Studying Memory Encoding to Promote Reliable Engagement of the Medial Temporal Lobe at the Single-subject Level

The medial temporal lobe (MTL)-comprising hippocampus and the surrounding neocortical regions-is a targeted brain area sensitive to several neurological diseases. Although functional magnetic resonance imaging (fMRI) has been widely used to assess brain functional abnormalities, detecting MTL activation has been technically challenging. The aim of our study was to provide an fMRI paradigm that reliably activates MTL regions at the individual level, thus providing a useful tool for future research in clinical memory-related studies. Twenty young healthy adults underwent an event-related fMRI study consisting of three encoding conditions: word-pairs, face-name associations and complex visual scenes. A region-of-interest analysis at the individual level comparing novel and repeated stimuli independently for each task was performed. The results of this analysis yielded activations in the hippocampal and parahippocampal regions in most of the participants. Specifically, 95% and 100% of participants showed significant activations in the left hippocampus during the face-name encoding and in the right parahippocampus, respectively, during scene encoding. Additionally, a whole brain analysis, also comparing novel versus repeated stimuli at the group level, showed mainly left frontal activation during the word task. In this group analysis, the face-name association engaged the HP and fusiform gyri bilaterally, along with the left inferior frontal gyrus, and the complex visual scenes activated mainly the parahippocampus and hippocampus bilaterally. In sum, our task design represents a rapid and reliable manner to study and explore MTL activity at the individual level, thus providing a useful tool for future research in clinical memory-related fMRI studies.

Changes of ongoing activity in Cebus monkey perirhinal cortex correlate with behavioral performance

A Cebus apella monkey weighing 4 kg was trained in a saccadic eye movement task and while the animal performed the task we recorded the extracellular activity of perirhinal cortical neurons. Although the task was very simple and maintained at a constant level of difficulty, we observed considerable changes in the performance of the monkey within each experimental session. The behavioral states responsible for such variation may be related to arousal, motivation or attention of the animal while engaged in the task. In approximately 20% (16/82) of the units recorded, long-term direct or inverse correlations could be demonstrated between the monkey's behavioral state and the cells' ongoing activity (independent of the visual stimulation or of the specific behavior along a trial). The perirhinal cortex and other medial temporal structures have long been associated with normal memory function. The data presented here were interpreted in terms of recent reports focusing on the subcortical afferents to temporal lobe structures and their possible role in controlling arousal, motivation, or attention.

Maternal aggression in Wistar rats: effect of 5-HT2A/2C receptor agonist and antagonist microinjected into the dorsal periaqueductal gray matter and medial septum

The objective of the present study was to assess the role of the 5-HT2A/2C receptor at two specific brain sites, i.e., the dorsal periaqueductal gray matter (DPAG) and the medial septal (MS) area, in maternal aggressive behavior after the microinjection of either a 5-HT2A/2C receptor agonist or antagonist. Female Wistar rats were microinjected on the 7th postpartum day with the selective agonist alpha-methyl-5-hydroxytryptamine maleate (5-HT2A/2C) or the antagonist 5-HT2A/2C, ketanserin. The agonist was injected into the DPAG at 0.2 (N = 9), 0.5 (N = 10), and 1.0 µg/0.2 µl (N = 9), and the antagonist was injected at 1.0 µg/0.2 µl (N = 9). The agonist was injected into the medial septal area (MS) at 0.2 (N = 9), 0.5 (N = 7), and 1.0 µg/0.2 µl (N = 6) and the antagonist was injected at 1.0 µg/0.2 µl (N = 5). For the control, saline was injected into the DPAG (N = 7) and the MS (N = 12). Both areas are related to aggressive behavior and contain a high density of 5-HT receptors. Non-aggressive behaviors such as horizontal locomotion (walking) and social investigation and aggressive behaviors such as lateral threat (aggressive posture), attacks (frontal and lateral), and biting the intruder were analyzed when a male intruder was placed into the female resident's cage. For each brain area studied, the frequency of the behaviors was compared among the various treatments by analysis of variance. The results showed a decrease in maternal aggressive behavior (number of bites directed at the intruder) after microinjection of the agonist at 0.2 and 1.0 µg/0.2 µl (1.6 ± 0.7 and 0.9 ± 0.3) into the DPAG compared to the saline group (5.5 ± 1.1). There was no dose-response relationship with the agonist. The present findings suggest that the 5-HT2A/2C receptor agonist has an inhibitory effect on maternal aggressive behavior when microinjected into the DPAG and no effect when microinjected into the MS. Ketanserin (1.0 µg/0.2 µl) decreased locomotion when microinjected into the DPAG and MS, but did not affect aggressive behavior. We interpret these findings as evidence for a specific role of 5-HT2A/2C receptors in the DPAG in the inhibition of female aggressive behavior, dissociated from those on motor activity.

