Les récepteurs GPR91 et GPR99 et leur implication dans le développement du système nerveux visuel

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) démontrent de plus en plus de capacités à activer des mécanismes jusqu’alors associés à des facteurs de transcription ou des molécules d’adhésion. En effet, de nouvelles preuves rapportent qu’ils pourraient également participer au guidage axonal qui est le mécanisme permettant aux axones de cellules nerveuses de rejoindre leur cible anatomique. Le guidage axonal se fait par l’interaction entre les molécules de guidage et une structure particulière présente à l’extrémité de l’axone, le cône de croissance. Par exemple, les RCPGs participent au guidage des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR), dont les axones s’étendent de la rétine jusqu’au noyaux cérébraux associés à la vision. Cet effet est observé avec des RCPGs tels que les récepteurs aux cannabinoïdes (CB1 et CB2) et celui du lysophosphatidylinositol, le GPR55. Les RCPGs GPR91 et GPRG99, respectivement récepteurs au succinate et à l’α-cétoglutarate, se trouvent à la surface de ces CGRs, ce qui en font des candidats potentiels pouvant participer au guidage axonal. Dans ce mémoire, l’effet des ligands de ces récepteurs sur la croissance et la navigation des axones des CGRs fut analysé. L’impact produit par ces récepteurs ainsi que leurs ligands sur la morphologie des cônes de croissance fut déterminé en mesurant leur taille et le nombre de filopodes présents sur ces cônes. Pour évaluer le rôle du succinate et de l’a-cétoglutarate sur la croissance globale des axones de CGRs, la longueur totale des projections axonales d’explants rétiniens a été mesurée. L’effet de ces ligands des récepteurs GPR91 et GPR99 sur le guidage axonal a également été évalué en temps réel à l’aide d’un gradient créé par un micro injecteur placé à 45° et à 100µm du cône de croissance. La distribution in vivo des récepteurs GPR91 et GPR99 sur la rétine a été étudié à l’aide d’expériences d’immunohistochimie. Les résultats obtenus indiquent que l’ajout de 100µM de succinate produit une augmentation de la taille des cônes de croissance et du nombre de filopodes présents à leur surface. Il augmente également la croissance des axones. Ce type de réponse fut également observé lorsque les cellules furent soumises à 200µM d’α-cétoglutarate. Fait à noter, les deux récepteurs n’ont pas d’impact sur le guidage axonal. Ces résultats indiquent donc que les agonistes des récepteurs GPR91 et GPR99 augmentent la croissance des cellules ganglionnaires lorsqu’ils sont présents lors du développement. Par contre, ils n’ont pas d’influence sur la direction prise par les cônes de croissance. Ces nouvelles données sont un pas de plus dans la compréhension des mécanismes qui gèrent et participent au développement et la croissance des CGRs, ce qui pourrait donner de nouvelles cibles thérapeutique pouvant mener à la régénération de nerfs optiques endommagés.

Les récepteurs GPR91 et GPR99 et leur implication dans le développement du système nerveux visuel

