MOLECULAR REORGANIZATION FOLLOWING SENSORY STIMULATION IN THE ADULT MOUSE BARREL CORTEX

Sensory information is an important factor in shaping neuronal circuits during development and adulthood. In the barrel cortex of adult rodents, cells from layer IV are able to adapt their functional state to an increased flow of sensory information from the mystacial whisker follicles. Previous studies in our group have shown that whisker stimulation induces the formation of inhibitory synapses in the corresponding barrel (Knott et al., 2002) and decreases neuronal responses toward the deflection of the stimulated whisker (Quairiaux et al., 2007). Together these observations have turned the barrel cortex into a model to study homeostatic plasticity. At the cellular level, neuronal activity triggers intracellular signaling cascades leading to a transcriptional response. To further characterize the molecular pathways involved in the synaptic changes after whisker stimulation in the adult mouse, a previous doctoral student in our group performed a microarray analysis on laser-dissected barrels in sections through layer IV. This study identified the regulation (up and down) of a series of genes in the stimulated barrels (thesis of Johnston-Wenger, 2010). We here focused on ten genes that presented the highest fold change according to the microarray analysis. Out of these genes, 7 are known as neuronal activity-dependent genes (Tnncl, Nptx2, Sorcs3, Ptgs2, Nr4a2, Npas4 and Adcyapl) whereas three have so far not been related to neuronal plasticity (Scn7a, Pcdhl5 and Cede3). The study aimed at confirming the results of the microarray analysis and localizing molecular modifications in the stimulated barrel column at the cellular level. In situ hybridization for Pcdhl5 after different periods of whisker stimulation (3, 6, 9, 15, 24 hrs) allowed us to confirm that the 1.25 fold change used for the microarray analysis is an appropriate threshold for considering a regulation significant after sensory-stimulation. Moreover, we confirmed with in situ hybridization a significant upregulation of the genes of interest in the stimulated barrels. In situ hybridization and immunohistochemistry allowed us to observe the distribution of the genes of interest and the corresponding protein products at the cellular level. Three observations were made: 1) alterations of the expression was restricted to the stimulated barrels for all genes tested; 2) within a barrel column not all cells responded to whisker stimulation with an altered gene expression; 3) in the stimulated barrels, two different patterns of mRNA and protein expression can be distinguished. We hypothesize that this segregation of the activity-induced gene expression reflects the segregation of the two principal thalamocortical pathways conveying the sensory information to the barrel cortex. Moreover, only neurons reaching the critical threshold will modify their gene expression program resulting in structural as well as physiological modifications that prevent the subsequent propagation of the excess of excitation to the postsynaptic targets. The activity-induced gene expression is therefore adapted in a cell-type-specific manner to induce a homeostatic response to the entire neuronal network involved in the integration of the sensory information. This to our knowledge the first study showing the distinct, but complementary contribution of the two thalamocortical pathways in experience-dependent plasticity in the adult mouse barrel cortex. -- L'information sensorielle nous permet de continuellement façonner nos circuits neuronaux autant durant le développement qu'à l'âge adulte. Chez le rongeur l'information sensorielle perçue par les vibrisses est intégrée au niveau du cortex somatosensoriel primaire (appelé en anglais « barrel cortex ») dont les cellules de la couche IV sont capables d'adapter leur état fonctionnel en réponse à une augmentation d'activité neuronale. Ce modèle expérimental a permis à notre groupe de recherche d'observer des changements rapides du circuit neuronal en fonction de l'activité sensorielle. En effet, la stimulation continue d'une vibrisse d'une souris adulte pendant 24 heures induit non seulement un remaniement synaptique (Knott et al., 2002), mais également des changements physiologiques au niveau des neurones du tonneau correspondant (Quairiaux et al., 2007). Ces observations nous permettent d'affirmer que le « barrel cortex » est un modèle approprié pour y étudier la plasticité synaptique. Au niveau cellulaire, l'activité neuronale déclenche des cascades de signalisation intracellulaire résultant en une réponse transcriptionnelle. Afin de caractériser les voies moléculaires impliquées dans la plasticité synaptique, une puce à ARN nous a permis de comparer l'expression de gènes entre un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée et un tonneau d'une vibrisse non-stimulée (Nathalie). Cette analyse a révélé un certain nombre de gènes régulés de manière positive ou négative par l'augmentation de l'activité neuronale. Nous nous sommes concentrés sur 10 gènes dont l'expression est fortement régulée. L'expression de sept d'entre eux a déjà été démontrée comme dépendante de l'activité neuronale (Tnncl, Nptx2, Sorcs3, Ptgs2, Nr4a2, Npas4 otAdcyapl) alors que l'expression des trois autres (Scn7a, Pcdhl5 et Cedei) n'a pour le moment pas encore été liée à la plasticité neuronale. Le but de cette thèse est de confirmer les résultats de la puce à ARN et de déterminer dans quel type cellulaire ces gènes sont exprimés. L'hybridation in situ pour le gène Pcdhl5, après différentes périodes de stimulation des vibrisses (3, 6, 9, 15 et 24 heures), nous a permis de confirmer que le seuil de 1.25x utilisé dans l'analyse de la puce à ARN est approprié pour considérer qu'un gène est régulé de manière significative par la stimulation sensorielle. Nous avons également pu confirmer à l'aide de cette technique que la stimulation sensorielle augmente significativement l'expression de ces dix gènes. L'expression de ces gènes au niveau cellulaire a été observée à l'aide des techniques d'hybridation in situ et d'immunohistochimie. Trois observations ont été faites : 1) la régulation de ces gènes est restreinte aux tonneaux correspondants aux vibrisses stimulées ; 2) au niveau d'une colonne corticale correspondant aux vibrisses stimulées, seules certaines cellules présentent une altération de leur expression génique ; 3) au niveau des tonneaux stimulés, deux profils d'expression d'ARNm et de protéines sont observés. Notre hypothèse est que cette distribution pourrait correspondre à la terminaison ségrégée des deux voies thalamocortical qui amènent l'information sensorielle dans le cortex cérébral. De plus, seul les neurones atteignant le seuil critique d'activation modifient leur expression génique en réponse à la stimulation sensorielle. Ces changements d'expression géniques vont permettre à la cellule de modifier ses propriétés structurales et physiologiques de manière a prevenir la propagation d'un excès d'activité neuronale au niveau de ses cibles postsynaptics. L'activité neuronale agit donc spécifiquement sur certains types cellulaires de maniere a induire une réponse homéostatique au niveau du réseau neuronal impliqué dans l'integration de l'information sensorielle. Nos travaux démontrent pour une première fois que les deux voies sensorielles contribuent d'une manière distincte et complémentaire à la plasticité corticale induite par un changement de l'activité sensorielle chez la souris adulte.