Proton magnetic resonance spectroscopy of the frontal, cingulate and perirolandic cortices and its relationship to skin conductance in patients with schizophrenia

The aim of the present study was to determine whether specific subgroups of schizophrenic patients, grouped according to electrodermal characteristics, show differences in the N-acetylaspartate/creatine plus choline (NAA / (Cr + Cho)) ratios in the frontal, cingulate and perirolandic cortices. Skin conductance levels (SCL) and skin conductance responses to auditory stimulation were measured in 38 patients with schizophrenia and in the same number of matched healthy volunteers (control). All subjects were submitted to multivoxel proton magnetic resonance spectroscopic imaging. When compared to the control group, patients presented significantly lower NAA / (Cr + Cho) ratios in the right dorsolateral prefrontal cortex (schizophrenia = 0.95 ± 0.03; control = 1.12 ± 0.04) and in the right (schizophrenia = 0.88 ± 0.02; control = 0.94 ± 0.03) and left (schizophrenia = 0.84 ± 0.03; control = 0.94 ± 0.03) cingulates. These ratios did not differ between electrodermally responsive and non-responsive patients. When patients were divided into two groups: lower SCL (less than the mean SCL of the control group minus two standard deviations) and normal SCL (similar to the control group), the subgroup with a lower level of SCL showed a lower NAA / (Cr + Cho) ratio in the left cingulate (0.78 ± 0.05) than the controls (0.95 ± 0.02, P < 0.05) and the subgroup with normal SCL (0.88 ± 0.03, P < 0.05). There was a negative correlation between the NAA / (Cr + Cho) ratio in the left cingulate of patients with schizophrenia and the duration of the disease and years under medication. These data suggest the existence of a schizophrenic subgroup characterized by low SCL that could be a consequence of the lower neuronal viability observed in the left cingulate of these patients.

Frontal Lobe Function and Performance Monitoring following Total Sleep Deprivation

Imaging studies have shown reduced frontal lobe resources following total sleep deprivation (TSD). The anterior cingulate cortex (ACC) in the frontal region plays a role in performance monitoring and cognitive control; both error detection and response inhibition are impaired following sleep loss. Event-related potentials (ERPs) are an electrophysiological tool used to index the brain's response to stimuli and information processing. In the Flanker task, the error-related negativity (ERN) and error positivity (Pe) ERPs are elicited after erroneous button presses. In a Go/NoGo task, NoGo-N2 and NoGo-P3 ERPs are elicited during high conflict stimulus processing. Research investigating the impact of sleep loss on ERPs during performance monitoring is equivocal, possibly due to task differences, sample size differences and varying degrees of sleep loss. Based on the effects of sleep loss on frontal function and prior research, it was expected that the sleep deprivation group would have lower accuracy, slower reaction time and impaired remediation on performance monitoring tasks, along with attenuated and delayed stimulus- and response-locked ERPs. In the current study, 49 young adults (24 male) were screened to be healthy good sleepers and then randomly assigned to a sleep deprived (n = 24) or rested control (n = 25) group. Participants slept in the laboratory on a baseline night, followed by a second night of sleep or wake. Flanker and Go/NoGo tasks were administered in a battery at 1O:30am (i.e., 27 hours awake for the sleep deprivation group) to measure performance monitoring. On the Flanker task, the sleep deprivation group was significantly slower than controls (p's <.05), but groups did not differ on accuracy. No group differences were observed in post-error slowing, but a trend was observed for less remedial accuracy in the sleep deprived group compared to controls (p = .09), suggesting impairment in the ability to take remedial action following TSD. Delayed P300s were observed in the sleep deprived group on congruent and incongruent Flanker trials combined (p = .001). On the Go/NoGo task, the hit rate (i.e., Go accuracy) was significantly lower in the sleep deprived group compared to controls (p <.001), but no differences were found on false alarm rates (i.e., NoGo Accuracy). For the sleep deprived group, the Go-P3 was significantly smaller (p = .045) and there was a trend for a smaller NoGo-N2 compared to controls (p = .08). The ERN amplitude was reduced in the TSD group compared to controls in both the Flanker and Go/NoGo tasks. Error rate was significantly correlated with the amplitude of response-locked ERNs in control (r = -.55, p=.005) and sleep deprived groups (r = -.46, p = .021); error rate was also correlated with Pe amplitude in controls (r = .46, p=.022) and a trend was found in the sleep deprived participants (r = .39, p =. 052). An exploratory analysis showed significantly larger Pe mean amplitudes (p = .025) in the sleep deprived group compared to controls for participants who made more than 40+ errors on the Flanker task. Altered stimulus processing as indexed by delayed P3 latency during the Flanker task and smaller amplitude Go-P3s during the Go/NoGo task indicate impairment in stimulus evaluation and / or context updating during frontal lobe tasks. ERN and NoGoN2 reductions in the sleep deprived group confirm impairments in the monitoring system. These data add to a body of evidence showing that the frontal brain region is particularly vulnerable to sleep loss. Understanding the neural basis of these deficits in performance monitoring abilities is particularly important for our increasingly sleep deprived society and for safety and productivity in situations like driving and sustained operations.