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) démontrent de plus en plus de capacités à activer des mécanismes jusqu’alors associés à des facteurs de transcription ou des molécules d’adhésion. En effet, de nouvelles preuves rapportent qu’ils pourraient également participer au guidage axonal qui est le mécanisme permettant aux axones de cellules nerveuses de rejoindre leur cible anatomique. Le guidage axonal se fait par l’interaction entre les molécules de guidage et une structure particulière présente à l’extrémité de l’axone, le cône de croissance. Par exemple, les RCPGs participent au guidage des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR), dont les axones s’étendent de la rétine jusqu’au noyaux cérébraux associés à la vision. Cet effet est observé avec des RCPGs tels que les récepteurs aux cannabinoïdes (CB1 et CB2) et celui du lysophosphatidylinositol, le GPR55. Les RCPGs GPR91 et GPRG99, respectivement récepteurs au succinate et à l’α-cétoglutarate, se trouvent à la surface de ces CGRs, ce qui en font des candidats potentiels pouvant participer au guidage axonal. Dans ce mémoire, l’effet des ligands de ces récepteurs sur la croissance et la navigation des axones des CGRs fut analysé. L’impact produit par ces récepteurs ainsi que leurs ligands sur la morphologie des cônes de croissance fut déterminé en mesurant leur taille et le nombre de filopodes présents sur ces cônes. Pour évaluer le rôle du succinate et de l’a-cétoglutarate sur la croissance globale des axones de CGRs, la longueur totale des projections axonales d’explants rétiniens a été mesurée. L’effet de ces ligands des récepteurs GPR91 et GPR99 sur le guidage axonal a également été évalué en temps réel à l’aide d’un gradient créé par un micro injecteur placé à 45° et à 100µm du cône de croissance. La distribution in vivo des récepteurs GPR91 et GPR99 sur la rétine a été étudié à l’aide d’expériences d’immunohistochimie. Les résultats obtenus indiquent que l’ajout de 100µM de succinate produit une augmentation de la taille des cônes de croissance et du nombre de filopodes présents à leur surface. Il augmente également la croissance des axones. Ce type de réponse fut également observé lorsque les cellules furent soumises à 200µM d’α-cétoglutarate. Fait à noter, les deux récepteurs n’ont pas d’impact sur le guidage axonal. Ces résultats indiquent donc que les agonistes des récepteurs GPR91 et GPR99 augmentent la croissance des cellules ganglionnaires lorsqu’ils sont présents lors du développement. Par contre, ils n’ont pas d’influence sur la direction prise par les cônes de croissance. Ces nouvelles données sont un pas de plus dans la compréhension des mécanismes qui gèrent et participent au développement et la croissance des CGRs, ce qui pourrait donner de nouvelles cibles thérapeutique pouvant mener à la régénération de nerfs optiques endommagés.

Emergence of order in visual system development.

Neural connections in the adult central nervous system are highly precise. In the visual system, retinal ganglion cells send their axons to target neurons in the lateral geniculate nucleus (LGN) in such a way that axons originating from the two eyes terminate in adjacent but nonoverlapping eye-specific layers. During development, however, inputs from the two eyes are intermixed, and the adult pattern emerges gradually as axons from the two eyes sort out to form the layers. Experiments indicate that the sorting-out process, even though it occurs in utero in higher mammals and always before vision, requires retinal ganglion cell signaling; blocking retinal ganglion cell action potentials with tetrodotoxin prevents the formation of the layers. These action potentials are endogenously generated by the ganglion cells, which fire spontaneously and synchronously with each other, generating "waves" of activity that travel across the retina. Calcium imaging of the retina shows that the ganglion cells undergo correlated calcium bursting to generate the waves and that amacrine cells also participate in the correlated activity patterns. Physiological recordings from LGN neurons in vitro indicate that the quasiperiodic activity generated by the retinal ganglion cells is transmitted across the synapse between ganglion cells to drive target LGN neurons. These observations suggest that (i) a neural circuit within the immature retina is responsible for generating specific spatiotemporal patterns of neural activity; (ii) spontaneous activity generated in the retina is propagated across central synapses; and (iii) even before the photoreceptors are present, nerve cell function is essential for correct wiring of the visual system during early development. Since spontaneously generated activity is known to be present elsewhere in the developing CNS, this process of activity-dependent wiring could be used throughout the nervous system to help refine early sets of neural connections into their highly precise adult patterns.

