Distinct contributions of Brodmann areas 1 and 2 to body ownership.

Although body ownership-i.e. the feeling that our bodies belong to us-modulates activity within the primary somatosensory cortex (S1), it is still unknown whether this modulation occurs within a somatotopically defined portion of S1. We induced an illusory feeling of ownership for another person's finger by asking participants to hold their palm against another person's palm and to stroke the two joined index fingers with the index and thumb of their other hand. This illusion (numbness illusion) does not occur if the stroking is performed asynchronously or by the other person. We combined this somatosensory paradigm with ultra-high field functional magnetic resonance imaging finger mapping to study whether illusory body ownership modulates activity within different finger-specific areas of S1. The results revealed that the numbness illusion is associated with activity in Brodmann area (BA) 1 within the representation of the finger stroking the other person's finger and in BA 2 contralateral to the stroked finger. These results show that changes in bodily experience modulate the activity within certain subregions of S1, with a different finger-topographical selectivity between the representations of the stroking and of the stroked hand, and reveal that the high degree of somatosensory specialization in S1 extends to bodily self-consciousness.

The natural hallucinogen 5-MeO-DMT, component of Ayahuasca, disrupts cortical function in rats: reversal by antipsychotic drugs

5-Methoxy-N,N-dimethyltryptamine (5-MeO-DMT) is a natural hallucinogen component of Ayahuasca, an Amazonian beverage traditionally used for ritual, religious and healing purposes that is being increasingly used for recreational purposes in US and Europe. 5MeO-DMT is of potential interest for schizophrenia research owing to its hallucinogenic properties. Two other psychotomimetic agents, phencyclidine and 2,5-dimethoxy-4-iodo-phenylisopropylamine (DOI), markedly disrupt neuronal activity and reduce the power of low frequency cortical oscillations (<4 Hz, LFCO) in rodent medial prefrontal cortex (mPFC). Here we examined the effect of 5-MeO-DMT on cortical function and its potential reversal by antipsychotic drugs. Moreover, regional brain activity was assessed by blood-oxygen level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI). 5-MeO-DMT disrupted mPFC activity, increasing and decreasing the discharge of 51 and 35% of the recorded pyramidal neurons, and reducing (−31%) the power of LFCO. The latter effect depended on 5-HT1A and 5-HT2A receptor activation and was reversed by haloperidol, clozapine, risperidone, and the mGlu2/3 agonist LY379268. Likewise, 5-MeO-DMT decreased BOLD responses in visual cortex (V1) and mPFC. The disruption of cortical activity induced by 5-MeO-DMT resembles that produced by phencyclidine and DOI. This, together with the reversal by antipsychotic drugs, suggests that the observed cortical alterations are related to the psychotomimetic action of 5-MeO-DMT. Overall, the present model may help to understand the neurobiological basis of hallucinations and to identify new targets in antipsychotic drug development.

Neural mechanisms underlying conscious and unconscious vision. Evidence from event-related potentials and transcranial magnetic stimulation

Vision affords us with the ability to consciously see, and use this information in our behavior. While research has produced a detailed account of the function of the visual system, the neural processes that underlie conscious vision are still debated. One of the aims of the present thesis was to examine the time-course of the neuroelectrical processes that correlate with conscious vision. The second aim was to study the neural basis of unconscious vision, that is, situations where a stimulus that is not consciously perceived nevertheless influences behavior. According to current prevalent models of conscious vision, the activation of visual cortical areas is not, as such, sufficient for consciousness to emerge, although it might be sufficient for unconscious vision. Conscious vision is assumed to require reciprocal communication between cortical areas, but views differ substantially on the extent of this recurrent communication. Visual consciousness has been proposed to emerge from recurrent neural interactions within the visual system, while other models claim that more widespread cortical activation is needed for consciousness. Studies I-III compared models of conscious vision by studying event-related potentials (ERP). ERPs represent the brain’s average electrical response to stimulation. The results support the model that associates conscious vision with activity localized in the ventral visual cortex. The timing of this activity corresponds to an intermediate stage in visual processing. Earlier stages of visual processing may influence what becomes conscious, although these processes do not directly enable visual consciousness. Late processing stages, when more widespread cortical areas are activated, reflect the access to and manipulation of contents of consciousness. Studies IV and V concentrated on unconscious vision. By using transcranial magnetic stimulation (TMS) we show that when early visual cortical processing is disturbed so that subjects fail to consciously perceive visual stimuli, they may nevertheless guess (above chance-level) the location where the visual stimuli were presented. However, the results also suggest that in a similar situation, early visual cortex is necessary for both conscious and unconscious perception of chromatic information (i.e. color). Chromatic information that remains unconscious may influence behavioral responses when activity in visual cortex is not disturbed by TMS. Our results support the view that early stimulus-driven (feedforward) activation may be sufficient for unconscious processing. In conclusion, the results of this thesis support the view that conscious vision is enabled by a series of processing stages. The processes that most closely correlate with conscious vision take place in the ventral visual cortex ~200 ms after stimulus presentation, although preceding time-periods and contributions from other cortical areas such as the parietal cortex are also indispensable. Unconscious vision relies on intact early visual activation, although the location of visual stimulus may be unconsciously resolved even when activity in the early visual cortex is interfered with.