Réorganisation fonctionnelle et structurale des cortex auditifs, visuels et associatifs chez les sourds profonds congénitaux ou prélinguaux

En raison de l’utilisation d’un mode de communication totalement différent de celui des entendants, le langage des signes, et de l’absence quasi-totale d’afférences en provenance du système auditif, il y a de fortes chances que d’importantes modifications fonctionnelles et structurales s’effectuent dans le cerveau des individus sourds profonds. Les études antérieures suggèrent que cette réorganisation risque d’avoir des répercussions plus importantes sur les structures corticales situées le long de la voie visuelle dorsale qu’à l’intérieur de celles situées à l’intérieur de la voie ventrale. L’hypothèse proposée par Ungerleider et Mishkin (1982) quant à la présence de deux voies visuelles dans les régions occipitales, même si elle demeure largement acceptée dans la communauté scientifique, s’en trouve aussi relativement contestée. Une voie se projetant du cortex strié vers les régions pariétales postérieures, est impliquée dans la vision spatiale, et l’autre se projetant vers les régions du cortex temporal inférieur, est responsable de la reconnaissance de la forme. Goodale et Milner (1992) ont par la suite proposé que la voie dorsale, en plus de son implication dans le traitement de l’information visuo-spatiale, joue un rôle dans les ajustements sensori-moteurs nécessaires afin de guider les actions. Dans ce contexte, il est tout à fait plausible de considérer qu’un groupe de personne utilisant un langage sensori-moteur comme le langage des signes dans la vie de tous les jours, s’expose à une réorganisation cérébrale ciblant effectivement la voie dorsale. L’objectif de la première étude est d’explorer ces deux voies visuelles et plus particulièrement, la voie dorsale, chez des individus entendants par l’utilisation de deux stimuli de mouvement dont les caractéristiques physiques sont très similaires, mais qui évoquent un traitement relativement différent dans les régions corticales visuelles. Pour ce faire, un stimulus de forme définie par le mouvement et un stimulus de mouvement global ont été utilisés. Nos résultats indiquent que les voies dorsale et ventrale procèdent au traitement d’une forme définie par le mouvement, tandis que seule la voie dorsale est activée lors d’une tâche de mouvement global dont les caractéristiques psychophysiques sont relativement semblables. Nous avons utilisé, subséquemment, ces mêmes stimulations activant les voies dorsales et ventrales afin de vérifier quels pourraient être les différences fonctionnelles dans les régions visuelles et auditives chez des individus sourds profonds. Plusieurs études présentent la réorganisation corticale dans les régions visuelles et auditives en réponse à l’absence d’une modalité sensorielle. Cependant, l’implication spécifique des voies visuelles dorsale et ventrale demeure peu étudiée à ce jour, malgré plusieurs résultats proposant une implication plus importante de la voie dorsale dans la réorganisation visuelle chez les sourds. Suite à l’utilisation de l’imagerie cérébrale fonctionnelle pour investiguer ces questions, nos résultats ont été à l’encontre de cette hypothèse suggérant une réorganisation ciblant particulièrement la voie dorsale. Nos résultats indiquent plutôt une réorganisation non-spécifique au type de stimulation utilisé. En effet, le gyrus temporal supérieur est activé chez les sourds suite à la présentation de toutes nos stimulations visuelles, peu importe leur degré de complexité. Le groupe de participants sourds montre aussi une activation du cortex associatif postérieur, possiblement recruté pour traiter l’information visuelle en raison de l’absence de compétition en provenance des régions temporales auditives. Ces résultats ajoutent aux données déjà recueillies sur les modifications fonctionnelles qui peuvent survenir dans tout le cerveau des personnes sourdes, cependant les corrélats anatomiques de la surdité demeurent méconnus chez cette population. Une troisième étude se propose donc d’examiner les modifications structurales pouvant survenir dans le cerveau des personnes sourdes profondes congénitales ou prélinguales. Nos résultats montrent que plusieurs régions cérébrales semblent être différentes entre le groupe de participants sourds et celui des entendants. Nos analyses ont montré des augmentations de volume, allant jusqu’à 20%, dans les lobes frontaux, incluant l’aire de Broca et d’autres régions adjacentes impliqués dans le contrôle moteur et la production du langage. Les lobes temporaux semblent aussi présenter des différences morphométriques même si ces dernières ne sont pas significatives. Enfin, des différences de volume sont également recensées dans les parties du corps calleux contenant les axones permettant la communication entre les régions temporales et occipitales des deux hémisphères.