Semantic context and visual feature effects in object naming : an fMRI study using arterial spin labeling

Previous behavioral studies reported a robust effect of increased naming latencies when objects to be named were blocked within semantic category, compared to items blocked between category. This semantic context effect has been attributed to various mechanisms including inhibition or excitation of lexico-semantic representations and incremental learning of associations between semantic features and names, and is hypothesized to increase demands on verbal self-monitoring during speech production. Objects within categories also share many visual structural features, introducing a potential confound when interpreting the level at which the context effect might occur. Consistent with previous findings, we report a significant increase in response latencies when naming categorically related objects within blocks, an effect associated with increased perfusion fMRI signal bilaterally in the hippocampus and in the left middle to posterior superior temporal cortex. No perfusion changes were observed in the middle section of the left middle temporal cortex, a region associated with retrieval of lexical-semantic information in previous object naming studies. Although a manipulation of visual feature similarity did not influence naming latencies, we observed perfusion increases in the perirhinal cortex for naming objects with similar visual features that interacted with the semantic context in which objects were named. These results provide support for the view that the semantic context effect in object naming occurs due to an incremental learning mechanism, and involves increased demands on verbal self-monitoring.

The influence of colour and sound on neuronal activation during visual object naming

This paper investigates how neuronal activation for naming photographs of objects is influenced by the addition of appropriate colour or sound. Behaviourally, both colour and sound are known to facilitate object recognition from visual form. However, previous functional imaging studies have shown inconsistent effects. For example, the addition of appropriate colour has been shown to reduce antero-medial temporal activation whereas the addition of sound has been shown to increase posterior superior temporal activation. Here we compared the effect of adding colour or sound cues in the same experiment. We found that the addition of either the appropriate colour or sound increased activation for naming photographs of objects in bilateral occipital regions and the right anterior fusiform. Moreover, the addition of colour reduced left antero-medial temporal activation but this effect was not observed for the addition of object sound. We propose that activation in bilateral occipital and right fusiform areas precedes the integration of visual form with either its colour or associated sound. In contrast, left antero-medial temporal activation is reduced because object recognition is facilitated after colour and form have been integrated.

The effect of prior visual information on recognition of speech and sounds

To identify and categorize complex stimuli such as familiar objects or speech, the human brain integrates information that is abstracted at multiple levels from its sensory inputs. Using cross-modal priming for spoken words and sounds, this functional magnetic resonance imaging study identified 3 distinct classes of visuoauditory incongruency effects: visuoauditory incongruency effects were selective for 1) spoken words in the left superior temporal sulcus (STS), 2) environmental sounds in the left angular gyrus (AG), and 3) both words and sounds in the lateral and medial prefrontal cortices (IFS/mPFC). From a cognitive perspective, these incongruency effects suggest that prior visual information influences the neural processes underlying speech and sound recognition at multiple levels, with the STS being involved in phonological, AG in semantic, and mPFC/IFS in higher conceptual processing. In terms of neural mechanisms, effective connectivity analyses (dynamic causal modeling) suggest that these incongruency effects may emerge via greater bottom-up effects from early auditory regions to intermediate multisensory integration areas (i.e., STS and AG). This is consistent with a predictive coding perspective on hierarchical Bayesian inference in the cortex where the domain of the prediction error (phonological vs. semantic) determines its regional expression (middle temporal gyrus/STS vs. AG/intraparietal sulcus).

MPC controlled multirotor with suspended slung load: System architecture and visual load detection

There is an increased interest in the use of Unmanned Aerial Vehicles for load transportation from environmental remote sensing to construction and parcel delivery. One of the main challenges is accurate control of the load position and trajectory. This paper presents an assessment of real flight trials for the control of an autonomous multi-rotor with a suspended slung load using only visual feedback to determine the load position. This method uses an onboard camera to take advantage of a common visual marker detection algorithm to robustly detect the load location. The load position is calculated using an onboard processor, and transmitted over a wireless network to a ground station integrating MATLAB/SIMULINK and Robotic Operating System (ROS) and a Model Predictive Controller (MPC) to control both the load and the UAV. To evaluate the system performance, the position of the load determined by the visual detection system in real flight is compared with data received by a motion tracking system. The multi-rotor position tracking performance is also analyzed by conducting flight trials using perfect load position data and data obtained only from the visual system. Results show very accurate estimation of the load position (~5% Offset) using only the visual system and demonstrate that the need for an external motion tracking system is not needed for this task.

