1A+/- mouse

The gene encoding the dual-specificity tyrosine-regulated kinase DYRK1A maps to the chromosomal segment HSA21q22.2, which lies within the Down syndrome critical region. The reduction in brain size and behavioral defects observed in mice lacking one copy of the murine homologue Dyrk1A (Dyrk1A+/-) support the idea that this kinase may be involved in monosomy 21 associated mental retardation. However, the structural basis of these behavioral defects remains unclear. In the present work, we have analyzed the microstructure of cortical circuitry in the Dyrk1A+/- mouse and control littermates by intracellular injection of Lucifer Yellow in fixed cortical tissue. We found that labeled pyramidal cells were considerably smaller, less branched and less spinous in the cortex of Dyrk1A+/- mice than in control littermates. These results suggest that Dyrk1A influences the size and complexity of pyramidal cells, and thus their capability to integrate information. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Specialization in pyramidal cell structure in the cingulate cortex of the Chacma baboon (Papio ursinus): An intracellular injection study of the posterior and anterior cingulate gyrus with comparative notes on the macaque and vervet monkeys

This study forms part of an ongoing investigation of pyramidal cell structure in the cingulate cortex of primates. Recently we have demonstrated that layer III pyramidal cells in the anterior cingulate gyrus are considerably larger, more branched and more spinous than those in the posterior cingulate gyrus (areas 24 and 23, respectively) in the macaque and vervet monkeys. Moreover, the extent of the interareal difference in specialization in pyramidal cell structure differed between the two species. These data suggest that pyramidal cell circuitry may have evolved differently in these closely related species. Presently there are too few data to speculate on what is selecting for this specialization in structure. Here we extend the basis for comparison by studying pyramidal cell structure in cingulate gyrus of the Chacma baboon (Papio ursinus). Methodology used here is the same as that for our previous studies: intracellular injection of Lucifer Yellow in flat-mounted cortical slices. We found that pyramidal cells in anterior cingulate gyrus (area 24) were more branched and more spinous than those in posterior cingulate gyrus (area 23). Moreover, the complexity in pyramidal cell structure in both the anterior and posterior cingulate gyrus of the baboon differed to that in the corresponding regions in either the macaque or vervet monkeys. (C) 2005 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Specialization in pyramidal cell structure in the sensory-motor cortex of the chacma baboon (Papio ursinus) with comparative notes on macaque and vervet monkeys

The systematic study of pyramidal cell structure has revealed new insights into specialization of the phenotype in the primate cerebral cortex. Regional specialization in the neuronal phenotype may influence patterns of connectivity and the computational abilities of the circuits they compose. The comparative study of pyramidal cells in homologous cortical areas is beginning to yield data on the evolution and development of such specialized circuitry in the primate cerebral cortex. Recently, we have focused our efforts on sensory-motor cortex. Based on our intracellular injection methodology, we have demonstrated a progressive increase in the size of, the branching structure in, and the spine density of the basal dendritic trees of pyramidal cells through somatosensory areas 3b, 1, 2, 5, and 7 in the macaque and vervet monkeys. In addition, we have shown that pyramidal cells in premotor area 6 are larger, more branched, and more spinous than those in the primary motor cortex (MI or area 4) in the macaque monkey, vervet monkey, and baboon. Here we expand the basis for comparison by studying the basal dendritic trees of layer III pyramidal cells in these same sensory-motor areas in the chacma baboon. The baboon was selected because it has a larger cerebral cortex than either the macaque or vervet monkeys; motor cortex has expanded disproportionately in these three species; and motor cortex in the baboon reportedly has differentiated to include a new cortical area not present in either the macaque or vervet monkeys. We found, as in monkeys, a progressive increase in the morphological complexity of pyramidal cells through areas 3b, 5, and 7, as well as from area 4 to area 6, suggesting that areal specialization in microcircuitry was likely to be present in a common ancestor of primates. In addition, we found subtle differences in the extent of the interareal differences in pyramidal cell structure between homologous cortical areas in the three species. (c) 2005 Wiley-Liss, Inc.

Pyramidal neurons of granular prefrontal cortex of the galago: Complexity in evolution of the psychic cell in primates

Typically, cognitive abilities of humans have been attributed to their greatly expanded cortical mantle, granular prefrontal cortex (gPFC) in particular. Recently we have demonstrated systematic differences in microstructure of gPFC in different species. Specifically, pyramidal cells in adult human gPFC are considerably more spinous than those in the gPFC of the macaque monkey, which are more spinous than those in the gPFC of marmoset and owl monkeys. As most cortical dendritic spines receive at least one excitatory input, pyramidal cells in these different species putatively receive different numbers of inputs. These differences in the gPFC pyramidal cell phenotype may be of fundamental importance in determining the functional characteristics of prefrontal circuitry and hence the cognitive styles of the different species. However, it remains unknown as to why the gPFC pyramidal cell phenotype differs between species. Differences could be attributed to, among other things, brain size, relative size of gPFC, or the lineage to which the species belong. Here we investigated pyramidal cells in the dorsolateral gPFC of the prosimian galago to extend the basis for comparison. We found these cells to be less spinous than those in human, macaque, and marmoset. (c) 2005 Wiley-Liss, Inc.