Rôle du cortex pariétal postérieur dans le processus d'intégration visuomotrice - connexions anatomiques avec le cortex moteur et activité cellulaire lors de la locomotion chez le chat

La progression d’un individu au travers d’un environnement diversifié dépend des informations visuelles qui lui permettent d’évaluer la taille, la forme ou même la distance et le temps de contact avec les obstacles dans son chemin. Il peut ainsi planifier en avance les modifications nécessaires de son patron locomoteur afin d’éviter ou enjamber ces entraves. Ce concept est aussi applicable lorsque le sujet doit atteindre une cible, comme un prédateur tentant d’attraper sa proie en pleine course. Les structures neurales impliquées dans la genèse des modifications volontaires de mouvements locomoteurs ont été largement étudiées, mais relativement peu d’information est présentement disponible sur les processus intégrant l’information visuelle afin de planifier ces mouvements. De nombreux travaux chez le primate suggèrent que le cortex pariétal postérieur (CPP) semble jouer un rôle important dans la préparation et l’exécution de mouvements d’atteinte visuellement guidés. Dans cette thèse, nous avons investigué la proposition que le CPP participe similairement dans la planification et le contrôle de la locomotion sous guidage visuel chez le chat. Dans notre première étude, nous avons examiné l’étendue des connexions cortico-corticales entre le CPP et les aires motrices plus frontales, particulièrement le cortex moteur, à l’aide d’injections de traceurs fluorescents rétrogrades. Nous avons cartographié la surface du cortex moteur de chats anesthésiés afin d’identifier les représentations somatotopiques distales et proximales du membre antérieur dans la partie rostrale du cortex moteur, la représentation du membre antérieur située dans la partie caudale de l’aire motrice, et enfin la représentation du membre postérieur. L’injection de différents traceurs rétrogrades dans deux régions motrices sélectionnées par chat nous a permis de visualiser la densité des projections divergentes et convergentes pariétales, dirigées vers ces sites moteurs. Notre analyse a révélé une organisation topographique distincte de connexions du CPP avec toutes les régions motrices identifiées. En particulier, nous avons noté que la représentation caudale du membre antérieur reçoit majoritairement des projections du côté rostral du sillon pariétal, tandis que la partie caudale du CPP projette fortement vers la représentation rostrale du membre antérieur. Cette dernière observation est particulièrement intéressante, parce que le côté caudal du sillon pariétal reçoit de nombreux inputs visuels et sa cible principale, la région motrice rostrale, est bien connue pour être impliquée dans les fonctions motrices volontaires. Ainsi, cette étude anatomique suggère que le CPP, au travers de connexions étendues avec les différentes régions somatotopiques du cortex moteur, pourrait participer à l’élaboration d’un substrat neural idéal pour des processus tels