Horizontal projections of area 17 in Cebus monkeys: metric features, and modular and laminar distribution

Metric features and modular and laminar distributions of intrinsic projections of area 17 were studied in Cebus apella. Anterogradely and retrogradely labeled cell appendages were obtained using both saturated pellets and iontophoretic injections of biocytin into the operculum. Laminar and modular distributions of the labeled processes were analyzed using Nissl counterstaining, and/or cytochrome oxidase and/or NADPH-diaphorase histochemistry. We distinguished three labeled cell types: pyramidal, star pyramidal and stellate cells located in supragranular cortical layers (principally in layers IIIa, IIIb a, IIIb ß and IIIc). Three distinct axon terminal morphologies were found, i.e., Ia, Ib and II located in granular and supragranular layers. Both complete and partial segregation of group I axon terminals relative to the limits of the blobs of V1 were found. The results are compatible with recent evidence of incomplete segregation of visual information flow in V1 of Old and New World primates

JNK regulates dendrite and spine architecture in the central nervous system influencing spatial learning and motor tasks

JNK1 is a MAP-kinase that has proven a significant player in the central nervous system. It regulates brain development and the maintenance of dendrites and axons. Several novel phosphorylation targets of JNK1 were identified in a screen performed in the Coffey lab. These proteins were mainly involved in the regulation of neuronal cytoskeleton, influencing the dynamics and stability of microtubules and actin. These structural proteins form the dynamic backbone for the elaborate architecture of the dendritic tree of a neuron. The initiation and branching of the dendrites requires a dynamic interplay between the cytoskeletal building blocks. Both microtubules and actin are decorated by associated proteins which regulate their dynamics. The dendrite-specific, high molecular weight microtubule associated protein 2 (MAP2) is an abundant protein in the brain, the binding of which stabilizes microtubules and influences their bundling. Its expression in non-neuronal cells induces the formation of neurite-like processes from the cell body, and its function is highly regulated by phosphorylation. JNK1 was shown to phosphorylate the proline-rich domain of MAP2 in vivo in a previous study performed in the group. Here we verify three threonine residues (T1619, T1622 and T1625) as JNK1 targets, the phosphorylation of which increases the binding of MAP2 to microtubules. This binding stabilizes the microtubules and increases process formation in non-neuronal cells. Phosphorylation-site mutants were engineered in the lab. The non-phosphorylatable mutant of MAP2 (MAP2- T1619A, T1622A, T1625A) in these residues fails to bind microtubules, while the pseudo-phosphorylated form, MAP2- T1619D, T1622D, Thr1625D, efficiently binds and induces process formation even without the presence of active JNK1. Ectopic expression of the MAP2- T1619D, T1622D, Thr1625D in vivo in mouse brain led to a striking increase in the branching of cortical layer 2/3 (L2/3) pyramidal neurons, compared to MAP2-WT. The dendritic complexity defines the receptive field of a neuron and dictates the output to the postsynaptic cells. Previous studies in the group indicated altered dendrite architecture of the pyramidal neurons in the Jnk1-/- mouse motor cortex. Here, we used Lucifer Yellow loading and Sholl analysis of neurons in order to study the dendritic branching in more detail. We report a striking, opposing effect in the absence of Jnk1 in the cortical layers 2/3 and 5 of the primary motor cortex. The basal dendrites of pyramidal neurons close to the pial surface at L2/3 show a reduced complexity. In contrast, the L5 neurons, which receive massive input from the L2/3 neurons, show greatly increased branching. Another novel substrate identified for JNK1 was MARCKSL1, a protein that regulates actin dynamics. It is highly expressed in neurons, but also in various cancer tissues. Three phosphorylation target residues for JNK1 were identified, and it was demonstrated that their phosphorylation reduces actin turnover and retards migration of these cells. Actin is the main cytoskeletal component in dendritic spines, the site of most excitatory synapses in pyramidal neurons. The density and gross morphology of the Lucifer Yellow filled dendrites were characterized and we show reduced density and altered morphology of spines in the motor cortex and in the hippocampal area CA3. The dynamic dendritic spines are widely considered to function as the cellular correlate during learning. We used a Morris water maze to test spatial memory. Here, the wild-type mice outperformed the knock-out mice during the acquisition phase of the experiment indicating impaired special memory. The L5 pyramidal neurons of the motor cortex project to the spinal cord and regulate the movement of distinct muscle groups. Thus the altered dendrite morphology in the motor cortex was expected to have an effect on the input-output balance in the signaling from the cortex to the lower motor circuits. A battery of behavioral tests were conducted for the wild-type and Jnk1-/- mice, and the knock-outs performed poorly compared to wild-type mice in tests assessing balance and fine motor movements. This study expands our knowledge of JNK1 as an important regulator of the dendritic fields of neurons and their manifestations in behavior.

