903 resultados para Cortical Circuits
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To compile data on Tourette's syndrome (TS), tics and associated disorders. METHODS: A systematic review of the literature was conducted using the 5S levels of organization of healthcare research evidence (systems, summaries, synopses, syntheses, studies), based on the model described by Haynes. The search keywords were Tourette, tics and comorbidity, which were cross-referenced. Studies provided by publishers and articles being processed on July 31, 2013, were also included. RESULTS: Of all studies retrieved during the search, 64 were selected because they analyzed the epidemiology, clinical features and etiopathogenesis of TS and its comorbidities. TS is classified as a hyperkinetic movement disorder, and at least 90% of the patients have neuropsychiatric comorbidities, of which attention deficit hyperactivity and obsessive-compulsive disorders are the most common. The syndrome is clinically heterogeneous and has been associated with a dysfunction of cortico-striatal-thalamic-cortical circuits involving various neurotransmitters. Although its genetic etiology has been widely studied, other factors may be important to understand this syndrome and its associated disorders. CONCLUSIONS: TS is a neurodevelopmental disorder that results from the impact of stress factors on a vulnerable biological substrate during the critical periods of neurodevelopment. The study of TS and its comorbidities may contribute, at different levels, to the understanding of several neuropsychiatric disorders of clinical and therapeutic relevance.
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Huntington's disease (HD) is a neurodegenerative disease caused by the expansion of a poly-glutamine (poly-Q) stretch in the huntingtin (Htt) protein. Gain-of-function effects of mutant Htt have been extensively investigated as the major driver of neurodegeneration in HD. However, loss-of-function effects of poly-Q mutations recently emerged as potential drivers of disease pathophysiology. Early synaptic problems in the excitatory cortical and striatal connections have been reported in HD, but the role of Htt protein in synaptic connectivity was unknown. Therefore, we investigated the role of Htt in synaptic connectivity in vivo by conditionally silencing Htt in the developing mouse cortex. When cortical Htt function was silenced, cortical and striatal excitatory synapses formed and matured at an accelerated pace through postnatal day 21 (P21). This exuberant synaptic connectivity was lost over time in the cortex, resulting in the deterioration of synapses by 5 weeks. Synaptic decline in the cortex was accompanied with layer- and region-specific reactive gliosis without cell loss. To determine whether the disease-causing poly-Q mutation in Htt affects synapse development, we next investigated the synaptic connectivity in a full-length knock-in mouse model of HD, the zQ175 mouse. Similar to the cortical conditional knock-outs, we found excessive excitatory synapse formation and maturation in the cortices of P21 zQ175, which was lost by 5 weeks. Together, our findings reveal that cortical Htt is required for the correct establishment of cortical and striatal excitatory circuits, and this function of Htt is lost when the mutant Htt is present.
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The study of memory in most behavioral paradigms, including emotional memory paradigms, has focused on the feed forward components that underlie Hebb’s first postulate, associative synaptic plasticity. Hebb’s second postulate argues that activated ensembles of neurons reverberate in order to provide temporal coordination of different neural signals, and thereby facilitate coincidence detection. Recent evidence from our groups has suggested that the lateral amygdala (LA) contains recurrent microcircuits and that these may reverberate. Additionally this reverberant activity is precisely timed with latencies that would facilitate coincidence detection between cortical and sub cortical afferents to the LA.Thus, recent data at the microcircuit level in the amygdala provide some physiological evidence in support of the second Hebbian postulate.