que la coordination inter-membre, intra-membre et aussi la modulation de mouvements volontaires sous guidage visuel. Notre deuxième étude a testé l’hypothèse que le CPP participe dans la modulation et la planification de la locomotion visuellement guidée chez le chat. En nous référant à la cartographie corticale obtenue dans nos travaux anatomiques, nous avons enregistré l’activité de neurones pariétaux, situés dans les portions des aires 5a et 5b qui ont de fortes connexions avec les régions motrices impliquées dans les mouvements de la patte antérieure. Ces enregistrements ont été effectués pendant une tâche de locomotion qui requiert l’enjambement d’obstacles de différentes tailles. En dissociant la vitesse des obstacles de celle du tapis sur lequel le chat marche, notre protocole expérimental nous a aussi permit de mettre plus d’emphase sur l’importance de l’information visuelle et de la séparer de l’influx proprioceptif généré pendant la locomotion. Nos enregistrements ont révélé deux groupes de cellules pariétales activées en relation avec l’enjambement de l’obstacle: une population, principalement située dans l’aire 5a, qui décharge seulement pendant le passage du membre au dessus del’entrave (cellules spécifiques au mouvement) et une autre, surtout localisée dans l’aire 5b, qui est activée au moins un cycle de marche avant l’enjambement (cellules anticipatrices). De plus, nous avons observé que l’activité de ces groupes neuronaux, particulièrement les cellules anticipatrices, était amplifiée lorsque la vitesse des obstacles était dissociée de celle du tapis roulant, démontrant l’importance grandissante de la vision lorsque la tâche devient plus difficile. Enfin, un grand nombre des cellules activées spécifiquement pendant l’enjambement démontraient une corrélation soutenue de leur activité avec le membre controlatéral, même s’il ne menait pas dans le mouvement (cellules unilatérales). Inversement, nous avons noté que la majorité des cellules anticipatrices avaient plutôt tendance à maintenir leur décharge en phase avec l’activité musculaire du premier membre à enjamber l’obstacle, indépendamment de sa position par rapport au site d’enregistrement (cellules bilatérales). Nous suggérons que cette disparité additionnelle démontre une fonction diversifiée de l’activité du CPP. Par exemple, les cellules unilatérales pourraient moduler le mouvement du membre controlatéral au-dessus de l’obstacle, qu’il mène ou suive dans l’ordre d’enjambement, tandis que les neurones bilatéraux sembleraient plutôt spécifier le type de mouvement volontaire requis pour éviter l’entrave. Ensembles, nos observations indiquent que le CPP a le potentiel de moduler l’activité des centres moteurs au travers de réseaux corticaux étendus et contribue à différents aspects de la locomotion sous guidage visuel, notamment l’initiation et l’ajustement de mouvements volontaires des membres antérieurs, mais aussi la planification de ces actions afin d’adapter la progression de l’individu au travers d’un environnement complexe.