Increased coherence among striatal regions in the theta range during attentive wakefulness

The striatum, the largest component of the basal ganglia, is usually subdivided into associative, motor and limbic components. However, the electrophysiological interactions between these three subsystems during behavior remain largely unknown. We hypothesized that the striatum might be particularly active during exploratory behavior, which is presumably associated with increased attention. We investigated the modulation of local field potentials (LFPs) in the striatum during attentive wakefulness in freely moving rats. To this end, we implanted microelectrodes into different parts of the striatum of Wistar rats, as well as into the motor, associative and limbic cortices. We then used electromyograms to identify motor activity and analyzed the instantaneous frequency, power spectra and partial directed coherence during exploratory behavior. We observed fine modulation in the theta frequency range of striatal LFPs in 92.5 ± 2.5% of all epochs of exploratory behavior. Concomitantly, the theta power spectrum increased in all striatal channels (P < 0.001), and coherence analysis revealed strong connectivity (coefficients >0.7) between the primary motor cortex and the rostral part of the caudatoputamen nucleus, as well as among all striatal channels (P < 0.001). Conclusively, we observed a pattern of strong theta band activation in the entire striatum during attentive wakefulness, as well as a strong coherence between the motor cortex and the entire striatum. We suggest that this activation reflects the integration of motor, cognitive and limbic systems during attentive wakefulness.

GABA-induced inactivation of Cebus apella V2 neurons: effects on orientation tuning and direction selectivity

We investigated the GABA-induced inactivation of V2 neurons and terminals on the receptive field properties of this area in an anesthetized and paralyzedCebus apella monkey. Extracellular single-unit activity was recorded using tungsten microelectrodes in a monkey before and after pressure-injection of a 0.25 or 0.5 M GABA solution. The visual stimulus consisted of a bar moving in 8 possible directions. In total, 24 V2 neurons were studied before and after blocker injections in 4 experimental sessions following GABA injection into area V2. A group of 10 neurons were studied over a short period. An additional 6 neurons were investigated over a long period after the GABA injection. A third group of 8 neurons were studied over a very long period. Overall, these 24 neurons displayed an early (1-20 min) significant general decrease in excitability with concomitant changes in orientation or direction selectivity. GABA inactivation in area V2 produced robust inhibition in 80% and a significant change in directional selectivity in 60% of the neurons examined. These GABA projections are capable of modulating not only levels of spontaneous and driven activity of V2 neurons but also receptive field properties such as direction selectivity.

