A quantitative study of the pathological changes in white matter in multiple system atrophy

The density and spatial distribution of the vacuoles, glial cell nuclei and glial cytoplasmic inclusions (GCI) were studied in the white matter of various cortical and subcortical areas in 10 cases of multiple system atrophy (MSA). Vacuolation was more prevalent in subcortical than cortical areas and especially in the central tegmental tract. Glial cell nuclei widespread in all areas of the white matter studied; overall densities of glial cell nuclei being significantly greater in the central tegmental tract and frontal cortex compared with areas of the pons. The GCI were present most consistently in the external and internal capsules, the central tegmental tract and the white matter of the cerebellar cortex. The density of the vacuoles was greater in the MSA brains than in the control brains but glial cell density was similar in both groups. In the majority of areas, the pathological changes were distributed across the white matter randomly, uniformly, or in large diffuse clusters. In most areas, there were no spatial correlations between the vacuoles, glial cell nuclei and GCI. These results suggest: (i) there is significant degeneration of the white matter in MSA characterized by vacuolation and GCI; (ii) the central tegmental tract is affected significantly more than the cortical tracts; (iii) pathological changes are diffusely rather than topographically distributed across the white matter; and (iv) the development of the vacuoles and GCI appear to be unrelated phenomena. © 2007 Japanese Society of Neuropathology.

Differences in the density and spatial distribution of florid and diffuse plaques in variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD)

Objective: To determine whether in cases of variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD), the florid-type plaques are derived from the diffuse plaques or whether the 2 plaque types develop independently. Material: Blocks of frontal, parietal, occipital and temporal neocortex and cerebellar cortex from 11 cases of vCJD. Method: The density, distribution and spatial pattern of the florid and diffuse plaques were determined in each brain region using spatial pattern analysis. Results: The density of the diffuse plaques was significantly greater than that of the florid plaques in most areas. The ratio of the diffuse to florid plaques varied between brain regions and was maximal in the molecular layer of the cerebellum. The densities of the florid and diffuse plaques were positively correlated in the parietal cortex, occipital cortex, the inferior temporal gyrus and the dentate gyrus. Plaque densities were not related to disease duration. In the cerebral cortex, the diffuse plaques were more commonly evenly distributed or occurred in large clusters along the cortex parallel to the pia mater compared with the florid plaques which occurred more frequently in regularly distributed clusters. Conclusion: The florid plaques may not be derived from the diffuse plaques, the 2 plaque types appearing to develop independently with unique factors involved in their pathogenesis.

Spatial pattern of prion protein deposits in patients with sporadic Creutzfeldt–Jakob disease

The spatial pattern of the prion protein (PrP) deposits was studied in the cerebral cortex and cerebellum in 10 patients with sporadic Creutzfeldt–Jakob disease (CJD). In all patients the PrP deposits were aggregated into clusters and, in 90% of cortical areas and in 50% of cerebellar sections, the clusters exhibited a regular periodicity parallel to the tissue boundary; a spatial pattern also exhibited by ß-amyloid (Aß) deposits in Alzheimer's disease (AD). In the cerebral cortex, the incidence of regular clustering of the PrP deposits was similar in the upper and lower cortical laminae. The sizes of the PrP clusters in the upper and lower cortex were uncorrelated. No significant differences in mean cluster size of the PrP deposits were observed between brain regions. The size, location and distribution of the PrP deposit clusters suggest that PrP deposition occurs in relation to specific anatomical pathways and supports the hypothesis that prion pathology spreads through the brain via such pathways. In addition, the data suggest that there are similarities in the pathogenesis of extracellular protein deposits in prion disease and in AD.

Neurite outgrowth by the alternatively spliced region of human tenascin-C is mediated by neuronal alpha7beta1 integrin

The region of tenascin-C containing only alternately spliced fibronectin type-III repeat D (fnD) increases neurite outgrowth by itself and also as part of tenascin-C. We previously localized the active site within fnD to an eight amino acid sequence unique to tenascin-C, VFDNFVLK, and showed that the amino acids FD and FV are required for activity. The purpose of this study was to identify the neuronal receptor that interacts with VFDNFVLK and to investigate the hypothesis that FD and FV are important for receptor binding. Function-blocking antibodies against both alpha7 and beta1 integrin subunits were found to abolish VFDNFVLK-mediated process extension from cerebellar granule neurons. VFDNFVLK but not its mutant, VSPNGSLK, induced clustering of neuronal beta1 integrin immunoreactivity. This strongly implicates FD and FV as important structural elements for receptor activation. Moreover, biochemical experiments revealed an association of the alpha7beta1 integrin with tenascin-C peptides containing the VFDNFVLK sequence but not with peptides with alterations in FD and/or FV. These findings are the first to provide evidence that the alpha7beta1 integrin mediates a response to tenascin-C and the first to demonstrate a functional role for the alpha7beta1 integrin receptor in CNS neurons.