Auditory and visual event-related potential alterations in fragile X syndrome

Le syndrome du X fragile (SXF) est la première cause héréditaire de déficience intellectuelle et également la première cause monogénique d’autisme. Le SXF est causé par l'expansion de la répétition du nucléotide CGG sur le gène FMR1, ce qui empêche l’expression de la protéine FMRP. L’absence du FMRP mène à une altération du développement structurel et fonctionnel de la synapse, ce qui empêche la maturation des synapses induite par l’activité et l’élagage synaptique, qui sont essentiels pour le développement cérébral et cognitif. Nous avons investigué les potentiels reliés aux événements (PRE) évoqués par des stimulations fondamentales auditives et visuelles dans douze adolescents et jeunes adultes (10-22) atteints du SXF, ainsi que des participants contrôles appariés en âge chronologique et développemental. Les résultats indiquent un profil des PRE altéré, notamment l’augmentation de l’amplitude de N1 auditive, par rapport aux deux groupes contrôle, ainsi que l’augmentation des amplitudes de P2 et N2 auditifs et de la latence de N2 auditif. Chez les patients SXF, le traitement sensoriel semble être davantage perturbé qu’immature. En outre, la modalité auditive semble être plus perturbée que la modalité visuelle. En combinaison avec des résultats anatomique du cerveau, des mécanismes biochimiques et du comportement, nos résultats suggèrent une hyperexcitabilité du système nerveux dans le SXF.

Localization and function of the endocannabinoid system throughout the retinogeniculate pathway of vervet monkeys

Le système endocannabinoïde (eCB) est présent dans le système nerveux central (SNC) de mammifères, incluant la rétine, et est responsable de la régulation de nombreux processus physiologiques. Bien que la présence du récepteur cannabinoïde de type 1 (CB1R) a bien été documenté dans la rétine de rongeurs et primates, il y a encore une controverse quant à la présence du récepteur cannabinoïde de type 2 (CB2R) au niveau du SNC. En utilisant la microscopie confocale, nous sommes les premiers à signaler les patrons d’expression du CB2R dans la rétine de singe. Nos résultats démontrent que le CB2R est exprimé exclusivement dans les cellules de Müller de la rétine du singe. En outre, nous avons comparé les différents patrons d’expression du système eCB dans la rétine de la souris, du toupaye, ainsi que du singe vervet et macaque. Nous rapportons que les distributions de CB1R, FAAH (fatty acid amid hydrolase), MAGL (monoacylglycerol lipase) et DAGLα (diacylglycerol lipase alpha) sont hautement conservées parmi ces espèces alors que CB2R et NAPE-PLD (N-acyl phosphatidylethanolamine phospholipase D) présentent différents profils d'expression. CB2R n'a pas été détecté dans les cellules neuronales de la rétine des primates. L’immunoréactivité de NAPE-PLD est présente dans les couches de la rétine de souris et toupayes, mais a été limitée à la couche des photorécepteurs des singes vervet et macaque. Pour étudier les corrélats neuronaux et le rôle de la signalisation du système eCB dans la rétine, nous avons établi un protocole standard pour l'électrorétinographie (ERG), puis enregistré la réponse ERG de la rétine après le blocage des récepteurs avec des antagonistes spécifiques pour CB1R (AM251) et CB2R (AM630). Comparé au témoin, dans des conditions photopiques, et à certaines intensités faibles du stimulus, le blocage de CB1R diminue l'amplitude de l'onde-b, alors qu’à des intensités plus élevées, le blocage de CB2R augmente l'amplitude des deux-ondes a et b. De plus, le blocage des récepteurs cannabinoïdes provoque une augmentation de la latence des deux ondes a et b. Dans des conditions d’adaptation à l'obscurité, le blocage de CB1R et CB2R réduit l’amplitudes de l'onde a seulement à des intensités plus élevées et réduit l’onde b à intensités plus faibles. Des augmentations significatives de latence ont été observées dans les deux cas. Ces résultats indiquent que les récepteurs CB1 et CB2 chez les primates non humains sont impliqués dans la fonction rétinienne conditions photopiques. En outre, nous avons évalué le profil d'expression du CB1R, de FAAH et de NAPE-PLD au-delà de la rétine dans le corps géniculé latéral des singes et nous rapportons pour la première fois que CB1R et FAAH sont exprimés davantage dans les couches magnocellulaires. La NAPE-PLD a été localisée à travers les couches magno- et parvocellulaires. Aucune de ces composantes n’est exprimée dans les couches koniocellulaires. Ces résultats nous aident à mieux comprendre les effets des cannabinoïdes sur le système visuel qui pourraient nous mener à trouver éventuellement de nouvelles cibles thérapeutiques.