Virtaustehokkuuden parantaminen tuotannossa visuaalisen ohjauksen avulla

Yrityksen kilpailukyvyn turvaaminen muuttuvassa toimintaympäristössä on välttämätöntä. Lean-ajattelun avulla tuotantoyritysten on mahdollista toimia tehokkaammin parantamalla virtausta. Tämän työn tarkoituksena on parantaa kotimaisen elintarviketeollisuusyrityksen tuotannon sisäisten materiaalivirtojen tehokkuutta. Tavoitteena tutkimuksella on löytää nykyisistä materiaalivirroista kehittämiskohteita sekä rakentaa niihin ratkaisuja. Tätä kautta kohdeyritystä autetaan saavuttamaan tehokkaampi ja turvallisempi työympäristö. Tutkimuksessa käytettiin kvalitatiivista tutkimusmenetelmää. Teoriaosiossa tehtiin kirjallisuuskatsaus lean-ajatteluun sekä visuaaliseen ohjaukseen. Teoriasta saatiin menetelmät materiaalivirtojen analysointiin sekä toiminnan kehittämiseen. Empiirisessä osiossa tietoa kerättiin tuotannon henkilöstön haastatteluilla sekä havainnoimalla työntekoa tuotannossa materiaalivirtojen kuvaamiseksi. Kuvausten perusteella paikallistettiin materiaalivirroista hukkia, joiden vähentämiseksi luotiin virtaustehokkuutta parantavia kehitysehdotuksia. Virtaustehokkuuden parantamisessa käytettiin hyödyksi materiaalitarpeesta ilmoittavaa andon-järjestelmää, joka kuuluu visuaalisen ohjauksen menetelmiin. Tämän lisäksi käytettiin kohdeyrityksellä jo käytössä olevaa 5S-menetelmää. Näiden menetelmien tehokas hyödyntäminen edellyttää kuitenkin lean-ajattelun periaatteiden mukaisia muutoksia työskentelytapoihin, materiaalien varastopaikkoihin sekä tuotannossa toimiviin osastoihin.

Les mécanismes endogènes de modulation de la douleur et leur dysfonction dans le syndrome de l'intestin irritable

La douleur est une expérience subjective multidimensionnelle accompagnée de réponses physiologiques. Ces dernières sont régulées par des processus cérébraux qui jouent un rôle important dans la modulation spinale et cérébrale de la douleur. Cependant, les mécanismes de cette régulation sont encore mal définis et il est essentiel de bien les comprendre pour mieux traiter la douleur. Les quatre études de cette thèse avaient donc comme objectif de préciser les mécanismes endogènes de modulation de la douleur par la contreirritation (inhibition de la douleur par une autre douleur) et d’investiguer la dysfonction de ces mécanismes chez des femmes souffrant du syndrome de l’intestin irritable (Sii). Dans un premier temps, un modèle expérimental a été développé pour mesurer l’activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle concurremment à l’enregistrement du réflexe nociceptif de flexion (RIII : index de nociception spinale) et des réponses de conductance électrodermale (SCR : index d’activation sympathique) évoqués par des stimulations électriques douloureuses. La première étude indique que les différences individuelles d’activité cérébrale évoquée par les stimulations électriques dans les cortex orbitofrontal (OFC) et cingulaire sont associées aux différences individuelles de sensibilité à la douleur, de réactivité motrice (RIII) et de réactivité autonomique (SCR) chez des sujets sains. La deuxième étude montre que l’analgésie par contreirritation produite chez des sujets sains est accompagnée de l’inhibition de l’amygdale par OFC et d’une modulation du réflexe RIII par la substance grise périaqueducale (PAG) et le cortex somesthésique primaire (SI). Dans les troisième et quatrième études, il est montré que la contreirritation ne produit pas d’inhibition significative de la douleur et du réflexe RIII chez les patientes Sii en comparaison aux contrôles. De plus, les résultats indiquent que la sévérité des symptômes psychologiques est associée au déficit de modulation de la douleur et à une hypersensibilité diffuse chez les patientes Sii. Dans l’ensemble, cette thèse précise le rôle de certaines structures cérébrales dans les multiples composantes de la douleur et dans l’analgésie par contreirritation et montre que les patientes Sii présentent une dysfonction des mécanismes spinaux et cérébraux impliqués dans la perception et la modulation de la douleur.