An age-related increase in resistance to DNA damage-induced apoptotic cell death is associated with development of DNA repair mechanisms

Neurons in the developing brain die via apoptosis after DNA damage, while neurons in the adult brain are generally resistant to these insults. The basis for this resistance is a matter of conjecture. We report here that cerebellar granule neurons (CGNs) in culture lose their competence to die in response to DNA damage as a function of time in culture. CGNs at either 1 day in vitro (DIV) or 7 DIV were treated with the DNA damaging agents camptothecin, UV or gamma-irradiation and neuronal survival measured. The younger neurons were effectively killed by these agents, while the older neurons displayed a significant resistance to killing. Neuronal survival did not change with time in culture when cells were treated with C2-ceramide or staurosporine, agents which do not target DNA. The resistance to UV irradiation developed over time in culture and was not due to changes in mitotic rate. Increases in DNA strand breakage, up-regulation of the levels of both p53 and its phosphorylated form and nuclear translocation of p53 were equivalent in both older and younger neurons, indicating a comparable p53 stress response. In addition, we show that treatment of older neurons with pharmacological inhibitors of distinct components of the DNA repair machinery promotes the accumulation of DNA damage and sensitizes these cells to the toxic effects of UV exposure. These data demonstrate that older neurons appear to be more proficient in DNA repair in comparison to their younger counterparts, and that this leads to increased survival after DNA damage.

Characterisation of calcitonin generelated peptide (CGRP) and amylin receptors

The aims of this study were to examine the binding characteristics of the rat CGRP receptor and to further the classification of CGRP and amylin receptors in guinea-pig tissue preparations. Binding characteristics of CGRP were investigated on rat splenic, cerebellar and liver membrane preparations. Human-α-CGRP, rat-α-CGRP and the CGRP receptor analogues Tyrº -CGRPC28-37) and [Cys (ACM)2,7 ]-human CGRP and the CGRP receptor antagonist CGRPC8-37) were utilised in competitive radioligand binding experiments to identify possible CGRP receptor subtypes in these tissues. There appeared to be no significant differences between the rat CGRP receptors examined. A panel of monoclonal antibodies (Mabs) raised against CGRP were employed to investigate the structure-activity relationships of CGRP and its receptor. No differences between the tissue receptors were observed using this panel of Mabs. The effects of human-α, human-β, rat-α-CGRP, human and rat amylin and adrenomedullin(13-52) were examined on the spontaneously beating right atria and on electrically evoked twitch contractions of isolated guinea-pig ileum, vas deferens and left atria. All of the peptides caused concentration-dependent inhibition of twitch amplitude in the ileum and vas deferens. CGRP produced positive inotropic effects in the right and left atria and positive chronotropic effects in the right atria. A variety of CGRP receptor antagonists and putative amylin receptor antagonists were used to antagonise these effects. CGRP(8-37) is currently used as a basis for CGRP receptor classification (Dennis, et al., 1989). Based upon results obtained using CGRP(8-37) it has been shown that the guinea-pig ileum contains mainly CGRP 1 receptors and the vas deferens contain CGRP2 receptors. Amylin was shown to act at receptors distinct from those for CGRP and it is postulated that amylin has its own receptors in these preparations. Experiments using CGRP (19-37) and Tyrº -CGRP(28-37) indicate that human and rat CGRP act at distinct receptors in guinea-pig ileum and vas deferens. The amylin receptor antagonist amylin(8-37) and the putative antagonist AC187 provide evidence to suggest human and rat amylin also act at receptors able to distinguish between the two types of amylin.