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Biological factors underlying individual variability in fearfulness and anxiety have important implications for stress-related psychiatric illness including PTSD and major depression. Using an advanced intercross line (AIL) derived from C57BL/6 and DBA/2J mouse strains and behavioral selection over 3 generations, we established two lines exhibiting High or Low fear behavior after fear conditioning. Across the selection generations, the two lines showed clear differences in training and tests for contextual and conditioned fear. Before fear conditioning training, there were no differences between lines in baseline freezing to a novel context. However, after fear conditioning High line mice demonstrated pronounced freezing in a new context suggestive of poor context discrimination. Fear generalization was not restricted to contextual fear. High fear mice froze to a novel acoustic stimulus while freezing in the Low line did not increase over baseline. Enhanced fear learning and generalization are consistent with transgenic and pharmacological disruption of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis (HPA-axis) (Brinks, 2009, Thompson, 2004, Kaouane, 2012). To determine whether there were differences in HPA-axis regulation between the lines, morning urine samples were collected to measure basal corticosterone. Levels of secreted corticosterone in the circadian trough were analyzed by corticosterone ELISA. High fear mice were found to have higher basal corticosterone levels than low line animals. Examination of hormonal stress response components by qPCR revealed increased expression of CRH mRNA and decreased mRNA for MR and CRHR1 in hypothalamus of high fear mice. These alterations may contribute to both the behavioral phenotype and higher basal corticosterone in High fear mice. To determine basal brain activity in vivo in High and Low fear mice we used manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI). Analysis revealed a pattern of basal brain activity made up of amygdala, cortical and hippocampal circuits that was elevated in the High line. Ongoing studies also seek to determine the relative balance of excitatory and inhibitory tone in the amygdala and hippocampus and the neuronal structure of its neurons. While these heterogeneous lines are selected on fear memory expression, HPA-axis alterations and differences in hippocampal activity segregate with the behavioral phenotypes. These differences are detectable in a basal state strongly suggesting these are biological traits underlying the behavioral phenotype (Johnson et al, 2011).
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This thesis presents a biologically plausible model of an attentional mechanism for forming position- and scale-invariant representations of objects in the visual world. The model relies on a set of control neurons to dynamically modify the synaptic strengths of intra-cortical connections so that information from a windowed region of primary visual cortex (Vl) is selectively routed to higher cortical areas. Local spatial relationships (i.e., topography) within the attentional window are preserved as information is routed through the cortex, thus enabling attended objects to be represented in higher cortical areas within an object-centered reference frame that is position and scale invariant. The representation in V1 is modeled as a multiscale stack of sample nodes with progressively lower resolution at higher eccentricities. Large changes in the size of the attentional window are accomplished by switching between different levels of the multiscale stack, while positional shifts and small changes in scale are accomplished by translating and rescaling the window within a single level of the stack. The control signals for setting the position and size of the attentional window are hypothesized to originate from neurons in the pulvinar and in the deep layers of visual cortex. The dynamics of these control neurons are governed by simple differential equations that can be realized by neurobiologically plausible circuits. In pre-attentive mode, the control neurons receive their input from a low-level "saliency map" representing potentially interesting regions of a scene. During the pattern recognition phase, control neurons are driven by the interaction between top-down (memory) and bottom-up (retinal input) sources. The model respects key neurophysiological, neuroanatomical, and psychophysical data relating to attention, and it makes a variety of experimentally testable predictions.
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A model of laminar visual cortical dynamics proposes how 3D boundary and surface representations of slated and curved 3D objects and 2D images arise. The 3D boundary representations emerge from interactions between non-classical horizontal receptive field interactions with intracorticcal and intercortical feedback circuits. Such non-classical interactions contextually disambiguate classical receptive field responses to ambiguous visual cues using cells that are sensitive to angles and disparity gradients with cortical areas V1 and V2. These cells are all variants of bipole grouping cells. Model simulations show how horizontal connections can develop selectively to angles, how slanted surfaces can activate 3D boundary representations that are sensitive to angles and disparity gradients, how 3D filling-in occurs across slanted surfaces, how a 2D Necker cube image can be represented in 3D, and how bistable Necker cuber percepts occur. The model also explains data about slant aftereffects and 3D neon color spreading. It shows how habituative transmitters that help to control developement also help to trigger bistable 3D percepts and slant aftereffects, and how attention can influence which of these percepts is perceived by propogating along some object boundaries.
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A key goal of behavioral and cognitive neuroscience is to link brain mechanisms to behavioral functions. The present article describes recent progress towards explaining how the visual cortex sees. Visual cortex, like many parts of perceptual and cognitive neocortex, is organized into six main layers of cells, as well as characteristic sub-lamina. Here it is proposed how these layered circuits help to realize the processes of developement, learning, perceptual grouping, attention, and 3D vision through a combination of bottom-up, horizontal, and top-down interactions. A key theme is that the mechanisms which enable developement and learning to occur in a stable way imply properties of adult behavior. These results thus begin to unify three fields: infant cortical developement, adult cortical neurophysiology and anatomy, and adult visual perception. The identified cortical mechanisms promise to generalize to explain how other perceptual and cognitive processes work.