Primary motor cortex inhibition in spinal cord injuries.

OBJECTIVES AND METHODS: Excitability changes in the primary motor cortex in 17 spinal-cord injured (SCI) patients and 10 controls were studied with paired-pulse transcranial magnetic stimulation. The paired pulses were applied at inter-stimulus intervals (ISI) of 2 ms and 15 ms while motor evoked potentials (MEP) were recorded in the biceps brachii (Bic), the abductor pollicis brevis (APB) and the tibialis anterior (TA) muscles. RESULTS: The study revealed a significant decrease in cortical motor excitability in the first weeks after SCI concerning the representation of both the affected muscles innervated from spinal segments below the lesion, and the spared muscles rostral to the lesion. In the patients with motor-incomplete injury, but not in those with motor-complete injury, the initial cortical inhibition of affected muscles was temporarily reduced 2-3 months following injury. The degree of inhibition in cortical areas representing the spared muscles was observed to be smaller in patients with no voluntary TA activity compared to patients with some activity remaining in the TA. Surprisingly, motor-cortical inhibition was observed not only at ISI 2 ms but also at ISI 15 ms. The inhibition persisted in patients who returned for a follow-up measurement 2-3 years later. CONCLUSION: The present data showed different evaluation of cortical excitability between patients with complete and incomplete spinal cord lesion. Our results provide more insight into the pathophysiology of SCI and contribute to the ongoing discussion about the recovery process and therapy of SCI patients.

Response of bone metabolism related hormones to a single session of strenuous exercise in active elderly subjects

OBJECTIVE: To evaluate the effect of strenuous exercise on bone metabolism and related hormones in elderly subjects. METHODS: Twenty one active elderly subjects (11 men and 10 women; mean age 73.3 years) showing a mean theoretical Vo2max of 151.4% participated. Concentrations of plasma ionised calcium (iCa), serum intact parathyroid hormone (iPTH), 25-hydroxyvitamin D (25(OH)D), and 1.25-dihydroxy-vitamin D3 (1.25(OH)2D3), as well as the bone biochemical markers type I collagen C-telopeptide for bone resorption and osteocalcin and bone alkaline phosphatase for bone formation, were analysed before and after a maximal incremental exercise test. RESULTS: At basal level, iPTH was positively correlated with age (r = 0.56, p < 0.01) and negatively correlated with 25(OH)D (r = -0.50; p < 0.01) and 1.25(OH)2D3 (r = -0.47; p < 0.05). Moreover, 25(OH)D and 1.25(OH)2D3 levels were negatively correlated with age (r = -0.50, p < 0.01 and r = -0.53, p < 0.01, respectively). After exercise, iCa and 25(OH)D decreased (p < 0.001 and p = 0.01, respectively) while iPTH increased (p < 0.001). The levels of 1.25(OH)2D3, bone biochemical markers, haematocrit, and haemoglobin were unchanged. The variations in iCa and 25(OH)D were not related to age and/or sex. The iPTH variation was directly related to basal iPTH levels (p < 0.01) and indirectly related to age. CONCLUSIONS: In active elderly subjects, strenuous exercise disturbed calcium homeostasis and bone related hormones without immediate measurable effect on bone turnover. Although an increase in iPTH could have an anabolic action on bone tissue, our findings from our short term study did not allow us to conclude that such action occurred.

Loss of ovarian hormones increases salt-sensitivity in normotensive women

Salt sensitivity (SS) is associated with an elevated risk of developing hypertension(HTN) and is an independent risk factor for cardiovascular (CV) morbidity and mortality. Cross-sectional studies have suggested that postmenopausal women are more salt sensitive than premenopausal women. The purpose of the present study was to investigate prospectively the prevalence of SS among healthy premenopausal women and determine whether the loss of ovarian hormones increases SS.