Apprentissage de représentations sur-complètes par entraînement d’auto-encodeurs

Les avancés dans le domaine de l’intelligence artificielle, permettent à des systèmes informatiques de résoudre des tâches de plus en plus complexes liées par exemple à la vision, à la compréhension de signaux sonores ou au traitement de la langue. Parmi les modèles existants, on retrouve les Réseaux de Neurones Artificiels (RNA), dont la popularité a fait un grand bond en avant avec la découverte de Hinton et al. [22], soit l’utilisation de Machines de Boltzmann Restreintes (RBM) pour un pré-entraînement non-supervisé couche après couche, facilitant grandement l’entraînement supervisé du réseau à plusieurs couches cachées (DBN), entraînement qui s’avérait jusqu’alors très difficile à réussir. Depuis cette découverte, des chercheurs ont étudié l’efficacité de nouvelles stratégies de pré-entraînement, telles que l’empilement d’auto-encodeurs traditionnels(SAE) [5, 38], et l’empilement d’auto-encodeur débruiteur (SDAE) [44]. C’est dans ce contexte qu’a débuté la présente étude. Après un bref passage en revue des notions de base du domaine de l’apprentissage machine et des méthodes de pré-entraînement employées jusqu’à présent avec les modules RBM, AE et DAE, nous avons approfondi notre compréhension du pré-entraînement de type SDAE, exploré ses différentes propriétés et étudié des variantes de SDAE comme stratégie d’initialisation d’architecture profonde. Nous avons ainsi pu, entre autres choses, mettre en lumière l’influence du niveau de bruit, du nombre de couches et du nombre d’unités cachées sur l’erreur de généralisation du SDAE. Nous avons constaté une amélioration de la performance sur la tâche supervisée avec l’utilisation des bruits poivre et sel (PS) et gaussien (GS), bruits s’avérant mieux justifiés que celui utilisé jusqu’à présent, soit le masque à zéro (MN). De plus, nous avons démontré que la performance profitait d’une emphase imposée sur la reconstruction des données corrompues durant l’entraînement des différents DAE. Nos travaux ont aussi permis de révéler que le DAE était en mesure d’apprendre, sur des images naturelles, des filtres semblables à ceux retrouvés dans les cellules V1 du cortex visuel, soit des filtres détecteurs de bordures. Nous aurons par ailleurs pu montrer que les représentations apprises du SDAE, composées des caractéristiques ainsi extraites, s’avéraient fort utiles à l’apprentissage d’une machine à vecteurs de support (SVM) linéaire ou à noyau gaussien, améliorant grandement sa performance de généralisation. Aussi, nous aurons observé que similairement au DBN, et contrairement au SAE, le SDAE possédait une bonne capacité en tant que modèle générateur. Nous avons également ouvert la porte à de nouvelles stratégies de pré-entraînement et découvert le potentiel de l’une d’entre elles, soit l’empilement d’auto-encodeurs rebruiteurs (SRAE).

Mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la régulation du développement des circuits d’interneurones GABAergiques dans le néocortex : rôle de la molécule d’adhésion cellulaire neurale (NCAM)

Les interneurones GABAergiques constituent une population mineure de cellules par rapport aux neurones glutamatergiques dans le néocortex. Cependant ils contrôlent fortement l'excitabilité neuronale, la dynamique des réseaux neuronaux et la plasticité synaptique. L'importance des circuits GABAergiques dans le processus fonctionnel et la plasticité des réseaux corticaux est soulignée par des résultats récents qui montrent que des modifications très précises et fiables des circuits GABAergiques sont associées à divers troubles du développement neurologique et à des défauts dans les fonctions cérébrales. De ce fait, la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires impliquant le développement des circuits GABAergiques est la première étape vers une meilleure compréhension de la façon dont les anomalies de ces processus peuvent se produire. La molécule d’adhésion cellulaire neurale (NCAM) appartient à la super-famille des immunoglobulines de reconnaissance cellulaire et est impliquée dans des interactions homophiliques et hétérophiliques avec d’autres molécules. Même si plusieurs rôles de NCAM ont été démontrés dans la croissance neuronale, la fasciculation axonale, la formation et la maturation de synapses, de même que dans la plasticité cellulaire de plusieurs systèmes, le rôle de NCAM dans la formation des synapses GABAergiques reste inconnu. Ce projet visait donc à déterminer le rôle précis de NCAM dans le processus de maturation des synapses GABAergiques dans le néocortex, en modulant son expression à différentes étapes du développement. L’approche choisie a été de supprimer NCAM dans des cellules GABAergiques à paniers avant la maturation des synapses (EP12-18), pendant la maturation (EP16-24), ou durant le maintien de celles-ci (EP24-32). Les méthodes utilisées ont été le clonage moléculaire, l’imagerie confocale, la culture de coupes organotypiques et des techniques morphométriques de quantification de l’innervation GABAergique. Nos résultats montrent que l’inactivation de NCAM durant la phase de maturation des synapses périsomatiques (EP16-24) cause une réduction du nombre de synapses GABAergiques périsomatiques et du branchement de ces axones. En revanche, durant la phase de maintien (EP26-32), l’inactivation de NCAM n’a pas affecté ces paramètres des synapses GABAergiques. Or, il existe trois isoformes de NCAM (NCAM120, 140 et 180) qui pourraient jouer des rôles différents dans les divers types cellulaires ou à des stades développementaux différents. Nos données montrent que NCAM120 et 140 sont nécessaires à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Cependant, NCAM180, qui est l’isoforme la plus étudiée et caractérisée, ne semble pas être impliquée dans ce processus. De plus, l’inactivation de NCAM n’a pas affecté la densité des épines dendritiques ou leur longueur. Elle est donc spécifique aux synapses périsomatiques GABAeriques. Finalement, nos résultats suggèrent que le domaine conservé C-terminal KENESKA est essentiel à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Des expériences futures nous aiderons à mieux comprendre la mécanistique et les différentes voies de signalisation impliquées.