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Auditory signals of speech are speaker-dependent, but representations of language meaning are speaker-independent. Such a transformation enables speech to be understood from different speakers. A neural model is presented that performs speaker normalization to generate a pitchindependent representation of speech sounds, while also preserving information about speaker identity. This speaker-invariant representation is categorized into unitized speech items, which input to sequential working memories whose distributed patterns can be categorized, or chunked, into syllable and word representations. The proposed model fits into an emerging model of auditory streaming and speech categorization. The auditory streaming and speaker normalization parts of the model both use multiple strip representations and asymmetric competitive circuits, thereby suggesting that these two circuits arose from similar neural designs. The normalized speech items are rapidly categorized and stably remembered by Adaptive Resonance Theory circuits. Simulations use synthesized steady-state vowels from the Peterson and Barney [J. Acoust. Soc. Am. 24, 175-184 (1952)] vowel database and achieve accuracy rates similar to those achieved by human listeners. These results are compared to behavioral data and other speaker normalization models.
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This article develops the Synchronous Matching Adaptive Resonance Theory (SMART) neural model to explain how the brain may coordinate multiple levels of thalamocortical and corticocortical processing to rapidly learn, and stably remember, important information about a changing world. The model clarifies how bottom-up and top-down processes work together to realize this goal, notably how processes of learning, expectation, attention, resonance, and synchrony are coordinated. The model hereby clarifies, for the first time, how the following levels of brain organization coexist to realize cognitive processing properties that regulate fast learning and stable memory of brain representations: single cell properties, such as spiking dynamics, spike-timing-dependent plasticity (STDP), and acetylcholine modulation; detailed laminar thalamic and cortical circuit designs and their interactions; aggregate cell recordings, such as current-source densities and local field potentials; and single cell and large-scale inter-areal oscillations in the gamma and beta frequency domains. In particular, the model predicts how laminar circuits of multiple cortical areas interact with primary and higher-order specific thalamic nuclei and nonspecific thalamic nuclei to carry out attentive visual learning and information processing. The model simulates how synchronization of neuronal spiking occurs within and across brain regions, and triggers STDP. Matches between bottom-up adaptively filtered input patterns and learned top-down expectations cause gamma oscillations that support attention, resonance, and learning. Mismatches inhibit learning while causing beta oscillations during reset and hypothesis testing operations that are initiated in the deeper cortical layers. The generality of learned recognition codes is controlled by a vigilance process mediated by acetylcholine.
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How do the layered circuits of prefrontal and motor cortex carry out working memory storage, sequence learning, and voluntary sequential item selection and performance? A neural model called LIST PARSE is presented to explain and quantitatively simulate cognitive data about both immediate serial recall and free recall, including bowing of the serial position performance curves, error-type distributions, temporal limitations upon recall, and list length effects. The model also qualitatively explains cognitive effects related to attentional modulation, temporal grouping, variable presentation rates, phonemic similarity, presentation of non-words, word frequency/item familiarity and list strength, distracters and modality effects. In addition, the model quantitatively simulates neurophysiological data from the macaque prefrontal cortex obtained during sequential sensory-motor imitation and planned performance. The article further develops a theory concerning how the cerebral cortex works by showing how variations of the laminar circuits that have previously clarified how the visual cortex sees can also support cognitive processing of sequentially organized behaviors.
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Under natural viewing conditions, a single depthful percept of the world is consciously seen. When dissimilar images are presented to corresponding regions of the two eyes, binocular rivalry may occur, during which the brain consciously perceives alternating percepts through time. Perceptual bistability can also occur in response to a single ambiguous figure. These percepts raise basic questions: What brain mechanisms generate a single depthful percept of the world? How do the same mechanisms cause perceptual bistability, notably binocular rivalry? What properties of brain representations correspond to consciously seen percepts? How do the dynamics of the layered circuits of visual cortex generate single and bistable percepts? A laminar cortical model of how cortical areas V1, V2, and V4 generate depthful percepts is developed to explain and quantitatively simulate binocular rivalry data. The model proposes how mechanisms of cortical development, perceptual grouping, and figure-ground perception lead to single and rivalrous percepts.
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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.