Intracortical connectivity of layer VI pyramidal neurons in the somatosensory cortex of normal and barrelless mice.

In mice, barrels in layer IV of the somatosensory cortex correspond to the columnar representations of whisker follicles. In barrelless (BRL) mice, barrels are absent, but functionally, a columnar organization persists. Previously we characterized the aberrant geometry of thalamic projection of BRL mice using axonal reconstructions of individual neurons. Here we proceeded with the analysis of the intracortical projections from layer VI pyramidal neurons, to assess their contribution to the columnar organization. From series of tangential sections we reconstructed the axon collaterals of individual layer VI pyramidal neurons in the C2 barrel column that were labelled with biocytin [controls from normal (NOR) strain, 19 cells; BRL strain, nine cells]. Using six morphological parameters in a cluster analysis, we showed that layer VI neurons in NOR mice are distributed into four clusters distinguished by the radial and tangential extent of their intracortical projections. These clusters correlated with the cortical or subcortical projection of the main axon. In BRL mice, neurons were distributed within the same four clusters, but their projections to the granular and supragranular layers were significantly smaller and their tangential projection was less columnar than in NOR mice. However, in both strains the intracortical projections had a preference for the appropriate barrel column (C2), indicating that layer VI pyramidal cells could participate in the functional columnar organization of the barrel cortex. Correlative light and electron microscopy analyses provided morphometric data on the intracortical synaptic boutons and synapses of layer VI pyramidal neurons and revealed that projections to layer IV preferentially target excitatory dendritic spines and shafts.

Alterations in phosphatidylinositol 3-kinase activity and PTEN phosphatase in the prefrontal cortex of depressed suicide victims.

BACKGROUND: Recent studies have reported alterations in protein kinase B (PKB)/Akt and in its downstream target, glycogen synthase kinase 3β, in depression and suicide. The aim of the present study was to investigate possible impairment of the upstream regulators, namely phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) and PTEN. METHODS: The ventral prefrontal cortex (Brodmann's area 11) of 24 suicide victims and 24 drug-free nonsuicide subjects was used. The antemortem diagnoses of major depression disorder were obtained from the institutional records or psychological autopsy, and toxicological analyses were performed. Protein levels of PI3K and PTEN were assayed using the immunoblot method, and the kinase activity of PI3K and Akt was determined by phosphorylation of specific substrates. RESULTS: A decrease was observed in the enzymatic activity of PI3K [ANOVA: F(3, 44) = 9.20; p < 0.001] and Akt1 [ANOVA: F(3, 44) = 13.59; p < 0.001], without any change in protein levels, in both depressed suicide victims and depressed nonsuicide subjects (p < 0.01 and p < 0.002, respectively). PTEN protein levels were increased in the same groups [ANOVA: F(3, 44) = 10.5; p < 0.001]. No change was observed in nondepressed suicide victims. CONCLUSION: This study concludes that attenuation of kinase activity of PKB/Akt in depressed suicide victims may be due to the combined dysregulation of PTEN and PI3K resulting in insufficient phosphorylation of lipid second messengers. The effect is associated with major depression rather than with suicide per se. Given the cellular deficits reported in major depression, the study of enzymes involved in cell survival and neuroplasticity is particularly relevant to neurotrophic factor dysregulation in depression.

The neurobiological basis of prefrontal cortex impairment in the phencyclidine model of schizophrenia : convergent reduction of synaptic glutamate release, energy metabolism and cognitive performance