Density and spatial pattern of the neuropathological changes in the cerebellum in the prion disease variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD)

The objective of this chapter is to quantify the neuropathology of the cerebellar cortex in cases of the prion disease variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD). Hence, sequential sections of the cerebellum of 15 cases of vCJD were stained with H/E, or immunolabelled with a monoclonal antibody 12F10 against prion protein (PrP) and studied using quantitative techniques and spatial pattern analysis. A significant loss of Purkinje cells was evident in all cases. Densities of the vacuolation and the protease resistant form of prion protein (PrPSc) in the form of diffuse and florid plaques were greater in the granule cell layer (GL) than the molecular layer (ML). In the ML, vacuoles and PrPSc plaques, occurred in clusters which were regularly distributed along the folia, larger clusters of vacuoles and diffuse plaques being present in the GL. There was a negative spatial correlation between the vacuoles and the surviving Purkinje cells in the ML and a positive spatial correlation between the clusters of vacuoles and the diffuse PrPSc plaques in the ML and GL in five and six cases respectively. A canonical variate analysis (CVA) suggested a negative correlation between the densities of the vacuolation in the GL and the diffuse PrPSc plaques in the ML. The data suggest: 1) all laminae of the cerebellar cortex were affected by the pathology of vCJD, the GL more severely than the ML, 2) the pathology was topographically distributed especially in the Purkinje cell layer and GL, 3) pathological spread may occur in relation to a loop of anatomical projections connecting the cerebellum, thalamus, cerebral cortex, and pons, and 4) there are differences in the pathology of the cerebellum in vCJD compared with the M/M1 subtype of sporadic CJD (sCJD).

The neural correlates of reading impairment in adults with developmental dyslexia:evidence from fMRI between group analyses and an fMRI multiple-case study

The goal of this project was to investigate the neural correlates of reading impairment in dyslexia as hypothesised by the main theories – the phonological deficit, visual magnocellular deficit and cerebellar deficit theories, with emphasis on individual differences. This research took a novel approach by: 1) contrasting the predictions in one sample of participants with dyslexia (DPs); 2) using a multiple-case study (and between-group comparisons) to investigate differences in BOLD between each DP and the controls (CPs); 3) demonstrating a possible relationship between reading impairment and its hypothesised neural correlates by using fMRI and a reading task. The multiple-case study revealed that the neural correlates of reading in dyslexia in all cases are not in agreement with the predictions of a single theory. The results show striking individual differences - even, where the neural correlates of reading in two DPs are consistent with the same theory, the areas can differ. A DP can exhibit under-engagement in an area in word, but not in pseudoword reading and vice versa, demonstrating that underactivation in that area cannot be interpreted as a ‘developmental lesion’. Additional analyses revealed complex results. Within-group analyses between behavioural measures and BOLD showed correlations in the predicted regions, areas outside ROI, and lack of correlations in some predicted areas. Comparisons of subgroups which differed on Orthography Composite supported the MDT, but only for Words. The results suggest that phonological scores are not a sufficient predictor of the under-engagement of phonological areas during reading. DPs and CPs exhibited correlations between Purdue Pegboard Composite and BOLD in cerebellar areas only for Pseudowords. Future research into reading in dyslexia should use a more holistic approach, involving genetic and environmental factors, gene by environment interaction, and comorbidity with other disorders. It is argued that multidisciplinary research, within the multiple-deficit model holds significant promise here.

Quantitative pathological changes in the cerebellum of multiple system atrophy

Multiple system atrophy (MSA) is a rare neurodegenerative disorder associated with parkinsonism, ataxia, and autonomic dysfunction. Its pathology is primarily subcortical comprising vacuolation, neuronal loss, gliosis, and α-synuclein-immunoreactive glial cytoplasmic inclusions (GO). To quantify cerebellar pathology in MSA, the density and spatial pattern of the pathological changes were studied in α-synuclein-immunolabelled sections of the cerebellar hemisphere in 10 MSA and 10 control cases. In MSA, densities of Purkinje cells (PC) were decreased and vacuoles in the granule cell layer (GL) increased compared with controls. In six MSA cases, GCI were present in cerebellar white matter. In the molecular layer (ML) and GL of MSA, vacuoles were clustered, the clusters exhibiting a regular distribution parallel to the edge of the folia. Purkinje cells were randomly or regularly distributed with large gaps between surviving cells. Densities of glial cells and surviving neurons in the ML and surviving cells and vacuoles in the GL were negatively correlated consistent with gliosis and vacuolation in response to neuronal loss. Principal components analysis (PCA) suggested vacuole densities in the ML and vacuole density and cell losses in the GL were the main source of neuropathological variation among cases. The data suggest that: (1) cell losses and vacuolation of the GCL and loss of PC were the most significant pathological changes in the cases studied, (2) pathological changes were topographically distributed, and (3) cerebellar pathology could influence cerebral function in MSA via the cerebello-dentato-thalamic tract.