A helmet mounted display system with active gaze control for visual telepresence

The objective of a Visual Telepresence System is to provide the operator with a high fidelity image from a remote stereo camera pair linked to a pan/tilt device such that the operator may reorient the camera position by use of head movement. Systems such as these which utilise virtual reality style helmet mounted displays have a number of limitations. The geometry of the camera positions and of the displays is generally fixed and is most suitable only for viewing elements of a scene at a particular distance. To address such limitations, a prototype system has been developed where the geometry of the displays and cameras is dynamically controlled by the eye movement of the operator. This paper explores why it is necessary to actively adjust the display system as well as the cameras and justifies the use of mechanical adjustment of the displays as an alternative to adjustment by electronic or image processing methods. The electronic and mechanical design is described including optical arrangements and control algorithms. The performance and accuracy of the system is assessed with respect to eye movement.

O papel dos sistemas visual, vestibular, somatosensorial e auditivo para o controle postural

The maintenance of a given body orientation is obtained by the complex relation between sensory information and muscle activity. Therefore, this study purpose was to review the role of visual, somatosensory, vestibular and auditory information in the maintenance and control of the posture. Method. a search by papers for the last 24 years was done in the PubMed and CAPES databases. The following keywords were used: postural control, sensory information, vestibular system, visual system, somatosensory system, auditory system and haptic system. Results. the influence of each sensory system and its integration were analyzed for the maintenance and control of the posture. Conclusion. the literature showed that there is information redundancy provided by sensory channels. Thus, the central nervous system chooses the main source for the posture control.

Visual histological grading system for the evaluation of in vitro-generated neocartilage

Here we present the development of a visual evaluation system for routine assessment of in vitro-engineered cartilaginous tissue. Neocartilage was produced by culturing human articular chondrocytes in pellet culture systems or in a scaffold-free bioreactor system. All engineered tissues were embedded in paraffin and were sectioned and stained with Safranin O-fast green. The evaluation of each sample was broken into 3 categories (uniformity and intensity of Safranin O stain, distance between cells/amount of matrix produced, and cell morphology), and each category had 4 components with a score ranging from 0 to 3. Three observers evaluated each sample, and the new system was independently tested against an objective computer-based histomorphometry system. Pellets were also assessed biochemically for glycosaminoglycan (GAG) content. Pellet histology scores correlated significantly with GAG contents and were in agreement with the computer-based histomorphometry system. This system allows a valid and rapid assessment of in vitro-generated cartilaginous tissue that has a relevant association with objective parameters indicative of cartilage quality.