RÉSUMÉ : Le traitement répété à la phencyclidine (PCP), un bloqueur du récepteur NMDA (NMDAR), reproduit chez les rongeurs une partie de la symptomatologie typique de la schizophrénie. Le blocage prolongé du NMDAR par la PCP mime une hypofunction du NMDAR, une des principales altérations supposées exister dans les cerveaux des patients schizophréniques. Le but de notre étude était d'examiner les conséquences neurochimiques, métaboliques et fonctionnelles du traitement répété à la phencyclidine in vivo, au niveau du cortex préfrontal (cpf), une région cérébrale qui joue un rôle dans les déficits cognitifs observés chez les patients schizophréniques. Pour répondre à cette question, les rats ou les souris ont reçu chaque jour une injection soit de PCP (5 mg/kg), soit de solution saline, pendant 7 ou 14 jours. Les animaux ont ensuite été sacrifiés au moins 24 heures après le dernier traitement. Des tranches aiguës du cpf ont été préparées rapidement, puis stimulées avec une concentration élevée de KCI, de manière à induire une libération de glutamate à partir des terminaisons synaptiques excitatrices. Les résultats montrent que les tranches du cpf des animaux traités à la PCP ont libéré une quantité de glutamate significativement inférieure par rapport à celles des animaux contrôle. Ce déficit de libération a persisté 72 heures après la fin du traitement, tandis qu'il n'était pas observé dans le cortex visuel primaire, une autre région corticale. En outre, le traitement avec des antipsychotiques, l'halopéridol ou l'olanzapine, a supprimé le déficit induit par la PCP. Le même déficit de libération a été remarqué sur des synaptosomes obtenus à partir du cpf des animaux traités à la phenryclidine. Cette observation indique que la PCP induit une modification plastique adaptative du mécanisme qui contrôle la libération du glutamate dans les terminaisons synaptiques. Nous avons découvert que cette modification implique la sous-régulation d'un NMDAR présynaptique, qui serait doué d'un rôle d'autorécepteur stimulateur de la libération du glutamate. Grâce à des tests comportementaux conduits en parallèle et réalisés pour évaluer la fonctionnalité du cpf, nous avons observé chez les souris traitées à la PCP une flexibilité comportementale réduite lors d'un test de discrimination de stimuli visuels/tactiles. Le déficit cognitif était encore présent 4 jours après la dernière administration de PCP. La technique de l'autoradiographie quantitative du [14C]2-deoxyglucose a permis d'associer ce déficit à une réduction de l'activité métabolique cérébrale pendant le déroulement du test, particulièrement au niveau du cpf. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que le blocage prolongé du NMDAR lors de l'administration répétée de PCP produit un déficit de libération du glutamate au niveau des terminaisons synaptiques excitatrices du cpf. Un tel déficit pourrait être provoqué par la sousrégulation d'un NMDAR présynaptique, qui aurait une fonction de stimulateur de libération; la transmission excitatrice du cpf s'en trouverait dans ce cas réduite. Ce résultat est en ligne avec l'activité métabolique et fonctionnelle réduite du cpf et l'observation de déficits cognitifs induits lors de l'administration de la PCP. ABSTRACT : Sub-chronic treatment with phencyclidine (PCP), an NMDA receptor (NMDAR) channel blocker, reproduces in rodents part of the symptomatology associated to schizophrenia in humans. Prolonged pharmacological blockade of NMDAR with PCP mimics NMDAR hypofunction, one of the main alterations thought to take place in the brains of schizophrenics. Our study was aimed at investigating the neurochemical, metabolic and behavioral consequences of repeated PCP administration in vivo, focusing on the functioning of the prefrontal cortex (pfc), a brain region highly relevant for the cognitive deficits observed in schizophrenic patients. Rats or mice received a daily administration of either PCP (5 mg/kg) or saline for 7 or 14 days. At least 24 hours after the last treatment the animals were sacrificed. Acute slices of the pfc were quickly prepared and challenged with high KCl to induce synaptic glutamate release. Pfc slices from PCP-treated animals released significantly less glutamate than slices from salinetreated animals. The deficit persisted 72 hours after the end of the treatment, while it was not observed in another cortical region: the primary visual cortex. Interestingly, treatment with antipsychotic drugs, either haloperidol or olanzapine, reverted the glutamate release defect induced by PCP treatment. The same release defect was observed in synaptosomes prepared from the pfc of PCP-treated animals, indicating that PCP induces a plastic adaptive change in the mechanism controlling glutamate release in the glutamatergic terminals. We discovered that such change most likely involves the down-regulation of a newly identified, pre-synaptic NMDAR with stimulatory auto-receptor function on glutamate release. In parallel sets of behavioral experiments challenging pfc function, mice sub-chronically treated with PCP displayed reduced behavioral flexibility (reversal learning) in a visual/tactile-cued discrimination task. The cognitive deficit was still evident 4 days after the last PCP administration and was associated to reduced brain metabolic activity during the performance of the behavioral task, notably in the pfc, as determined by [14C]2-deoxyglucose quantitative autoradiography. Clverall, our findings suggest that prolonged NMDAR blockade by repeated PCP administration results in a defect of glutamate release from excitatory afferents in the pfc, possibly ascribed to down-regulation of apre-synaptic stimulatory NMDAR. Deficient excitatory neurotransmission in the pfc is consistent with the reduced metabolic and functional activation of this area and the observed PCP-induced cognitive deficits.

Net increase of lactate and glutamate concentration in activated human visual cortex detected with magnetic resonance spectroscopy at 7 tesla.

After the landmark studies reporting changes in the cerebral metabolic rate of glucose (CMRGlc ) in excess of those in oxygen (CMRO2 ) during physiological stimulation, several studies have examined the fate of the extra carbon taken up by the brain, reporting a wide range of changes in brain lactate from 20% to 250%. The present study reports functional magnetic resonance spectroscopy measurements at 7 Tesla using the enhanced sensitivity to study a small cohort (n = 6). Small increases in lactate (19% ± 4%, P < 0.05) and glutamate (4% ± 1%, P < 0.001) were seen within the first 2 min of activation. With the exception of glucose (12% ± 5%, P < 0.001), no other metabolite concentration changes beyond experimental error were significantly observed. Therefore, the present study confirms that lactate and glutamate changes during physiological stimulation are small (i.e. below 20%) and shows that the increased sensitivity allows reproduction of previous results with fewer subjects. In addition, the initial rate of glutamate and lactate concentration increases implies an increase in CMRO2 that is slightly below that of CMRGlc during the first 1-2 min of activation.

