CHROMOSOMAL MAPPING, LINKAGE RELATIONSHIPS, AND EVOLUTIONARY STUDIES OF THE HUMAN ANONYMOUS DNA CLONE D1S1 (IN SITU HYBRIDIZATION, PRIMATES, GENE MAPPING, AUTOSOMAL DOMINANT RETINITIS PIGMENTOSA, GENE DUPLICATION)

D1S1, an anonymous human DNA clone originally called (lamda)Ch4-H3 or (lamda)H3, was the first single copy mapped to a human chromosome (1p36) by in situ hybridization. The chromosomal assignment has been confirmed in other laboratories by repeating the in situ hybridization but not by another method. In the present study, hybridization to a panel of hamster-human somatic cell hybrids revealed copies of D1S1 on both chromosomes 1 and 3. Subcloning D1S1 showed that the D1S1 clone itself is from chromosome 3, and the sequence detected by in situ hybridization is at least two copies of part of the chromosome 3 copy. This finding demonstrates the importance of verifying gene mapping with two methods and questions the accuracy of in situ hybridization mapping.^ Non-human mammals have only one copy of D1S1, and the non-human primate D1S1 map closely resembles the human chromosome 3 copy. Thus, the human chromosome 1 copies appear to be part of a very recent duplication that occurred after the divergence between humans and the other great apes.^ A moderately informative HindIII D1S1 RFLP was mapped to chromosome 3. This marker and 12 protein markers were applied to a linkage study of autosomal dominant retinitis pigmentosa (ADRP). None of the markers proved linkage, but adding the three families examined to previously published data raises the ADRP:Rh lod score to 1.92 at (THETA) = 0.30. ^

The biological clock of very premature primate infants is responsive to light

Each year more than 250,000 infants in the United States are exposed to artificial lighting in hospital nurseries with little consideration given to environmental lighting cycles. Essential in determining whether environmental lighting cycles need to be considered in hospital nurseries is identifying when the infant’s endogenous circadian clock becomes responsive to light. Using a non-human primate model of the developing human, we examined when the circadian clock, located in the hypothalamic suprachiasmatic nuclei (SCN), becomes responsive to light. Preterm infant baboons of different ages were exposed to light (5,000 lux) at night, and then changes in SCN metabolic activity and gene expression were assessed. After exposure to bright light at night, robust increases in SCN metabolic activity and gene expression were seen at ages that were equivalent to human infants at 24 weeks after conception. These data provide direct evidence that the biological clock of very premature primate infants is responsive to light.

Prevention of autoimmune demyelination in non-human primates by a cAMP-specific phosphodiesterase inhibitor.

Experimental allergic encephalomyelitis (EAE) is an autoimmune disease of the central nervous system that serves as a model for the human disease multiple sclerosis. We evaluated rolipram, a type IV phosphodiesterase inhibitor, for its efficacy in preventing EAE in the common marmoset Callithrix jacchus. In a blinded experimental design, clinical signs of EAE developed within 17 days of immunization with human white matter in two placebo-treated animals but in none of three monkeys that received rolipram (10 mg/kg s.c. every other day) beginning 1 week after immunization. In controls, signs of EAE were associated with development of cerebrospinal fluid pleocytosis and cerebral MRI abnormalities. In the treatment group, there was sustained protection from clinical EAE, transient cerebrospinal fluid pleocytosis in only one of three animals, no MRI abnormality, and marked reduction in histopathologic findings. Rolipram-treated and control animals equally developed circulating antibodies to myelin basic protein. Thus, inhibition of type IV phosphodiesterase, initiated after sensitization to central nervous system antigens, protected against autoimmune demyelinating disease.