The visual response of retinal ganglion cells is not altered by optic nerve transection in transgenic mice overexpressing Bcl-2

Attempts to rescue retinal ganglion cells from retrograde degeneration have had limited success, and the residual function of surviving neurons is not known. Recently, it has been found that axotomized retinal ganglion cells die by apoptotic mechanisms. We have used adult transgenic mice overexpressing the Bcl-2 protein, a powerful inhibitor of apoptosis, as a model for preventing injury-induced cell death in vivo. Several months after axotomy, the majority of retinal ganglion cells survived and exhibited normal visual responses. In control wild-type mice, the vast majority of axotomized retinal ganglion cells degenerated, and the physiological responses were abolished. These results suggest that strategies aimed at increasing Bcl-2 expression, or mimicking its function, might effectively counteract trauma-induced cell death in the central nervous system. Neuronal survival is a necessary condition in the challenge for promoting regeneration and eventually restoring neuronal function.

The ubiquitin-proteasome system in retinal health and disease

The ubiquitin–proteasome system (UPS) is the main intracellular pathway for modulated protein turnover, playing an important role in the maintenance of cellular homeostasis. It also exerts a protein quality control through degradation of oxidized, mutant, denatured, or misfolded proteins and is involved in many biological processes where protein level regulation is necessary. This system allows the cell to modulate its protein expression pattern in response to changing physiological conditions and provides a critical protective role in health and disease. Impairments of UPS function in the central nervous system (CNS) underlie an increasing number of genetic and idiopathic diseases, many of which affect the retina. Current knowledge on the UPS composition and function in this tissue, however, is scarce and dispersed. This review focuses on UPS elements reported in the retina, including ubiquitinating and deubiquitinating enzymes (DUBs), and alternative proteasome assemblies. Known and inferred roles of protein ubiquitination, and of the related, SUMO conjugation (SUMOylation) process, in normal retinal development and adult homeostasis are addressed, including modulation of the visual cycle and response to retinal stress and injury. Additionally, the relationship between UPS dysfunction and human neurodegenerative disorders affecting the retina, including Alzheimer's, Parkinson's, and Huntington's diseases, are dealt with, together with numerous instances of retina-specific illnesses with UPS involvement, such as retinitis pigmentosa, macular degenerations, glaucoma, diabetic retinopathy (DR), and aging-related impairments. This information, though still basic and limited, constitutes a suitable framework to be expanded in incoming years and should prove orientative toward future therapy design targeting sight-affecting diseases with a UPS underlying basis.

Alterations in energy metabolism, neuroprotection and visual signal transduction in the retina of parkinsonian, MPTP-treated monkeys

Parkinson disease is mainly characterized by the degeneration of dopaminergic neurons in the central nervous system, including the retina. Different interrelated molecular mechanisms underlying Parkinson disease-associated neuronal death have been put forward in the brain, including oxidative stress and mitochondrial dysfunction. Systemic injection of the proneurotoxin 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) to monkeys elicits the appearance of a parkinsonian syndrome, including morphological and functional impairments in the retina. However, the intracellular events leading to derangement of dopaminergic and other retinal neurons in MPTP-treated animal models have not been so far investigated. Here we have used a comparative proteomics approach to identify proteins differentially expressed in the retina of MPTP-treated monkeys. Proteins were solubilized from the neural retinas of control and MPTP-treated animals, labelled separately with two different cyanine fluorophores and run pairwise on 2D DIGE gels. Out of >700 protein spots resolved and quantified, 36 were found to exhibit statistically significant differences in their expression levels, of at least ±1.4-fold, in the parkinsonian monkey retina compared with controls. Most of these spots were excised from preparative 2D gels, trypsinized and subjected to MALDI-TOF MS and LC-MS/MS analyses. Data obtained were used for protein sequence database interrogation, and 15 different proteins were successfully identified, of which 13 were underexpressed and 2 overexpressed. These proteins were involved in key cellular functional pathways such as glycolysis and mitochondrial electron transport, neuronal protection against stress and survival, and phototransduction processes. These functional categories underscore that alterations in energy metabolism, neuroprotective mechanisms and signal transduction are involved in MPTPinduced neuronal degeneration in the retina, in similarity to mechanisms thought to underlie neuronal death in the Parkinson’s diseased brain and neurodegenerative diseases of the retina proper.