Functional MRI Mapping of the Human Auditory Cortex

Mapping the human auditory cortex with standard functional imaging techniques is difficult because of its small size and angular position along the Sylvian fissure. As a result, the exact number and location of auditory cortex areas in the human remains unknown. In a first experiment, we measured the two largest tonotopic areas of primary auditory cortex (PAC, Al and R) using high-resolution functional MRI at 7 Tesla relative to the underlying anatomy of Heschl's gyrus (HG). The data reveals a clear anatomical- functional relationship that indicates the location of PAC across the range of common morphological variants of HG (single gyri, partial duplication and complete duplication). Human PAC tonotopic areas are oriented along an oblique posterior-to-anterior axis with mirror-symmetric frequency gradients perpendicular to HG, as in the macaque. In a second experiment, we tested whether these primary frequency-tuned units were modulated by selective attention to preferred vs. non-preferred sound frequencies in the dynamic manner needed to account for human listening abilities in noisy environments, such as cocktail parties or busy streets. We used a dual-stream selective attention experiment where subjects attended to one of two competing tonal streams presented simultaneously to different ears. Attention to low-frequency tones (250 Hz) enhanced neural responses within low-frequency-tuned voxels relative to high (4000 Hz), and vice versa when at-tention switched from high to low. Human PAC is able to tune into attended frequency channels and can switch frequencies on demand, like a radio. In a third experiment, we investigated repetition suppression effects to environmental sounds within primary and non-primary early-stage auditory areas, identified with the tonotopic mapping design. Repeated presentations of sounds from the same sources, as compared to different sources, gave repetition suppression effects within posterior and medial non-primary areas of the right hemisphere, reflecting their potential involvement in semantic representations. These three studies were conducted at 7 Tesla with high-resolution imaging. However, 7 Tesla scanners are, for the moment, not yet used for clinical diagnosis and mostly reside in institutions external to hospitals. Thus, hospital-based clinical functional and structural studies are mainly performed using lower field systems (1.5 or 3 Tesla). In a fourth experiment, we acquired tonotopic maps at 3 and 7 Tesla and evaluated the consistency of a tonotopic mapping paradigm between scanners. Mirror-symmetric gradients within PAC were highly similar at 7 and 3 Tesla across renderings at different spatial resolutions. We concluded that the tonotopic mapping paradigm is robust and suitable for definition of primary tonotopic areas, also at 3 Tesla. Finally, in a fifth study, we considered whether focal brain lesions alter tonotopic representations in the intact ipsi- and contralesional primary auditory cortex in three patients with hemispheric or cerebellar lesions, without and with auditory complaints. We found evidence for tonotopic reorganisation at the level of the primary auditory cortex in cases of brain lesions independently of auditory complaints. Overall, these results reflect a certain degree of plasticity within primary auditory cortex in different populations of subjects, assessed at different field strengths. - La cartographie du cortex auditif chez l'humain est difficile à réaliser avec des techniques d'imagerie fonctionnelle standard, étant donné sa petite taille et position angulaire le long de la fissure sylvienne. En conséquence, le nombre et l'emplacement exacts des différentes aires du cortex auditif restent inconnus chez l'homme. Lors d'une première expérience, nous avons mesuré, avec de l'imagerie par résonance magnétique à haute intensité (IRMf à 7 Tesla) chez des sujets humains sains, deux larges aires au sein du cortex auditif primaire (PAC; Al et R) avec une représentation spécifique des fréquences pures préférées - ou tonotopie. Nos résultats ont démontré une relation anatomico- fonctionnelle qui définit clairement la position du PAC à travers toutes les variantes du gyrus d'Heschl's (HG). Les aires tonotopiques du PAC humain sont orientées le long d'un axe postéro-antérieur oblique avec des gradients de fréquences spécifiques perpendiculaires à HG, d'une manière similaire à celles mesurées chez le singe. Dans une deuxième expérience, nous avons testé si ces aires primaires pouvaient être modulées, de façon dynamique, par une attention sélective pour des fréquences préférées par rapport à celles non-préférées. Cette modulation est primordiale lors d'interactions sociales chez l'humain en présence de bruits distracteurs tels que d'autres discussions ou un environnement sonore nuisible (comme par exemple, dans la circulation routière). Dans cette étude, nous avons utilisé une expérience d'attention sélective où le sujet devait être attentif à une des deux voies sonores présentées simultanément à chaque oreille. Lorsque le sujet portait était attentif aux sons de basses fréquences (250 Hz), la réponse neuronale relative à ces fréquences augmentait par rapport à celle des hautes fréquences (4000 Hz), et vice versa lorsque l'attention passait des hautes aux basses fréquences. De ce fait, nous pouvons dire que PAC est capable de focaliser sur la fréquence attendue et de changer de canal selon la demande, comme une radio. Lors d'une troisième expérience, nous avons étudié les effets de suppression due à la répétition de sons environnementaux dans les aires auditives primaires et non-primaires, d'abord identifiées via le protocole de la première étude. La présentation répétée de sons provenant de la même source sonore, par rapport à de sons de différentes sources sonores, a induit un effet de suppression dans les aires postérieures et médiales auditives non-primaires de l'hémisphère droite, reflétant une implication de ces aires dans la représentation de la catégorie sémantique. Ces trois études ont été réalisées avec de l'imagerie à haute résolution à 7 Tesla. Cependant, les scanners 7 Tesla ne sont pour le moment utilisés que pour de la recherche fondamentale, principalement dans des institutions externes, parfois proches du patient mais pas directement à son chevet. L'imagerie fonctionnelle et structurelle clinique se fait actuellement principalement avec des infrastructures cliniques à 1.5 ou 3 Tesla. Dans le cadre dune quatrième expérience, nous avons avons évalués la cohérence du paradigme de cartographie tonotopique à travers différents scanners (3 et 7 Tesla) chez les mêmes sujets. Nos résultats démontrent des gradients de fréquences définissant PAC très similaires à 3 et 7 Tesla. De ce fait, notre paradigme de définition des aires primaires auditives est robuste et applicable cliniquement. Finalement, nous avons évalués l'impact de lésions focales sur les représentations tonotopiques des aires auditives primaires des hémisphères intactes contralésionales et ipsilésionales chez trois patients avec des lésions hémisphériques ou cérébélleuses avec ou sans plaintes auditives. Nous avons trouvé l'évidence d'une certaine réorganisation des représentations topographiques au niveau de PAC dans le cas de lésions cérébrales indépendamment des plaintes auditives. En conclusion, nos résultats démontrent une certaine plasticité du cortex auditif primaire avec différentes populations de sujets et différents champs magnétiques.