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Des recherches, autant chez l’homme que chez l’animal, proposent qu’il existerait, au sein des réseaux cérébraux, une organisation anatomique parallèle de circuits qui coordonne l’activité des structures qui participent à la planification et à l’exécution d’une action. Dans cette foulée, un modèle émerge qui attribue au cortex préfrontal (CPF) latéral une spécificité anatomo-fonctionnelle basée sur les niveaux de traitement en mémoire de travail (MT). Il s’agit du modèle « niveaux de traitement-dépendant », qui accorde un rôle important au CPF latéral dans l’acquisition et la représentation de règles guidant nos comportements. Des études en neuroimagerie fonctionnelle, utilisant le Wisconsin Card Sorting Task (WCST) ont permis de corroborer ce modèle et de dissocier trois niveaux de traitement en MT non seulement au sein du CPF latéral mais encore aux structures sous- corticales, les ganglions de la base (GB). Ces études suggèrent que certains noyaux des GB seraient topographiquement organisés avec le CPF latéral et contriburaient, sous certaines conditions, à des processus cognitifs et moteurs semblables à leur homologue cortical. Le but de notre étude est d'explorer la généralisation de la contribution des GB et du CPF au modèle niveaux de traitement-dépendant afin de voir si ce dernier est indépendant de la nature des stimuli en mémoire de travail. À cet effet, nous avons modifié le WCST en l’appliquant à un autre domaine, celui du langage. Nous avons remplacé les pictogrammes par des mots et modifié les règles formes, couleurs, nombres, par des règles sémantiques et phonologiques. L’analyse des résultats a démontré que différentes parties des GB de concert avec différentes régions du CPF se différencient quant aux niveaux de traitement en MT et ce, indépendamment de la nature des stimuli. Une deuxième analyse a permis d’évaluer les patrons d’activations liés aux conditions sémantiques et phonologiques. Ces résultats ont mis en évidence que les réseaux préfrontaux semblent liés aux processus exécutifs nécessaires à la réalisation de la tâche, indépendamment de la condition tandis que les aires associatives se dissocient davantage et contiennent des réseaux propres à la sémantique et à la phonologie.
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La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie neurodégénérative la plus commune. Les symptômes principalement observés chez les patients atteints de la MP sont la rigidité, les tremblements, la bradykinésie et une instabilité posturale. Leur sévérité est souvent asymétrique. La cause principale de ces symptômes moteurs est la dégénérescence du circuit dopaminergique nigro-striatal qui mène à un débalancement d’activité du circuit cortico-striatal. Ce débalancement de circuits est le point essentiel de cette thèse. Dans les protocoles de recherche décrits ici, des patients atteints de la MP (avant et après une dose de levodopa) et des participants contrôles sains ont effectué des mouvements auto-initiés ou en réponse à des stimulis externes pendant que l’on mesurait leur activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Dans cette thèse, nous abordons et mettons en évidence quatre (4) points principaux. En première partie (chapitre 2), nous présentons un recensement de la littérature sur les cicruits cortico-striataux et cortico-cérébelleux dans la MP. En utilisant des méthodes de neuroimagerie, des changements d’activité cérébrale et cérébelleuse ont été observés chez les patients atteints de la MP comparés aux participants sains. Même si les augmentations d’activité du cervelet ont souvent été attribuées à des mécanismes compensatoires, nos résultats suggèrent qu’elles sont plus probablement liées aux changements pathophysiologiques de la MP et à la perturbation du circuit cortico-cérébelleux. En général, nous suggérons (1) que le circuit cortico-cérébelleux est perturbé chez les patients atteints de la MP, et que les changements d’activité du cervelet sont liés à la pathophysiologie de la MP plutôt qu’à des mécanismes compensatoires. En deuxième partie (chapitre 3), nous discutons des effets de la levodopa sur les hausses et baisses d’activité observés chez les patients atteints de la MP, ainsi que sur l’activité du putamen pendant les mouvements d’origine interne et externe. De nombreuses études en neuroimagerie ont montré une baisse d’activité (hypo-activité) préfrontale liée à la déplétion de dopamine. En revanche, l’utilisation de tâches cognitives a montré des augmentations d’activité (hyper-activité) corticale chez les patients atteints de la MP comparés aux participants sains. Nous avons suggéré précédemment que ces hypo- et hyper-activités des régions préfrontales dépendent de l’implication du striatum. Dans cette thèse nous suggérons de plus (2) que la levodopa ne rétablit pas ces hyper-activations, mais plutôt qu’elles sont liées à la perturbation du circuit méso-cortical, et aussi possiblement associées à l’administration de médication dopaminergique à long terme. Nous montrons aussi (3) que la levodopa a un effet non-spécifique à la tâche sur l’activité du circuit cortico-striatal moteur, et qu’elle n’a pas d’effet sur l’activité du circuit cortico-striatal cognitif. Nous montrons enfin (chapitre 4) que la levodopa a un effet asymétrique sur les mouvements de la main droite et gauche. À peu près 50% des patients atteints de la MP démontrent une asymétrie des symptômes moteurs, et ceci persiste à travers la durée de la maladie. Nos résultats suggèrent (4) que la levodopa pourrait avoir un plus grand effet sur les patrons d’activations des mouvements de la main la plus affectée.