An fMRI study of emotional episodic memory in schizophrenia : effects of diagnosis and sex

La schizophrénie est une psychopathologie largement hétérogène caractérisée entre autres par d’importantes défaillances dans le fonctionnement cognitif et émotionnel. En effet, par rapport à la population générale, forte proportion de ces individus présentent une mémoire déficitaire pour les événements émotionnels. À ce jour, le peu d’études qui se sont penchées sur la mémoire émotionnelle épisodique dans la schizophrénie, ont uniquement mis l’emphase sur l'effet de la valence des stimuli (c’est-à-dire le caractère agréable ou désagréable du stimulus). Toutefois, aucune n’a investigué spécifiquement l’intensité de la réaction aux stimuli (c’est-à-dire une faible par rapport à une forte réaction) malgré quantité de preuves faisant montre, dans la population générale, de différents processus de mémoire émotionnelle pour des stimuli suscitant une forte réaction par rapport à ceux évoquant une faible réponse. Ce manque est d’autant plus flagrant étant donné le nombre d’études ayant rapporté un traitement et un encodage atypiques des émotions spécifiquement au niveau de l’intensité de la réponse subjective chez des patients atteints de schizophrénie. Autre fait important, il est étonnant de constater l’absence de recherches sur les différences de sexe dans la mémoire émotionnelle étant donné l’ensemble des divergences entre hommes et femmes atteints de schizophrénie au niveau de la prévalence, de l’âge de diagnostic, de la manifestation clinique, de l’évolution de la maladie, de la réponse au traitement et des structures cérébrales. Pour pallier à ces lacunes, ce mémoire a évalué : (1) l’effet de la valence des stimuli et de l'intensité de la réaction émotionnelle au niveau des fonctions cérébrales correspondant à la mémoire émotionnelle chez des patients atteints de schizophrénie comparativement à des participants sains; et (2) les possibles différences de sexe dans les processus cérébraux impliqués dans la mémoire émotionnelle chez des patients atteints de schizophrénie par rapport à des volontaires sains. Ainsi, la première étude a comparé les activations cérébrales de patients atteints de schizophrénie par rapport à des participants sains au cours d’une tâche de mémoire émotionnelle dont les stimuli variaient à la fois au niveau de la valence et de l'intensité de la réaction subjective. 37 patients atteints de schizophrénie ainsi que 37 participants en bonne santé ont effectué cette tâche de mémoire émotionnelle lors d’une session d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Pour toutes les conditions étudiées (images négatives, positives, de faible et de forte intensité), le groupe atteint de schizophrénie a performé significativement moins bien que les volontaires sains. Comparativement aux sujets sains, ils ont montré moins d’activations cérébrales dans les régions limbiques et préfrontales lors de la reconnaissance des images négatives, mais ont présenté un patron d'activations similaire à celui des participants sains lors de la reconnaissance des images chargées positivement (activations observées dans le cervelet, le cortex temporal et préfrontal). Enfin, indépendamment de la valence des stimuli, les deux groupes ont démontré une augmentation des activations cérébrales pour les images de forte intensité par rapport à celles de plus faible intensité. La seconde étude a quant à elle exploré les différences de sexe potentielles au niveau des activations cérébrales associées à la mémoire émotionnelle dans la schizophrénie et dans la population en général. Nous avons comparé 41 patients atteints de schizophrénie (20 femmes) à 41 participants en bonne santé (19 femmes) alors qu’ils effectuaient la même tâche de mémoire émotionnelle mentionnée plus haut. Or, pour cette étude, nous nous sommes concentrés sur les conditions suivantes : la reconnaissance d’images positives, négatives et neutres. Nous n'avons pas observé de différences entre les hommes et les femmes au niveau des performances à la tâche de mémoire pour aucune des conditions. En ce qui a trait aux données de neuroimagerie, comparativement aux femmes en bonne santé, celles atteintes de schizophrénie ont montré une diminution des activations cérébrales dans les régions corticales du système limbique (p. ex. cortex cingulaire moyen) et dans les régions sous-corticales (p. ex. amygdale) lors de la reconnaissance d'images négatives. Pour ce qui est de la condition positive, elles ont présenté, comparativement au groupe de femmes saines, des diminutions d’activations spécifiquement dans le cervelet ainsi que dans le gyrus frontal inférieur et moyen. Les hommes atteints de schizophrénie, eux, ont montré une augmentation d’activations par rapport aux hommes sains dans le gyrus préfrontal médian lors de la reconnaissance des stimuli négatifs ; ainsi que dans les régions pariétales, temporales et limbiques lors de la reconnaissance des stimuli positifs. Dans un autre ordre d’idées, notre analyse corrélationnelle a mis en évidence, chez les femmes, un lien significatif entre l’activité cérébrale et les symptômes au cours de la mémoire des stimuli positifs, alors que chez les hommes atteints schizophrénie, ce lien a été observé au cours de la mémoire des stimuli négatifs. Bref, l’ensemble de nos résultats suggère, chez les patients atteints de schizophrénie, un fonctionnement cérébral atypique spécifiquement lors de la reconnaissance d’images négatives, mais un fonctionnement intact lors de la reconnaissance de stimuli positifs. De plus, nous avons mis en évidence la présence de différences de sexe dans les activations cérébrales associées à la mémoire épisodique émotionnelle soulignant ainsi l'importance d’étudier séparément les hommes et les femmes atteints de schizophrénie dans le cadre de recherches sur les plans cognitif et émotionnel.

Mécanismes cérébraux de la régulation de la douleur : perception de la douleur et hypoalgésie induite psychologiquement