Tau hyperphosphorylation and increased BACE1 and RAGE levels in the cortex of PPARβ/δ-null mice.

The role of peroxisome proliferator activator receptor (PPAR)β/δ in the pathogenesis of Alzheimer's disease has only recently been explored through the use of PPARβ/δ agonists. Here we evaluated the effects of PPARβ/δ deficiency on the amyloidogenic pathway and tau hyperphosphorylation. PPARβ/δ-null mice showed cognitive impairment in the object recognition task, accompanied by enhanced DNA-binding activity of NF-κB in the cortex and increased expression of IL-6. In addition, two NF-κB-target genes involved in β-amyloid (Aβ) synthesis and deposition, the β site APP cleaving enzyme 1 (Bace1) and the receptor for advanced glycation endproducts (Rage), respectively, increased in PPARβ/δ-null mice compared to wild type animals. The protein levels of glial fibrillary acidic protein (GFAP) increased in the cortex of PPARβ/δ-null mice, which would suggest the presence of astrogliosis. Finally, tau hyperphosphorylation at Ser199 and enhanced levels of PHF-tau were associated with increased levels of the tau kinases CDK5 and phospho-ERK1/2 in the cortex of PPARβ/δ(-/-) mice. Collectively, our findings indicate that PPARβ/δ deficiency results in cognitive impairment associated with enhanced inflammation, astrogliosis and tau hyperphosphorylation in the cortex.

Modulatory effects of 5Hz rTMS over the primary somatosensory cortex in focal dystonia--an fMRI-TMS study.

Dystonia is associated with impaired somatosensory ability. The electrophysiological method of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) can be used for noninvasive stimulation of the human cortex and can alter cortical excitability and associated behavior. Among others, rTMS can alter/improve somatosensory discrimation abilities, as shown in healthy controls. We applied 5Hz-rTMS over the left primary somatosensory cortex (S1) in 5 patients with right-sided writer's dystonia and 5 controls. We studied rTMS effects on tactile discrimination accuracy and concomitant rTMS-induced changes in hemodynamic activity measured by functional magnetic resonance imaging (fMRI). Before rTMS, patients performed worse on the discrimination task than controls even though fMRI showed greater task-related activation bilaterally in the basal ganglia (BG). In controls, rTMS led to improved discrimination; fMRI revealed this was associated with increased activity of the stimulated S1, bilateral premotor cortex and BG. In dystonia patients, rTMS had no effect on discrimination; fMRI showed similar cortical effects to controls except for no effects in BG. Improved discrimination after rTMS in controls is linked to enhanced activation of S1 and BG. Failure of rTMS to increase BG activation in dystonia may be associated with the lack of effect on sensory discrimination in this group and may reflect impaired processing in BG-S1 connections. Alternatively, the increased BG activation seen in the baseline state without rTMS may reflect a compensatory strategy that saturates a BG contribution to this task.

Interchange of callosal and association projections in the developing visual cortex.

Neurons projecting transitorily into the corpus callosum from area 17 of the cat were retrogradely labeled by the fluorescent tracer Fast Blue (FB) injected into contralateral areas 17 and 18 on postnatal days 1-5. During the second postnatal month these neurons were still labeled by the early injection, although they had eliminated their callosal axon. At this time, 15-20% of these neurons could be retrogradely relabeled by injections of Diamidino Yellow (DY) into ipsilateral areas 17 and 18, but few or none by similar injections in the other areas that receive from area 17 (19, 21a, PMLS, 20a, 20b, DLS). Similarly, area 17 neurons projecting transitorily to contralateral area PMLS during the first postnatal week could be relabeled by DY injections in ipsilateral areas 17 and 18 but not in PMLS. Already around birth, many transitorily callosal neurons in area 17 send bifurcating axons both to contralateral areas 17 and 18 and ipsilateral area 18. It is probable that during postnatal development some of these neurons selectively eliminate their callosal axon collaterals and maintain the projection to ipsilateral area 18. In fact, some transitorily callosal neurons in area 17 can be double-labeled by simultaneous perinatal injections of FB in contralateral areas 17 and 18 and of a new long-lasting retrograde tracer, rhodamine-conjugated latex microspheres, in ipsilateral area 18. The same neurons can then be relabeled by reinjecting ipsilateral area 18 with DY during the second postnatal month. This finding, however, does not exclude the possibility that some transitorily callosal neurons send an axon to ipsilateral area 18 after eliminating their callosal axon. In conclusion, area 17 neurons that project transitorily through the corpus callosum later participate, probably permanently, in ipsilateral corticocortical projections but selectively to areas 17-18. The mechanism responsible for this selectivity is unknown, but it may be related to the differential radial distribution (i.e., to birth date) of area 17 neurons engaged in the various corticocortical projections. The problems raised by the use of long-lasting retrograde fluorescent tracers in neurodevelopmental studies and by the quantification of results of double- and triple-labeling paradigms are also discussed.