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Bien que le passage du temps altère le cerveau, la cognition ne suit pas nécessairement le même destin. En effet, il existe des mécanismes compensatoires qui permettent de préserver la cognition (réserve cognitive) malgré le vieillissement. Les personnes âgées peuvent utiliser de nouveaux circuits neuronaux (compensation neuronale) ou des circuits existants moins susceptibles aux effets du vieillissement (réserve neuronale) pour maintenir un haut niveau de performance cognitive. Toutefois, la façon dont ces mécanismes affectent l’activité corticale et striatale lors de tâches impliquant des changements de règles (set-shifting) et durant le traitement sémantique et phonologique n’a pas été extensivement explorée. Le but de cette thèse est d’explorer comment le vieillissement affecte les patrons d’activité cérébrale dans les processus exécutifs d’une part et dans l’utilisation de règles lexicales d’autre part. Pour cela nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) lors de la performance d’une tâche lexicale analogue à celle du Wisconsin. Cette tâche a été fortement liée à de l’activité fronto-stritale lors des changements de règles, ainsi qu’à la mobilisation de régions associées au traitement sémantique et phonologique lors de décisions sémantiques et phonologiques, respectivement. Par conséquent, nous avons comparé l’activité cérébrale de jeunes individus (18 à 35 ans) à celle d’individus âgés (55 à 75 ans) lors de l’exécution de cette tâche. Les deux groupes ont montré l’implication de boucles fronto-striatales associées à la planification et à l’exécution de changements de règle. Toutefois, alors que les jeunes semblaient activer une « boucle cognitive » (cortex préfrontal ventrolatéral, noyau caudé et thalamus) lorsqu’ils se voyaient indiquer qu’un changement de règle était requis, et une « boucle motrice » (cortex postérieur préfrontal et putamen) lorsqu’ils devaient effectuer le changement, les participants âgés montraient une activation des deux boucles lors de l’exécution des changements de règle seulement. Les jeunes adultes tendaient à présenter une augmentation de l’activité du cortex préfrontal ventrolatéral, du gyrus fusiforme, du lobe ventral temporale et du noyau caudé lors des décisions sémantiques, ainsi que de l’activité au niveau de l’aire de Broca postérieur, de la junction temporopariétale et du cortex moteur lors de décisions phonologiques. Les participants âgés ont montré de l’activité au niveau du cortex préfrontal latéral et moteur durant les deux types de décisions lexicales. De plus, lorsque les décisions sémantiques et phonologiques ont été comparées entre elles, les jeunes ont montré des différences significatives au niveau de plusieurs régions cérébrales, mais pas les âgés. En conclusion, notre première étude a montré, lors du set-shifting, un délai de l’activité cérébrale chez les personnes âgées. Cela nous a permis de conceptualiser l’Hypothèse Temporelle de Compensation (troisième manuscrit) qui consiste en l’existence d’un mécanisme compensatoire caractérisé par un délai d’activité cérébrale lié au vieillissement permettant de préserver la cognition au détriment de la vitesse d’exécution. En ce qui concerne les processus langagiers (deuxième étude), les circuits sémantiques et phonologiques semblent se fusionner dans un seul circuit chez les individus âgés, cela représente vraisemblablement des mécanismes de réserve et de compensation neuronales qui permettent de préserver les habilités langagières.