Un oeil sur la langue : aspects neuro-cognitifs du processus de la navigation chez l'aveugle-né

La vision est un élément très important pour la navigation en général. Grâce à des mécanismes compensatoires les aveugles de naissance ne sont pas handicapés dans leurs compétences spatio-cognitives, ni dans la formation de nouvelles cartes spatiales. Malgré l’essor des études sur la plasticité du cerveau et la navigation chez les aveugles, les substrats neuronaux compensatoires pour la préservation de cette fonction demeurent incompris. Nous avons démontré récemment (article 1) en utilisant une technique d’analyse volumétrique (Voxel-Based Morphometry) que les aveugles de naissance (AN) montrent une diminution de la partie postérieure de l’hippocampe droit, structure cérébrale importante dans la formation de cartes spatiales. Comment les AN forment-ils des cartes cognitives de leur environnement avec un hippocampe postérieur droit qui est significativement réduit ? Pour répondre à cette question nous avons choisi d’exploiter un appareil de substitution sensorielle qui pourrait potentiellement servir à la navigation chez les AN. Cet appareil d’affichage lingual (Tongue display unit -TDU-) retransmet l’information graphique issue d’une caméra sur la langue. Avant de demander à nos sujets de naviguer à l’aide du TDU, il était nécessaire de nous assurer qu’ils pouvaient « voir » des objets dans l’environnement grâce au TDU. Nous avons donc tout d’abord évalué l’acuité « visuo »-tactile (article 2) des sujets AN pour les comparer aux performances des voyants ayant les yeux bandées et munis du TDU. Ensuite les sujets ont appris à négocier un chemin à travers un parcours parsemé d’obstacles i (article 3). Leur tâche consistait à pointer vers (détection), et contourner (négociation) un passage autour des obstacles. Nous avons démontré que les sujets aveugles de naissance non seulement arrivaient à accomplir cette tâche, mais encore avaient une performance meilleure que celle des voyants aux yeux bandés, et ce, malgré l’atrophie structurelle de l’hippocampe postérieur droit, et un système visuel atrophié (Ptito et al., 2008). Pour déterminer quels sont les corrélats neuronaux de la navigation, nous avons créé des routes virtuelles envoyées sur la langue par le biais du TDU que les sujets devaient reconnaitre alors qu’ils étaient dans un scanneur IRMf (article 4). Nous démontrons grâce à ces techniques que les aveugles utilisent un autre réseau cortical impliqué dans la mémoire topographique que les voyants quand ils suivent des routes virtuelles sur la langue. Nous avons mis l’emphase sur des réseaux neuronaux connectant les cortex pariétaux et frontaux au lobe occipital puisque ces réseaux sont renforcés chez les aveugles de naissance. Ces résultats démontrent aussi que la langue peut être utilisée comme une porte d’entrée vers le cerveau en y acheminant des informations sur l’environnement visuel du sujet, lui permettant ainsi d’élaborer des stratégies d’évitement d’obstacles et de se mouvoir adéquatement.

Mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de l’acide polysialique (PSA) dans le néocortex visuel des souris durant la maturation des synapses GABAergiques