Differential distribution of tau proteins in developing cat cerebral cortex and corpus callosum.

During the postnatal development of cat visual cortex and corpus callosum the molecular composition of tau proteins varied with age. In both structures, they changed between postnatal days 19 and 39 from a set of two juvenile forms to a set of at least two adult variants with higher molecular weights. During the first postnatal week, tau proteins were detectable with TAU-1 antibody in axons of corpus callosum and visual cortex, and in some perikarya and dendrites in the visual cortex. At later ages, tau proteins were located exclusively within axons in all cortical layers and in the corpus callosum. Dephosphorylation of postnatal day 11 cortical tissue by alkaline phosphatase strongly increased tau protein immunoreactivity on Western blots and in numerous perikarya and dendrites in all cortical layers, in sections, suggesting that some tau forms had been unmasked. During postnatal development the intensity of this phosphate-dependent somatodendritic staining decreased, but remained in a few neurons in cortical layers II and III. On blots, the immunoreactivity of adult tau to TAU-1 was only marginally increased by dephosphorylation. Other tau antibodies (TAU-2, B19 and BR133) recognized two juvenile and two adult cat tau proteins on blots, and localized tau in axons or perikarya and dendrites in tissue untreated with alkaline phosphatase. Tau proteins in mature tissue were soluble and not associated with detergent-resistant structures. Furthermore, dephosphorylation by alkaline phosphatase resulted in the appearance of more tau proteins in soluble fractions. Therefore tau proteins seem to alter their degree of phosphorylation during development. This could affect microtubule stability as well as influence axonal and dendritic differentiation.

Control of pancreatic β-cell mass and function by gluco-incretin hormones : identification of novel regulatory mechanisms for the treatment of diabetes