The Vulnerable Animals That Therefore We Are : (Non-)Human Animals in D.H. Lawrence's Women in Love

Central to animal studies is the question of words and how they are used in relation to wordless beings such as non-human animals. This issue is addressed by the writer D.H. Lawrence, and the focus of this thesis is the linguistic vulnerability of humans and non-humans in his novel Women in Love, a subject that will be explored with the help of the philosopher Jacques Derrida’s text The Animal That Therefore I Am. The argument is that Women in Love illustrates the human subjection to and constitution in language, which both enables human thinking and restricts the human ability to think without words. This linguistic vulnerability causes a similar vulnerability in non-human animals in two ways. First, humans tend to imagine others, including non-verbal animals, through words, a medium they exist outside of and therefore cannot be defined through. Second, humans are often unperceptive of non-linguistic means of expression and they therefore do not discern what non-human animals may be trying to communicate to them, which often enables humans to justify abuse against non-humans. In addition, the novel shows how this shared but unequal vulnerability can sometimes be dissolved through the likewise shared but equal physical vulnerability of all animals if a human is able to imagine the experiences of a non-human animal through their shared embodiment rather than through human language. Hence the essay shows the importance of recognizing the limitations of language and of being aware of how the symbolizing effect of words influences the human treatment of its others.

Flexibility in Food Extraction Techniques in Urban Free-Ranging Bonnet Macaques, Macaca radiata

Non-human primate populations, other than responding appropriately to naturally occurring challenges, also need to cope with anthropogenic factors such as environmental pollution, resource depletion, and habitat destruction. Populations and individuals are likely to show considerable variations in food extraction abilities, with some populations and individuals more efficient than others at exploiting a set of resources. In this study, we examined among urban free-ranging bonnet macaques, Macaca radiata (a) local differences in food extraction abilities, (b) between-individual variation and within-individual consistency in problem-solving success and the underlying problem-solving characteristics, and (c) behavioral patterns associated with higher efficiency in food extraction. When presented with novel food extraction tasks, the urban macaques having more frequent exposure to novel physical objects in their surroundings, extracted food material from PET bottles and also solved another food extraction task (i.e., extracting an orange from a wire mesh box), more often than those living under more natural conditions. Adults solved the tasks more frequently than juveniles, and females more frequently than males. Both solution-technique and problem-solving characteristics varied across individuals but remained consistent within each individual across the successive presentations of PET bottles. The macaques that solved the tasks showed lesser within-individual variation in their food extraction behavior as compared to those that failed to solve the tasks. A few macaques appropriately modified their problem-solving behavior in accordance with the task requirements and solved the modified versions of the tasks without trial-and-error learning. These observations are ecologically relevant - they demonstrate considerable local differences in food extraction abilities, between-individual variation and within-individual consistency in food extraction techniques among free-ranging bonnet macaques, possibly affecting the species' local adaptability and resilience to environmental changes.

Dissecting neural circuits for vision in nonhuman primates using fMRI-guided electrophysiology and optogenetics

The visual system is a remarkable platform that evolved to solve difficult computational problems such as detection, recognition, and classification of objects. Of great interest is the face-processing network, a sub-system buried deep in the temporal lobe, dedicated for analyzing specific type of objects (faces). In this thesis, I focus on the problem of face detection by the face-processing network. Insights obtained from years of developing computer-vision algorithms to solve this task have suggested that it may be efficiently and effectively solved by detection and integration of local contrast features. Does the brain use a similar strategy? To answer this question, I embark on a journey that takes me through the development and optimization of dedicated tools for targeting and perturbing deep brain structures. Data collected using MR-guided electrophysiology in early face-processing regions was found to have strong selectivity for contrast features, similar to ones used by artificial systems. While individual cells were tuned for only a small subset of features, the population as a whole encoded the full spectrum of features that are predictive to the presence of a face in an image. Together with additional evidence, my results suggest a possible computational mechanism for face detection in early face processing regions. To move from correlation to causation, I focus on adopting an emergent technology for perturbing brain activity using light: optogenetics. While this technique has the potential to overcome problems associated with the de-facto way of brain stimulation (electrical microstimulation), many open questions remain about its applicability and effectiveness for perturbing the non-human primate (NHP) brain. In a set of experiments, I use viral vectors to deliver genetically encoded optogenetic constructs to the frontal eye field and faceselective regions in NHP and examine their effects side-by-side with electrical microstimulation to assess their effectiveness in perturbing neural activity as well as behavior. Results suggest that cells are robustly and strongly modulated upon light delivery and that such perturbation can modulate and even initiate motor behavior, thus, paving the way for future explorations that may apply these tools to study connectivity and information flow in the face processing network.