Le fonctionnement du cortex cérébral nécessite l’action coordonnée de deux des sous-types majeurs de neurones, soient les neurones à projections glutamatergiques et les interneurones GABAergiques. Les interneurones GABAergiques ne constituent que 20 à 30% des cellules corticales par rapport au grand nombre de neurones glutamatergiques. Leur rôle est toutefois prépondérant puisqu’ils modulent fortement la dynamique et la plasticité des réseaux néocorticaux. Il n’est donc pas surprenant que les altérations de développement des circuits GABAergiques soient associées à plusieurs maladies du cerveau, incluant l’épilepsie, le syndrome de Rett et la schizophrénie. La compréhension des mécanismes moléculaires régissant le développement des circuits GABAergiques est une étape essentielle menant vers une meilleure compréhension de la façon dont les anormalités se produisent. Conséquemment, nous nous intéressons au rôle de l’acide polysialique (PSA) dans le développement des synapses GABAergiques. PSA est un homopolymère de chaînons polysialylés en α-2,8, et est exclusivement lié à la molécule d’adhésion aux cellules neuronales (NCAM) dans les cerveaux de mammifères. PSA est impliqué dans plusieurs processus développementaux, y compris la formation et la plasticité des synapses glutamatergiques, mais son rôle dans les réseaux GABAergiques reste à préciser. Les données générées dans le laboratoire du Dr. Di Cristo démontrent que PSA est fortement exprimé post- natalement dans le néocortex des rongeurs, que son abondance diminue au cours du développement, et, faits importants, que son expression dépend de l’activité visuelle i et est inversement corrélée à la maturation des synapses GABAergiques. La présente propose de caractériser les mécanismes moléculaires régulant l’expression de PSA dans le néocortex visuel de la souris. Les enzymes polysialyltransférases ST8SiaII (STX) et ST8SiaIV (PST) sont responsables de la formation de la chaîne de PSA sur NCAM. En contrôlant ainsi la quantité de PSA sur NCAM, ils influenceraient le développement des synapses GABAergiques. Mon projet consiste à déterminer comment l’expression des polysialyltransférases est régulée dans le néocortex visuel des souris durant la période post-natale; ces données sont à la fois inconnues, et cruciales. Nous utilisons un système de cultures organotypiques dont la maturation des synapses GABAergiques est comparable au modèle in vivo. L’analyse de l’expression génique par qPCR a démontré que l’expression des polysialyltransférases diminue au cours du développement; une baisse majeure corrélant avec l’ouverture des yeux chez la souris. Nous avons de plus illustré pour la première fois que l’expression de STX, et non celle de PST, est activité-dépendante, et que ce processus requiert l’activation du récepteur NMDA, une augmentation du niveau de calcium intracellulaire et la protéine kinase C (PKC). Ces données démontrent que STX est l’enzyme régulant préférentiellement le niveau de PSA sur NCAM au cours de la période post-natale dans le cortex visuel des souris. Des données préliminaires d’un second volet de notre investigation suggèrent que l’acétylation des histones et la méthylation de l’ADN pourraient également contribuer à la régulation de la transcription de cette enzyme durant le développement. Plus d’investigations seront toutefois nécessaires afin de confirmer cette hypothèse. En somme, la connaissance des mécanismes par lesquels l’expression des ii polysialyltransférases est modulée est essentielle à la compréhension du processus de maturation des synapses GABAergiques. Ceci permettrait de moduler pharmacologiquement l’expression de ces enzymes; la sur-expression de STX et/ou PST pourrait produire une plus grande quantité de PSA, déstabiliser les synapses GABAergiques, et conséquemment, ré-induire la plasticité cérébrale.

Les habiletés olfactives des aveugles de naissance : organisation anatomo-fonctionnelle et aspects comportementaux

La littérature décrit certains phénomènes de réorganisation physiologique et fonctionnelle dans le cerveau des aveugles de naissance, notamment en ce qui a trait au traitement de l’information tactile et auditive. Cependant, le système olfactif des aveugles n’a reçu que très peu d’attention de la part des chercheurs. Le but de cette étude est donc de comprendre comment les aveugles traitent l’information olfactive au niveau comportemental et d’investiguer les substrats neuronaux impliqués dans ce processus. Puisque, en règle générale, les aveugles utilisent leurs sens résiduels de façon compensatoire et que le système olfactif est extrêmement plastique, des changements au niveau de l’organisation anatomo-fonctionnelle pourraient en résulter. Par le biais de méthodes psychophysiques et d’imagerie cérébrale (Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle-IRMf), nous avons investigué les substrats anatomo-fonctionnels sollicités par des stimuli olfactifs. Nous avons trouvé que les aveugles ont un seuil de détection plus bas que les voyants, mais que leur capacité à discriminer et identifier des odeurs est similaire au groupe contrôle. Ils ont aussi plus conscience de l’environnement olfactif. Les résultats d’imagerie révèlent un signal BOLD plus intense dans le cortex orbitofrontal droit, le thalamus, l’hippocampe droit et le cortex occipital lors de l’exécution d’une tâche de détection d’odeur. Nous concluons que les individus aveugles se fient d’avantage à leur sens de l’odorat que les voyants afin d’évoluer dans leur environnement physique et social. Cette étude démontre pour la première fois que le cortex visuel des aveugles peut être recruté par des stimuli olfactifs, ce qui prouve que cette région assume des fonctions multimodales.