Summary : Control of pancreatic ß-cell mass and function by gluco-incretin hormones: Identification of novel regulatory mechanisms for the treatment of diabetes The ß-cells of islets of Langerhans secrete insulin to reduce hyperglycemia. The number of pancreatic islet ß-cells and their capacity to secrete insulin is modulated in normal physiological conditions to respond to the metabolic demand of the organism. A failure of the endocrine pancreas to maintain an adequate insulin secretory capacity due to a reduced ß-cell number and function underlies the pathogenesis of both type 1 and type 2 diabetes. The molecular mechanisms controlling the glucose competence of mature ß-cells, i.e., the magnitude of their insulin secretion response to glucose, ß-cell replication, their differentiation from precursor cells and protection against apoptosis are poorly understood. To investigate these mechanisms, we studied the effects on ß-cells of the gluco-incretin hormones, glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP) and glucagon-like peptide-1 (GLP-1) which are secreted by intestinal endocrine cells after food intake. Besides acutely potentiating glucose-stimulated insulin secretion, these hormones induce ß-cell differentiation from precursor cells, stimulate mature ß-cell replication, and protect them against apoptosis. Therefore, understanding the molecular basis for gluco-incretin action may lead to the uncovering of novel ß-cell regulatory events with potential application for the treatment or prevention of diabetes. Islets from mice with inactivation of both GIP and GLP-1 receptor genes (dK0) present a defect in glucose-induced insulin secretion and are more sensitive than control islets to cytokine-induced apoptosis. To search for regulatory genes, that may control both glucose competence and protection against apoptosis, we performed comparative transcriptomic analysis of islets from control and dK0 mice. We found a strong down-regulation of the IGF1 Rexpression in dK0 islets. We demonstrated in both a mouse insulin-secreting cell line and primary islets, that GLP-1 stimulated IGF-1R expression and signaling. Importantly, GLP-1induced IGF-1R-dependent Akt phosphorylation required active secretion, indicating the presence of an autocrine activation mechanism. We further showed that activation of IGF-1R signaling was dependent on the secretion of IGF-2 and IGF-2 expression was regulated by nutrients. Finally, we demonstrated that the IGF-Z/IGF-1R autocrine loop was required for GLP-1 i) to protect ß-cells against cytokine-induced apoptosis, ii) to enhance their glucose competence and iii) to increase ß-cell proliferation. Résumé : Contrôle de la masse des cellules ß pancréatiques et de leur fonction par les hormones glucoincrétines: Identification de nouveaux mécanismes régulateurs pour le traitement du diabète Les cellules ß des îlots de Langerhans sécrètent l'insuline pour diminuer l'hyperglycémie. Le nombre de cellules ß et leur capacité à sécréter l'insuline sont modulés dans les conditions physiologiques normales pour répondre à la demande métabolique de l'organisme. Un échec du pancréas endocrine à maintenir sa capacité sécrétoire d'insuline dû à une diminution du nombre et de la fonction des cellules ß conduit au diabète de type 1 et de type 2. Les mécanismes moléculaires contrôlant la compétence au glucose des cellules ß matures, tels que, l'augmentation de la sécrétion d'insuline en réponse au glucose, la réplication des cellules ß, leur différentiation à partir de cellules précurseurs et la protection contre l'apoptose sont encore peu connus. Afin d'examiner ces mécanismes, nous avons étudié les effets sur les cellules ß des hormones gluco-incrétines, glucose-dépendent insulinotropic polypeptide (G1P) et glucagon-like peptide-1 (GLP-1) qui sont sécrétées par les cellules endocrines de l'intestin après la prise alimentaire. En plus de potentialiser la sécrétion d'insuline induite par le glucose, ces hormones induisent la différentiation de cellules ß à partir de cellules précurseurs, stimulent leur prolifération et les protègent contre l'apoptose. Par conséquent, comprendre les mécanismes d'action des gluco-incrétines permettrait de découvrir de nouveaux processus régulant les cellules ß avec d'éventuelles applications dans le traitement ou la prévention du diabète. Les îlots de souris ayant une double inactivation des gènes pour les récepteurs du GIP et du GLP-1 (dK0) présentent un défaut de sécrétion d'insuline stimulée par le glucose et une sensibilité accrue à l'apoptose induite par les cytokines. Afin de déterminer les gènes régulés, qui pourraient contrôler à la fois la compétence au glucose et la protection contre l'apoptose, nous avons effectué une analyse comparative transcriptomique sur des îlots de souris contrôles et dKO. Nous avons constaté une forte diminution de l'expression d'IGF-1R dans les îlots dKO. Nous avons démontré, à la fois dans une lignée cellulaire murine sécrétant l'insuline et dans îlots primaires, que le GLP-1 stimulait l'expression d'IGF-1R et sa voie de signalisation. Par ailleurs, la phosphorylation d'Akt dépendante d'IGF1-R induite parle GLP-1 nécessite une sécrétion active, indiquant la présence d'un mécanisme d'activation autocrine. Nous avons ensuite montré que l'activation de la voie de signalisation d'IGF-1R était dépendante de la sécrétion d'IGF-2, dont l'expression est régulée par les nutriments. Finalement, nous avons démontré que la boucle autocrine IGF-2/IGF-1R est nécessaire pour le GLP-1 i) pour protéger les cellules ß contre l'apoptose induite par les cytokines, ii) pour améliorer la compétence au glucose et iii) pour augmenter la prolifération des cellules ß. Résumé tout public : Contrôle de la masse des cellules ß pancréatiques et de leur fonction par les hormones gluco-incrétines: Identification de nouveaux mécanismes régulateurs pour le traitement du diabète Chez les mammifères, la concentration de glucose sanguine (glycémie) est régulée et maintenue à une valeur relativement constante d'environ 5 mM. Cette régulation est principalement contrôlée par 2 hormones produites par les îlots pancréatiques de Langerhans: l'insuline sécrétée par les cellules ß et le glucagon sécrété par les cellules a. A la suite d'un repas, l'augmentation de la glycémie entraîne la sécrétion d'insuline ce qui permet le stockage du glucose dans le foie, les muscles et le tissu adipeux afin de diminuer le taux de glucose circulant. Lors d'un jeûne, la diminution de la glycémie permet la sécrétion de glucagon favorisant alors la production de glucose par le foie, normalisant ainsi la glycémie. Le nombre de cellules ß et leur capacité sécrétoire s'adaptent aux variations de la demande métabolique pour assurer une normoglycémie. Une destruction complète ou partielle des cellules ß conduit respectivement au diabète de type 1 et de type 2. Bien que l'augmentation de la glycémie soit le facteur stimulant de la sécrétion d'insuline, des hormones gluco-incrétines, principalement le GLP-1 (glucagon-like peptide-1) et le GIP (glucose-dependent insulinotropic polypeptide) sont libérées par l'intestin en réponse aux nutriments (glucose, acides gras) et agissent au niveau des cellules ß, potentialisant la sécrétion d'insuline induite par le glucose, stimulant leur prolifération, induisant la différentiation de cellules précurseurs en cellules ß matures et les protègent contre la mort cellulaire (apoptose). Afin d'étudier plus en détail ces mécanismes, nous avons généré des souris déficientes pour les récepteurs du GIP et du GLP-l. Les îlots pancréatiques de ces souris présentent un défaut de sécrétion d'insuline stimulée par le glucose et une sensibilité accrue à l'apoptose par rapport aux îlots de souris contrôles. Nous avons donc cherché les gènes régulés pas ces hormones contrôlant la sécrétion d'insuline et la protection contre l'apoptose. Nous avons constaté une forte diminution de l'expression du récepteur à l'IGF-1 (IGF-1R) dans les îlots de souris déficientes pour les récepteurs des gluco-incrétines. Nous avons démontré dans un model de cellules ß en culture et d'îlots que le GLP-1 augmentait l'expression d'IGF-1R et la sécrétion de son ligand (IGF-2) permettant l'activation de la voie de signalisation. Finalement, nous avons montré que l'activation de la boucle IGF-2/IGF-1R induite par le GLP-1 était nécessaire pour la protection contre l'apoptose, l'augmentation de la sécrétion et la prolifération des cellules ß.