Neural Prosthetics and Parietal Cortex

In the last decade, research efforts into directly interfacing with the neurons of individuals with motor deficits have increased. The goal of such research is clear: Enable individuals affected by paralysis or amputation to regain control of their environments by manipulating external devices with thought alone. Though the motor cortices are the usual brain areas upon which neural prosthetics depend, research into the parietal lobe and its subregions, primarily in non-human primates, has uncovered alternative areas that could also benefit neural interfaces. Similar to the motor cortical areas, parietal regions can supply information about the trajectories of movements. In addition, the parietal lobe also contains cognitive signals like movement goals and intentions. But, these areas are also known to be tuned to saccadic eye movements, which could interfere with the function of a prosthetic designed to capture motor intentions only. In this thesis, we develop and examine the functionality of a neural prosthetic with a non-human primate model using the superior parietal lobe to examine the effectiveness of such an interface and the effects of unconstrained eye movements in a task that more closely simulates clinical applications. Additionally, we examine methods for improving usability of such interfaces.

The parietal cortex is also believed to contain neural signals relating to monitoring of the state of the limbs through visual and somatosensory feedback. In one of the world’s first clinical neural prosthetics based on the human parietal lobe, we examine the extent to which feedback regarding the state of a movement effector alters parietal neural signals and what the implications are for motor neural prosthetics and how this informs our understanding of this area of the human brain.

Improved suppression of circulating complement does not block acute vascular rejection of pig-to-rhesus monkey cardiac transplants

At present, acute vascular rejection (AVR) remains a primary obstacle inhibiting long-term graft survival in the pig-to-non-human primate transplant model. The present study was undertaken to determine whether repetitive injection of low dose Yunnan-cobra venom factor (Y-CVF), a potent complement inhibitor derived from the venom of Naja kaouthia can completely abrogate hemolytic complement activity and subsequently improve the results in a pig-to-rhesus monkey heterotopic heart transplant model. Nine adult rhesus monkeys received a heterotopic heart transplant from wild-type pigs and the recipients were allocated into two groups: group 1 (n = 4) received repetitive injection of low dose Y-CVF until the end of the study and group 2 (n = 5) did not receive Y-CVF. All recipients were treated with cyclosporine A (CsA), cyclophosphamide (CyP) and steroids. Repetitive Y-CVF treatment led to very dramatic fall in CH50 and serum C3 levels (CH50 < 3 units/C3 remained undetectable throughout the experiment) and successfully prevented hyperacute rejection (HAR), while three of five animals in group 2 underwent HAR. However, the continuous suppression of circulating complement did not prevent AVR and the grafts in group 1 survived from 8 to 13 days. Despite undetectable C3 in circulating blood, C3 deposition was present in these grafts. The venular thrombosis was the predominant histopathologic feature of AVR. We conclude that repetitive injection of low dose Y-CVF can be used to continuously suppress circulating complement in a very potent manner and successfully prevent HAR. However, this therapy did not inhibit complement deposition in the graft and failed to prevent AVR. These data suggest that using alternative pig donors [i.e. human decay accelerating factor (hDAF)-transgenic] in combination with the systemic use of complement inhibitors may be necessary to further control complement activation and improve survival in pig-to-non-human primate xenotransplant model.

Convergent differential regulation of parvalbumin in the brains of vocal learners.