Reprogramming of distinct astroglial populations into specific neuronal subtypes in vitro and in vivo

Recently, the field of cellular reprogramming has been revolutionized by works showing the potential to directly lineage-reprogram somatic cells into neurons upon overexpression of specific transcription factors. This technique offers a promising strategy to study the molecular mechanisms of neuronal specification, identify potential therapeutic targets for neurological diseases and eventually repair the central nervous system damaged by neurological conditions. Notably, studies with cortical astroglia revealed the high potential of these cells to reprogram into neurons using a single neuronal transcription factor. However, it remains unknown whether astroglia isolated from different regions of the central nervous system have the same neurogenic potential and generate induced neurons (iN) with similar phenotypes. Similarly, little is known about the fate that iNs could adopt after transplantation in the brain of host animals. In this study we compare the potential to reprogram astroglial cells isolated from the postnatal cerebral cortex and cerebellum into iNs both in vitro and in vivo using the proneural transcription factors Neurogenin-2 (Neurog2) and Achaete scute homolog-1 (Ascl1). Our results indicate cerebellar astroglia can be reprogrammed into induced neurons (iNs) with similar efficiencies to cerebral cortex astroglia. Notably however, while iNs in vitro adopt fates reminiscent of cortical or cerebellar neurons depending on the astroglial population used for reprogramming, in situ, after transplantation in the postnatal and adult mouse brain, iNs adopt fates compatible with the region of integration. Thus, our data suggest that the origin of the astroglial population used for lineage-reprogramming affects the fate of iNs in vitro, but this imprinting can be overridden by environmental cues after grafting.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Diagnostic potential of structural neuroimaging for depression from a multi-ethnic community sample

Background At present, we do not have any biological tests which can contribute towards a diagnosis of depression. Neuroimaging measures have shown some potential as biomarkers for diagnosis. However, participants have generally been from the same ethnic background while the applicability of a biomarker would require replication in individuals of diverse ethnicities. Aims We sought to examine the diagnostic potential of the structural neuroanatomy of depression in a sample of a wide ethnic diversity. Method Structural magnetic resonance imaging (MRI) scans were obtained from 23 patients with major depressive disorder in an acute depressive episode (mean age: 39.8 years) and 20 matched healthy volunteers (mean age: 38.8 years). Participants were of Asian, African and Caucasian ethnicity recruited from the general community. Results Structural neuroanatomy combining white and grey matter distinguished patients from controls at the highest accuracy of 81% with the most stable pattern being at around 70%. A widespread network encompassing frontal, parietal, occipital and cerebellar regions contributed towards diagnostic classification. Conclusions These findings provide an important step in the development of potential neuroimaging-based tools for diagnosis as they demonstrate that the identification of depression is feasible within a multi-ethnic group from the community. Declaration of interests C.H.Y.F. has held recent research grants from Eli Lilly and Company and GlaxoSmithKline. L.M. is a former employee and stockholder of Eli Lilly and Company.

Cerebrotendinous xanthomatosis with bradyphrenia and psychiatric disorders: a case with 18F-FDG PET imaging and a literature review

Background and Objectives: Cerebrotendinous xanthomatosis (CTX) is a rare autosomal recessive lipid-storage disease caused by mutations in the CYP27A1. The purpose of this study is to determine the clinical characteristics, neuroimaging and mutation detect in a family with CTX systematically. Methods: Collecting history materials and detecting the routine clinical biochemical tests and imaging examination, and for the first time taking the whole body positron emission tomography (PET)-CT examination for probed in the world to research abnormal metabolism activities in CTX. To observe the effect of treatment with chenodeoxycholic acid (CDCA) and stains before and after the intervention, using serum lipid level detection and neuropsychological evaluation. Genetic testing was carried out to screen the nine exons and exon-intron boundaries about 200-300bq of CYP27A1. Results: A 37-year-old woman with typical clinical characteristics of CTX. Magnetic resonance imaging (MRI) of brain showed bilateral lesions in the dentate nucleus of the cerebellum, then, PET images revealed multiple abnormal hypermetabolism areas at distal tendon, and multifocal areas of hypometabolism in bilateral sides of cerebellar hemispheres, the frontal lobe and temporal lobe. Histopathology reveals accumulation of xanthoma cells and dispersed lipid crystal clefts in xanthomas. In genetic analysis, it shown an insertion of cytosine (77-78insC) located in the first exon of CYP27A1 in the proband. Conclusions: We found that a Chinese patient presented a typical clinical feature of CTX along with clear correlation on both structural and functional imaging had a novel mutation in the CYP27A1 gene.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

A novel mutation of AFG3L2 might cause dominant optic atrophy in patients with mild intellectual disability

International audience