Computational models of cortical visual processing.

The visual responses of neurons in the cerebral cortex were first adequately characterized in the 1960s by D. H. Hubel and T. N. Wiesel [(1962) J. Physiol. (London) 160, 106-154; (1968) J. Physiol. (London) 195, 215-243] using qualitative analyses based on simple geometric visual targets. Over the past 30 years, it has become common to consider the properties of these neurons by attempting to make formal descriptions of these transformations they execute on the visual image. Most such models have their roots in linear-systems approaches pioneered in the retina by C. Enroth-Cugell and J. R. Robson [(1966) J. Physiol. (London) 187, 517-552], but it is clear that purely linear models of cortical neurons are inadequate. We present two related models: one designed to account for the responses of simple cells in primary visual cortex (V1) and one designed to account for the responses of pattern direction selective cells in MT (or V5), an extrastriate visual area thought to be involved in the analysis of visual motion. These models share a common structure that operates in the same way on different kinds of input, and instantiate the widely held view that computational strategies are similar throughout the cerebral cortex. Implementations of these models for Macintosh microcomputers are available and can be used to explore the models' properties.

Cortical activity flips among quasi-stationary states.

Parallel recordings of spike trains of several single cortical neurons in behaving monkeys were analyzed as a hidden Markov process. The parallel spike trains were considered as a multivariate Poisson process whose vector firing rates change with time. As a consequence of this approach, the complete recording can be segmented into a sequence of a few statistically discriminated hidden states, whose dynamics are modeled as a first-order Markov chain. The biological validity and benefits of this approach were examined in several independent ways: (i) the statistical consistency of the segmentation and its correspondence to the behavior of the animals; (ii) direct measurement of the collective flips of activity, obtained by the model; and (iii) the relation between the segmentation and the pair-wise short-term cross-correlations between the recorded spike trains. Comparison with surrogate data was also carried out for each of the above examinations to assure their significance. Our results indicated the existence of well-separated states of activity, within which the firing rates were approximately stationary. With our present data we could reliably discriminate six to eight such states. The transitions between states were fast and were associated with concomitant changes of firing rates of several neurons. Different behavioral modes and stimuli were consistently reflected by different states of neural activity. Moreover, the pair-wise correlations between neurons varied considerably between the different states, supporting the hypothesis that these distinct states were brought about by the cooperative action of many neurons.

Hypertonicity activates nonselective cation channels in mouse cortical collecting duct cells.

We investigated the effect of cell shrinkage on whole-cell currents of M-1 mouse cortical collecting duct cells. Addition of 100 mM sucrose to an isotonic NaCl bath solution induced cell shrinkage and increased whole-cell currents within 5-10 min by approximately 12-fold. The effect was reversible upon return to isotonic solution and could also be elicited by adding 100 mM urea or 50 mM NaCl. Replacement of bath Na+ by K+, Cs+, Li+, or Rb+ did not significantly affect the stimulated inward current, but replacement by N-methyl-D-glucamine reduced it by 88.1 +/- 1.3% (n = 34); this demonstrates that hypertonicity activates a nonselective alkali cation conductance. The activation was independent of extra- and intracellular Ca2+, but 1 or 10 mM ATP in the pipette suppressed it in a concentration-dependent manner, indicating that intracellular ATP levels may modulate the degree of channel activation. Flufenamic acid (0.1 mM) and gadolinium (0.1 mM) inhibited the stimulated current by 68.7 +/- 5.9% (n = 9) and 32.4 +/- 11.7% (n = 6), respectively, whereas 0.1 mM amiloride had no significant effect. During the early phase of hypertonic stimulation single-channel transitions could be detected in whole-cell current recordings, and a gradual activation of 30 and more individual channels with a single-channel conductance of 26.7 +/- 0.4 pS (n = 29) could be resolved. Thus, we identified the nonselective cation channel underlying the shrinkage-induced whole-cell conductance that may play a role in volume regulation.

Apoptosis and necrosis: two distinct events induced, respectively, by mild and intense insults with N-methyl-D-aspartate or nitric oxide/superoxide in cortical cell cultures.

N-Methyl-D-aspartate (NMDA) receptor-mediated neurotoxicity may depend, in part, on the generation of nitric oxide (NO.) and superoxide anion (O2.-), which react to form peroxynitrite (OONO-). This form of neurotoxicity is thought to contribute to a final common pathway of injury in a wide variety of acute and chronic neurologic disorders, including focal ischemia, trauma, epilepsy, Huntington disease, Alzheimer disease, amyotrophic lateral scelerosis, AIDS dementia, and other neurodegenerative diseases. Here, we report that exposure of cortical neurons to relatively short durations or low concentrations of NMDA, S-nitrosocysteine, or 3-morpholinosydnonimine, which generate low levels of peroxynitrite, induces a delayed form of neurotoxicity predominated by apoptotic features. Pretreatment with superoxide dismutase and catalase to scavenge O2.- partially prevents the apoptotic process triggered by S-nitrosocysteine or 3-morpholinosydnonimine. In contrast, intense exposure to high concentrations of NMDA or peroxynitrite induces necrotic cell damage characterized by acute swelling and lysis, which cannot be ameliorated by superoxide dismutase and catalase. Thus, depending on the intensity of the initial insult, NMDA or nitric oxide/superoxide can result in either apoptotic or necrotic neuronal cell damage.