Spoken language and learned song are complex communication behaviors found in only a few species, including humans and three groups of distantly related birds--songbirds, parrots, and hummingbirds. Despite their large phylogenetic distances, these vocal learners show convergent behaviors and associated brain pathways for vocal communication. However, it is not clear whether this behavioral and anatomical convergence is associated with molecular convergence. Here we used oligo microarrays to screen for genes differentially regulated in brain nuclei necessary for producing learned vocalizations relative to adjacent brain areas that control other behaviors in avian vocal learners versus vocal non-learners. A top candidate gene in our screen was a calcium-binding protein, parvalbumin (PV). In situ hybridization verification revealed that PV was expressed significantly higher throughout the song motor pathway, including brainstem vocal motor neurons relative to the surrounding brain regions of all distantly related avian vocal learners. This differential expression was specific to PV and vocal learners, as it was not found in avian vocal non-learners nor for control genes in learners and non-learners. Similar to the vocal learning birds, higher PV up-regulation was found in the brainstem tongue motor neurons used for speech production in humans relative to a non-human primate, macaques. These results suggest repeated convergent evolution of differential PV up-regulation in the brains of vocal learners separated by more than 65-300 million years from a common ancestor and that the specialized behaviors of learned song and speech may require extra calcium buffering and signaling.

Monkey and humans exhibit similar motion-processing mechanisms

Single cell recording studies have resulted in a detailed understanding of motion-sensitive neurons in non-human primate visual cortex. However, it is not known to what extent response properties of motion-sensitive neurons in the non-human primate brain mirror response characteristics of motion-sensitive neurons in the human brain. Using a motion adaptation paradigm, the direction aftereffect, we show that changes in the activity of human motion-sensitive neurons to moving dot patterns that differ in dot density bear a strong resemblance to data from macaque monkey. We also show a division-like inhibition between neural populations tuned to opposite directions, which also mirrors neural-inhibitory behaviour in macaque. These findings strongly suggest that motion-sensitive neurons in human and non-human primates share common response and inhibitory characteristics.

Effets de l’alcoolisme fœtal sur le développement du corps genouillé latéral du singe

L’exposition du fœtus à l’éthanol est reconnue comme étant la principale cause de maladies évitables lors du développement. Une forte exposition à l’alcool durant la gestation peut occasionner des dysmorphies cranio-faciales et des retards mentaux, ainsi que des troubles d’apprentissages et du comportement. Le développement du système visuel est également perturbé chez une grande majorité d’enfants qui ont été exposés à l’alcool. Lorsque les doses prises sont élevées, le système visuel peut présenter une panoplie de symptômes comme une augmentation de la tortuosité des vaisseaux rétiniens, de la myopie, de l’hypermétropie, du strabisme et une hypoplasie du nerf optique. Cependant, très peu d’études se sont penchées sur les effets de plus faibles doses sur le développement du système visuel du primate. Le singe est un excellent modèle pour étudier le système visuel car il possède plusieurs similitudes avec l’humain tant au niveau développemental qu’au niveau structurel. De plus, le singe utilisé, le Chlrocebus aethiops sabeus, possède l’avantage que des individus de cette espèce ont une consommation naturelle et volontaire à l’alcool. Une étude (Clarren et al., 1990) a suggéré qu’une faible exposition à l’alcool du fœtus du primate non humain occasionnait une diminution du nombre de cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). Étant donné que le corps genouillé latéral dorsal (CGLd) reçoit la plupart de ses intrants de la rétine, il est raisonnable d’assumer que les couches rétino-récipientes du CGLd devraient être aussi affectées. Nous avons alors émis l’hypothèse que le CGLd devrait également subir une diminution du nombre de neurones. Pour la première fois, nous avons utilisé une méthode stéréologique pour quantifier le nombre de cellules dans les couches parvo- (P) et magnocellulaires (M) du CGLd. Contrairement à notre hypothèse de départ, nous n’avons pas observé de diminution dans le nombre global de neurones dans le CGLd des animaux exposés à l’alcool par rapport à des sujets contrôles, ni une diminution de son volume. Nous avons toutefois observé une diminution de la taille du corps cellulaire seulement dans la population M du CGLd. Ces résultats suggèrent que le système visuel est affecté par une faible exposition à l’alcool durant son développement qui devrait se traduire sur le comportement par des déficits dans les fonctions de la voie M.