Objectif : Cette thèse a pour but de préciser les mécanismes neuropsychologiques de la douleur, de la régulation endogène de la douleur et de l'hypoalgésie induite psychologiquement (HIP) par la synthèse de près de trente ans de recherche imagerie cérébrale fonctionnelle. Méthodologie : Étant donné l'abondance des études sur le sujet et le manque d'intégration de leurs résultats, la technique de métaanalyse quantitative basée sur les coordonnées d'activation cérébrale fut privilégiée dans cette thèse, telle qu’implémentée dans l'algorithme ALE (Activation Likelyhood Estimate). Une force supplémentaire de cette thèse repose sur la rigueur du processus de sélection des articles. En effet, les études incluses dans les métaanalyses devaient satisfaire des critères stricts d'inclusion, ceci dans le but de favoriser la précision et la validité des conclusions subséquentes. Étude 1 : Le premier article visait à identifier les aires cérébrales impliquées dans la réduction de la douleur par des méthodes psychologiques d'interventions. Les articles retenus portent sur une variété de méthodes d'intervention, telles que le placebo, l'hypnose, la méditation, la perception de contrôle sur la stimulation douloureuse et l'induction d'émotions. Les résultats indiquent que l'HIP implique un vaste réseau d'activation qui comprend le cortex cingulaire antérieur, l'insula antérieure, les zones orbitofrontale et préfrontale latérale, ainsi que les régions pariétale, temporale et souscorticales. Ces activations reflèteraient l'implication des mécanismes neuropsychologiques cognitifs et émotionnels sous-tendent les interventions psychologiques ciblées par ces études, incluant la conscience de soi et la motivation. De plus, les divergences de patron d'activation entre les approches ont été explorées, notamment pour le placebo et la distraction. Étude 2 : Le deuxième article a identifié des patrons d'activations préférentiellement associés à la perception de la douleur, à l'HIP, ainsi que des activations communément associées à la douleur et l'HIP. Les résultats indiquent que 1) la perception de la douleur est associée à l'activation d'aires somatosensorielles et motrices, ce qui pourrait être le reflet de la préparation d'une action adaptative, 2) l'HIP est liée à l'engagement de régions préfrontales antéromédianes et orbitales, possiblement en lien avec des processus motivationnels et émotionnels, et 3) la douleur et l'HIP sont associés à l'activation d'aires préfrontales dorsolatérales, de l'insula antérieure et du cortex cingulaire moyen, ce qui pourrait refléter l'engagement spontané pendant la douleur de mécanismes endogènes de régulation descendante. Conclusion : Par ces études, cette thèse fait le point sur les mécanismes cérébraux impliqués différentiellement dans la perception de la douleur, dans sa régulation endogène et dans l'hypoalgésie induite psychologiquement.

A shift to randomness of brain oscillations in people with autism

BACKGROUND: Resting-state functional magnetic resonance imaging (fMRI) enables investigation of the intrinsic functional organization of the brain. Fractal parameters such as the Hurst exponent, H, describe the complexity of endogenous low-frequency fMRI time series on a continuum from random (H = .5) to ordered (H = 1). Shifts in fractal scaling of physiological time series have been associated with neurological and cardiac conditions. METHODS: Resting-state fMRI time series were recorded in 30 male adults with an autism spectrum condition (ASC) and 33 age- and IQ-matched male volunteers. The Hurst exponent was estimated in the wavelet domain and between-group differences were investigated at global and voxel level and in regions known to be involved in autism. RESULTS: Complex fractal scaling of fMRI time series was found in both groups but globally there was a significant shift to randomness in the ASC (mean H = .758, SD = .045) compared with neurotypical volunteers (mean H = .788, SD = .047). Between-group differences in H, which was always reduced in the ASC group, were seen in most regions previously reported to be involved in autism, including cortical midline structures, medial temporal structures, lateral temporal and parietal structures, insula, amygdala, basal ganglia, thalamus, and inferior frontal gyrus. Severity of autistic symptoms was negatively correlated with H in retrosplenial and right anterior insular cortex. CONCLUSIONS: Autism is associated with a small but significant shift to randomness of endogenous brain oscillations. Complexity measures may provide physiological indicators for autism as they have done for other medical conditions.

The roles of perirhinal cortex, postrhinal cortex, and the fornix in memory for objects, contexts, and events in the rat

Investigation of the anatomical substructure of the medial temporal lobe has revealed a number of highly interconnected areas, which has led some to propose that the region operates as a unitary memory system. However, here we outline the results of a number of studies from our laboratories, which investigate the contributions of the rat's perirhinal cortex and postrhinal cortex to memory, concentrating particularly on their respective roles in memory for objects. By contrasting patterns of impairment and spared abilities on a number of related tasks, we suggest that perirhinal cortex and postrhinal cortex make distinctive contributions to learning and memory: for example, that postrhinal cortex is important in learning about within-scene position and context. We also provide evidence that despite the strong connectivity between these cortical regions and the hippocampus, the hippocampus, as evidenced by lesions of the fornix, has a distinct function of its own-combining information about objects, positions, and contexts.