Microstructural and metabolic changes in the brains of concussed athletes

Les commotions cérébrales ont longtemps été considérées comme une blessure ne comportant que peu ou pas de conséquences. Cependant, la mise à la retraite forcée de plusieurs athlètes de haut niveau, liée au fait d'avoir subi des commotions cérébrales multiples, a porté cette question au premier plan de la culture scientifique et sportive. Malgré la sensibilisation croissante du public et la compréhension scientifique accrue des commotions cérébrales, il reste encore beaucoup d’inconnus au sujet de ces blessures. En effet, il est difficile de comprendre comment cette atteinte peut avoir des effets si profonds malgré le fait qu’elle n’entraîne apparemment pas de conséquences physiques apparentes lorsque les techniques traditionnelles d’imagerie cérébrale sont utilisées. Les techniques de neuroimagerie fonctionnelle ont cependant contribué à répondre aux nombreuses questions entourant les conséquences des commotions cérébrales ainsi qu'à accroître la compréhension générale de la physiopathologie de commotions cérébrales. Bien que les techniques de base telles que l'imagerie structurelle comme les scans TC et IRM soient incapables de détecter des changements structurels dans la grande majorité des cas (Ellemberg, Henry, Macciocchi, Guskiewicz, & Broglio, 2009; Johnston, Ptito, Chankowsky, & Chen, 2001), d'autres techniques plus précises et plus sensibles ont été en mesure de détecter avec succès des changements dans le cerveau commotionné. Des études d’IRM fonctionelle ont entre autres établi une solide relation entre les altérations fonctionnelles et les symptômes post-commotionels (Chen, Johnston, Collie, McCrory, & Ptito, 2007; Chen et al., 2004; Chen, Johnston, Petrides, & Ptito, 2008; Fazio, Lovell, Pardini, & Collins, 2007). Les mesures électrophysiologiques telles que les potentiels évoqués cognitifs (ERP) (Gaetz, Goodman, & Weinberg, 2000; Gaetz & Weinberg, 2000; Theriault, De Beaumont, Gosselin, Filipinni, & Lassonde, 2009; Theriault, De Beaumont, Tremblay, Lassonde, & Jolicoeur, 2010) et la stimulation magnétique transcrânienne ou SMT (De Beaumont, Brisson, Lassonde, & Jolicoeur, 2007; De Beaumont, Lassonde, Leclerc, & Theoret, 2007; De Beaumont et al., 2009) ont systématiquement démontré des altérations fonctionnelles chez les athlètes commotionnés. Cependant, très peu de recherches ont tenté d'explorer davantage certaines conséquences spécifiques des commotions cérébrales, entre autres sur les plans structural et métabolique. La première étude de cette thèse a évalué les changements structurels chez les athlètes commotionnés à l’aide de l'imagerie en tenseur de diffusion (DTI) qui mesure la diffusion de l'eau dans la matière blanche, permettant ainsi de visualiser des altérations des fibres nerveuses. Nous avons comparé les athlètes commotionnés à des athlètes de contrôle non-commotionnés quelques jours après la commotion et de nouveau six mois plus tard. Nos résultats indiquent un patron constant de diffusion accrue le long des voies cortico-spinales et dans la partie du corps calleux reliant les régions motrices. De plus, ces changements étaient encore présents six mois après la commotion, ce qui suggère que les effets de la commotion cérébrale persistent bien après la phase aiguë. Les deuxième et troisième études ont employé la spectroscopie par résonance magnétique afin d'étudier les changements neurométaboliques qui se produisent dans le cerveau commotionné. La première de ces études a évalué les changements neurométaboliques, les aspects neuropsychologiques, et la symptomatologie dans la phase aiguë post-commotion. Bien que les tests neuropsychologiques aient été incapables de démontrer des différences entre les athlètes commotionnés et non-commotionnés, des altérations neurométaboliques ont été notées dans le cortex préfrontal dorsolatéral ainsi que dans le cortex moteur primaire, lesquelles se sont avérées corréler avec les symptômes rapportés. La deuxième de ces études a comparé les changements neurométaboliques immédiatement après une commotion cérébrale et de nouveau six mois après l’atteinte. Les résultats ont démontré des altérations dans le cortex préfrontal dorsolatéral et moteur primaire dans la phase aiguë post-traumatique, mais seules les altérations du cortex moteur primaire ont persisté six mois après la commotion. Ces résultats indiquent que les commotions cérébrales peuvent affecter les propriétés physiques du cerveau, spécialement au niveau moteur. Il importe donc de mener davantage de recherches afin de mieux caractériser les effets moteurs des commotions cérébrales sur le plan fonctionnel.