Perception de la vitesse : les bases psychophysiques et neuronales

David Katz a fait l’observation que le mouvement entre la peau et l’objet est aussi important pour le sens du toucher que la lumière l’est pour la vision. Un stimulus tactile déplacé sur la peau active toutes les afférences cutanées. Les signaux résultants sont très complexes, covariant avec différents facteurs dont la vitesse, mais aussi la texture, la forme et la force. Cette thèse explore la capacité des humains à estimer la vitesse et la rugosité de surfaces en mouvements. Les bases neuronales de la vitesse tactile sont aussi étudiées en effectuant des enregistrements unitaires dans le cortex somatosensoriel primaire (S1) du singe éveillé. Dans la première expérience, nous avons montré que les sujets peuvent estimer la vitesse tactile (gamme de vitesses, 30 à 105 mm/s) de surfaces déplacées sous le doigt, et ceci sans indice de durée. Mais la structure des surfaces était essentielle (difficulté à estimer la vitesse d’une surface lisse). Les caractéristiques physiques des surfaces avaient une influence sur l’intensité subjective de la vitesse. La surface plus rugueuse (8 mm d’espacement entre les points en relief) semblait se déplacer 15% plus lentement que les surfaces moins rugueuses (de 2 et 3 mm d’espacement), pour les surfaces périodiques et non périodiques (rangées de points vs disposition aléatoire). L’effet de la texture sur la vitesse peut être réduit en un continuum monotonique quand les estimés sont normalisés avec l’espacement et présentés en fonction de la fréquence temporelle (vitesse/espacement). L'absence de changement des estimés de vitesse entre les surfaces périodiques et non périodiques suggère que les estimés de rugosité devraient aussi être indépendants de la disposition des points. Dans la deuxième expérience, et tel que prévu, une équivalence perceptuelle entre les deux séries de surfaces est obtenue quand les estimés de la rugosité sont exprimés en fonction de l'espacement moyen entre les points en relief, dans le sens de l'exploration. La troisième expérience consistait à rechercher des neurones du S1 qui pourraient expliquer l’intensité subjective de la vitesse tactile. L’hypothèse est que les neurones impliqués devraient être sensibles à la vitesse tactile (40 à 105 mm/s) et à l’espacement des points (2 à 8 mm) mais être indépendants de leur disposition (périodique vs non périodique). De plus, il est attendu que la fonction neurométrique (fréquence de décharge/espacement en fonction de la fréquence temporelle) montre une augmentation monotonique. Une grande proportion des cellules était sensible à la vitesse (76/119), et 82% d’entres elles étaient aussi sensibles à la texture. La sensibilité à la vitesse a été observée dans les trois aires du S1 (3b, 1 et 2). La grande majorité de cellules sensibles à la vitesse, 94%, avait une relation monotonique entre leur décharge et la fréquence temporelle, tel qu’attendu, et ce surtout dans les aires 1 et 2. Ces neurones pourraient donc expliquer la capacité des sujets à estimer la vitesse tactile de surfaces texturées.

Caractérisation du rôle de l’amyline (IAPP) dans le diabète de type 2 : études de dérivés peptidiques et de composés inhibiteurs de la formation d’amyloïde