Presynaptic modulation of cortical synaptic activity by calcineurin.

Synaptic plasticity is modulated by Ca(2+)-induced alterations in the balance between phosphorylation and dephosphorylation. Recent evidence suggests that calcineurin, the Ca(2+)-calmodulin-dependent phosphatase (2B), modulates the activity of postsynaptic glutamate receptors. However, in rat cortex, calcineurin is enriched mainly in presynaptic, not postsynaptic, fractions. To determine if calcineurin modulates glutamatergic neurotransmission through a presynaptic mechanism, we used whole-cell patch clamp experiments to test effects of two specific calcineurin inhibitors, cyclosporin A (CsA) and FK506, on synaptic activity in fetal rat cortical neurons. The rate of spontaneous action-potential firing was markedly increased by either CsA or FK506 but was unaffected by rapamycin, a structural analog of FK506 which has no effect on calcineurin. In voltage-clamp experiments, CsA increased the rate but not the amplitude of glutamate receptor-mediated, excitatory postsynaptic currents, suggesting an increased rate of glutamate release. CsA had no effect on the amplitude of currents evoked by brief bath application of selective glutamate receptor agonists, providing further evidence for a pre- rather than postsynaptic site of action. In conclusion, these data indicate that calcineurin modulates glutamatergic neurotransmission in rat cortical neurons through a presynaptic mechanism.

Cortical correlate of pattern backward masking.

The perception of a briefly presented shape is strongly impaired when it is followed by another pattern, a phenomenon called backward masking. We found that the vast majority of a sample of shape-selective neurons in the macaque inferior temporal cortex respond selectively to backward-masked shapes, although these shapes could not be discriminated by human and monkey subjects. However, this selective response was brief, since it was either interrupted by the mask or overridden by a response to the mask itself. We show that reliable discrimination of briefly presented shapes by single neurons depends on the temporal integration of the response. Presentation of the mask, however, reduces the number of spikes available for integration, explaining backward masking. These results also provide direct neurophysiological evidence for the "interruption theory" of backward masking.

Prenatal monocular enucleation induces a selective loss of low-spatial-frequency cortical responses to the remaining eye.

During early development, interactions between the two eyes are critical in the formation of eye-specific domains within the lateral geniculate nucleus and the visual cortex. When monocular enucleation is done early in prenatal life, it induces remarkable anatomical and functional reorganizations of the visual pathways. Behavioral data have shown a loss in sensitivity to low-spatial-frequency gratings in cats. To correlate the behavioral observations with a possible change in the analysis of contrast at the level of primary visual areas we recorded visual evoked potentials at the 17/18 border in two cats enucleated prenatally (gestational age at enucleation, 39-42 days), three neonatal, two control animals, and one animal with a surgical removal of Y-ganglion fibers. Our results show a strong attenuation in the amplitude of response at all contrast values for gratings of low spatial frequency in prenatally enucleated cats, whereas neonatally enucleated and control animals present responses of comparable amplitude. We conclude that the behavioral results reflect the reduced sensitivity for low frequencies of visual cortical neurons. In addition, we define a critical period for the development of the contrast-sensitivity function that seems to be limited to the prenatal gestation period. We suggest that the prenatal interruption of binocular interactions leads to a functional elimination of the Y-ganglion system.

Caracterização do potencial evocado auditivo cortical P1-N1-P2 em crianças com estimulação bimodal