An fMRI study of parietal cortex involvement in the visual guidance of locomotion

Locomoting through the environment typically involves anticipating impending changes in heading trajectory in addition to maintaining the current direction of travel. We explored the neural systems involved in the “far road” and “near road” mechanisms proposed by Land and Horwood (1995) using simulated forward or backward travel where participants were required to gauge their current direction of travel (rather than directly control it). During forward egomotion, the distant road edges provided future path information, which participants used to improve their heading judgments. During backward egomotion, the road edges did not enhance performance because they no longer provided prospective information. This behavioral dissociation was reflected at the neural level, where only simulated forward travel increased activation in a region of the superior parietal lobe and the medial intraparietal sulcus. Providing only near road information during a forward heading judgment task resulted in activation in the motion complex. We propose a complementary role for the posterior parietal cortex and motion complex in detecting future path information and maintaining current lane positioning, respectively. (PsycINFO Database Record (c) 2010 APA, all rights reserved)

Causal evidence for frontal involvement in memory target maintenance by posterior brain areas during distracter interference of visual working memory

Dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) is recruited during visual working memory (WM) when relevant information must be maintained in the presence of distracting information. The mechanism by which DLPFC might ensure successful maintenance of the contents of WM is, however, unclear; it might enhance neural maintenance of memory targets or suppress processing of distracters. To adjudicate between these possibilities, we applied time-locked transcranial magnetic stimulation (TMS) during functional MRI, an approach that permits causal assessment of a stimulated brain region's influence on connected brain regions, and evaluated how this influence may change under different task conditions. Participants performed a visual WM task requiring retention of visual stimuli (faces or houses) across a delay during which visual distracters could be present or absent. When distracters were present, they were always from the opposite stimulus category, so that targets and distracters were represented in distinct posterior cortical areas. We then measured whether DLPFC-TMS, administered in the delay at the time point when distracters could appear, would modulate posterior regions representing memory targets or distracters. We found that DLPFC-TMS influenced posterior areas only when distracters were present and, critically, that this influence consisted of increased activity in regions representing the current memory targets. DLPFC-TMS did not affect regions representing current distracters. These results provide a new line of causal evidence for a top-down DLPFC-based control mechanism that promotes successful maintenance of relevant information in WM in the presence of distraction.

Updating existing emotional memories involves the frontopolar/orbitofrontal cortex in ways that acquiring new emotional memories does not

In life, we must often learn new associations to people, places, or things we already know. The current fMRI study investigated the neural mechanisms underlying emotional memory updating. Nineteen participants first viewed negative and neutral pictures and learned associations between those pictures and other neutral stimuli, such as neutral objects and encoding tasks. This initial learning phase was followed by a memory updating phase, during which participants learned picture-location associations for old pictures (i.e., pictures previously associated with other neutral stimuli) and new pictures (i.e., pictures not seen in the first phase). There was greater frontopolar/orbito-frontal (OFC) activity when people learned picture–location associations for old negative pictures than for new negative pictures, but frontopolar OFC activity did not significantly differ during learning locations of old versus new neutral pictures. In addition, frontopolar activity was more negatively correlated with the amygdala when participants learned picture–location associations for old negative pictures than for new negative or old neutral pictures. Past studies revealed that the frontopolar OFC allows for updating the affective values of stimuli in reversal learning or extinction of conditioning [e.g., Izquierdo, A., & Murray, E. A. Opposing effects of amygdala and orbital PFC lesions on the extinction of instrumental responding in macaque monkeys. European Journal of Neuroscience, 22, 2341–2346, 2005]; our findings suggest that it plays a more general role in updating associations to emotional stimuli.

Altered engagement of autobiographical memory networks in adult offspring of postnatally depressed mothers

Maternal depression is associated with increased risk for offspring mood and anxiety disorders. One possible impact of maternal depression during offspring development is on the emotional autobiographical memory system. We investigated the neural mechanisms of emotional autobiographical memory in adult offspring of mothers with postnatal depression (N = 16) compared to controls (N = 21). During fMRI, recordings of participants describing one pleasant and one unpleasant situation with their mother and with a companion, were used as prompts to re-live the situations. Compared to controls we predicted the PND offspring would show: greater activation in medial and posterior brain regions implicated in autobiographical memory and rumination; and decreased activation in lateral prefrontal cortex and decreased connectivity between lateral prefrontal and posterior regions, reflecting reduced control of autobiographical recall. For negative situations, we found no group differences. For positive situations with their mothers, PND offspring showed higher activation than controls in left lateral prefrontal cortex, right frontal pole, cingulate cortex and precuneus, and lower connectivity of right middle frontal gyrus, left middle temporal gyrus, thalamus and lingual gyrus with the posterior cingulate. Our results are consistent with adult offspring of PND mothers having less efficient prefrontal regulation of personally relevant pleasant autobiographical memories.