L’amyloïdose, une maladie progressive et incurable, implique une vaste panoplie de pathologies et de pathogénèses, qui est expliquée par la grande variabilité biologique et structurale des protéines responsables de la formation des dépôts d’amyloïde. L’amyline (polypeptide amyloïde des îlots pancréatiques, IAPP) est une protéine très susceptible de subir des changements de conformation impliquant les feuillets bêta et conférant aussi des propriétés physicochimiques distinctes. Cette protéine prend alors une forme fibrillaire et se dépose dans les îlots de Langerhans chez les humains atteints de diabète de type 2 ou d’insulinome. Ces dépôts d’amyloïde pancréatique (AIAPP) ont été décrits chez certaines espèces animales telles que les félins domestiques, les grands félins, le raton laveur et les primates non humains. La formation de dépôts d’amyloïde contribue à la pathogénèse du diabète de type 2, mais les mécanismes qui induisent la conversion de l’amyline (IAPP) en amyloïde (AIAPP) ne sont pas complètement compris. Les hypothèses du projet sont que certaines variations présentes dans les séquences peptidiques de l’IAPP provenant de différentes espèces animales jouent un rôle critique pour la formation de fibrilles et que plusieurs composés chimiques aromatiques/phénoliques sont capables d’abroger la formation de dépôts d’amyloïde. Le projet de recherche consiste donc à caractériser la propension des différentes isoformes animales d’IAPP à former de l’amyloïde in vitro afin d’identifier les acides aminés jouant un rôle clé dans cette transformation structurale et ultimement d’inhiber la formation d’amyloïde pancréatique. Le projet se divise en deux volets principaux. Le premier consiste à identifier les différentes séquences peptidiques de l’IAPP retrouvées chez les espèces animales. L’objectif est d’identifier les acides aminés jouant un rôle clé dans la formation d’amyloïde. Le gène de l’IAPP a été séquencé chez plus d’une quarantaine d’espèces. Le potentiel d’agrégation des séquences obtenues a été simulé à l’aide d’outils bioinformatique. Une librairie de 23 peptides a été commandée afin de procéder à des analyses physicochimiques in vitro permettant d’évaluer le potentiel amyloïdogénique (test fluorimétrique à la thioflavine T, essai de liaison au rouge Congo, dichroïsme circulaire, microscopie électronique à transmission) et cytotoxique (sur une lignée cellulaire provenant d’insulinome : INS-1). Les analyses effectuées à partir de la librairie constituée de 23 peptides ont permis d’identifier trois séquences ne formant pas d’amyloïde et qui proviennent des espèces animales suivantes : le tamarin lion doré (Leontopithecus rosalia), le grand dauphin (Tursiops truncatus) et l’alpaga (Vicugna pacos). Un site potentiellement critique est le segment 8-20 présentant le motif NFLVH qui ne forme plus d’amyloïde lorsqu’il est remplacé par le motif DFLGR ou KFLIR. Les acides aminés 29P, 14K et 18R sont également impliqués dans l’inhibition de la transformation structurale en fibrille. La dernière partie du projet consiste à inhiber la formation de l’amyloïde en utilisant des composés chimiques commercialisés (hypoglycémiants, anti-inflammatoires non stéroïdiens) ou nouvellement synthétisés dans notre laboratoire (les aryles éthyles urées). Un criblage d’une soixantaine de composés chimiques a été conduit dans cette étude. Leur efficacité a été testée sur l’IAPP humaine, qui possède un fort potentiel amyloïdogénique. Les techniques utilisées sont les mêmes que celles exploitées précédemment. L’essai de liaison croisée photo-induite ("photo-induced cross-linking of unmodified proteins", PICUP) a été réalisé afin d’étudier les formes intermédiaires (monomères, oligomères). Un total de 11 composés chimiques a démontré un potentiel à inhiber l’agrégation des fibrilles. Pour la classe des hypoglycémiants, le glyburide, le répaglinide et la troglitazone ont montré l’activité thérapeutique la plus élevée pour retarder et réduire la formation de fibrilles. Les anti-inflammatoires antiamyloïdogènes actifs incluaient le diclofenac, le méloxicam, le phénylbutazone, le sulindac et le ténoxicam. Les aryles étyles urées les plus intéressantes étaient la EU-362 et la EU-418. Tous ces composés ont conféré une protection cellulaire contre l’activité cytotoxique des fibrilles. Les molécules actives possèdent des éléments structuraux communs tels des substituants donneurs d’électrons (alcool, amine, halogène) sur un noyau benzène. En conclusion, ce projet de recherche a permis de caractériser l’IAPP chez diverses espèces animales, dont plusieurs chez lesquelles elle n’avait pas encore été décrite, de déterminer les sites jouant un rôle clé dans sa transformation en amyloïde et, ultimement, de tester le potentiel thérapeutique de nouveaux agents antiamyloïdogènes dans le diabète de type 2. Nous espérons que ce projet ouvrira ainsi la porte à de nouvelles stratégies de traitement.