Introdução: O implante coclear (IC) amplamente aceito como forma de intervenção e (re) habilitação nas perdas auditivas severas e profundas nas diversas faixas etárias. Contudo observa-se no usuário do IC unilateral queixas como localização e compreensão sonora em meio ao ruído, gerado pelo padrão anormal de estimulação sensorial. A fim de fornecer os benefícios da audição binaural, é preconizado a estimulação bilateral, seja por meio do IC bilateral ou com a adaptação de um aparelho de amplificação sonora individual (AASI) contralateralmente ao IC. Esta última condição é referida como estimulação bimodal, quando temos, concomitantemente dois modos de estimulação: Elétrica (IC) e acústica (AASI). Não há dados suficientes na literatura voltados à população infantil que esclareça ou demonstre o desenvolvimento do córtex auditivo na audição bimodal. Ressalta-se que não foram encontrados estudos em crianças. Objetivo: Caracterizar o PEAC complexo P1, N1 P2 em usuários da estimulação bimodal e verificar se há correlação com testes de percepção de fala. Metodologia: Estudo descritivo de séries de casos, com a realização do PEAC em cinco crianças usuárias da estimulação bimodal, a partir da metodologia proposta por Ventura (2008) utilizando o sistema Smart EP USB Jr da Intelligent Hearing Systems. Foi utilizado o som de fala /da/, apresentado em campo livre. O exame será realizado em três situações: Somente IC, IC e AASI e somente AASI. A análise dos dados dos potenciais corticais foi realizada após a marcação da presença ou ausência dos componentes do complexo P1-N1-P2 por dois juízes com experiência em potenciais evocados. Resultados: Foi obtida a captação do PEAC em todas as crianças em todas as situações de teste, além do que foi possível observar a correlação destes com os testes de percepção auditiva da fala. Foi possível verificar que o registro dos PEAC é um procedimento viável para a avaliação da criança com estimulação bimodal, porém, ainda não há dados suficientes quanto a utilização deste para a avaliação e indicação do IC bilateral.

Investigating the role of glycine in astrocyte signalling using calcium imaging of rat primary cultures of cortical astrocytes

Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014

Role of the cotransporter KCC2 in cortical excitatory synapse development and febrile seizure susceptibility

Le co-transporteur KCC2 spécifique au potassium et chlore a pour rôle principal de réduire la concentration intracellulaire de chlore, entraînant l’hyperpolarisation des courants GABAergic l’autorisant ainsi à devenir inhibiteur dans le cerveau mature. De plus, il est aussi impliqué dans le développement des synapses excitatrices, nommées aussi les épines dendritiques. Le but de notre projet est d’étudier l’effet des modifications concernant l'expression et la fonction de KCC2 dans le cortex du cerveau en développement dans un contexte de convulsions précoces. Les convulsions fébriles affectent environ 5% des enfants, et ce dès la première année de vie. Les enfants atteints de convulsions fébriles prolongées et atypiques sont plus susceptibles à développer l’épilepsie. De plus, la présence d’une malformation cérébrale prédispose au développement de convulsions fébriles atypiques, et d’épilepsie du lobe temporal. Ceci suggère que ces pathologies néonatales peuvent altérer le développement des circuits neuronaux irréversiblement. Cependant, les mécanismes qui sous-tendent ces effets ne sont pas encore compris. Nous avons pour but de comprendre l'impact des altérations de KCC2 sur la survenue des convulsions et dans la formation des épines dendritiques. Nous avons étudié KCC2 dans un modèle animal de convulsions précédemment validé, qui combine une lésion corticale à P1 (premier jour de vie postnatale), suivie d'une convulsion induite par hyperthermie à P10 (nommés rats LHS). À la suite de ces insultes, 86% des rats mâles LHS développent l’épilepsie à l’âge adulte, au même titre que des troubles d’apprentissage. À P20, ces animaux presentent une augmentation de l'expression de KCC2 associée à une hyperpolarisation du potentiel de réversion de GABA. De plus, nous avons observé des réductions dans la taille des épines dendritiques et l'amplitude des courants post-synaptiques excitateurs miniatures, ainsi qu’un déficit de mémoire spatial, et ce avant le développement des convulsions spontanées. Dans le but de rétablir les déficits observés chez les rats LHS, nous avons alors réalisé un knock-down de KCC2 par shARN spécifique par électroporation in utero. Nos résultats ont montré une diminution de la susceptibilité aux convulsions due à la lésion corticale, ainsi qu'une restauration de la taille des épines. Ainsi, l’augmentation de KCC2 à la suite d'une convulsion précoce, augmente la susceptibilité aux convulsions modifiant la morphologie des épines dendritiques, probable facteur contribuant à l’atrophie de l’hippocampe et l’occurrence des déficits cognitifs. Le deuxième objectif a été d'inspecter l’effet de la surexpression précoce de KCC2 dans le développement des épines dendritiques de l’hippocampe. Nous avons ainsi surexprimé KCC2 aussi bien in vitro dans des cultures organotypiques d’hippocampe, qu' in vivo par électroporation in utero. À l'inverse des résultats publiés dans le cortex, nous avons observé une diminution de la densité d’épines dendritiques et une augmentation de la taille des épines. Afin de confirmer la spécificité du rôle de KCC2 face à la région néocorticale étudiée, nous avons surexprimé KCC2 dans le cortex par électroporation in utero. Cette manipulation a eu pour conséquences d’augmenter la densité et la longueur des épines synaptiques de l’arbre dendritique des cellules glutamatergiques. En conséquent, ces résultats ont démontré pour la première fois, que les modifications de l’expression de KCC2 sont spécifiques à la région affectée. Ceci souligne les obstacles auxquels nous faisons face dans le développement de thérapie adéquat pour l’épilepsie ayant pour but de moduler l’expression de KCC2 de façon spécifique.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.