Transcallosal connectivity of the human cortical motor network

The organizational and architectural configuration of white matter pathways connecting brain regions has ramifications for all facets of the human condition, including manifestations of incipient neurodegeneration. Although diffusion tensor imaging (DTI) has been used extensively to visualize white matter connectivity, due to the widespread presence of crossing fibres, the lateral projections of the corpus callosum are not normally detected using this methodology. Detailed knowledge of the transcallosal connectivity of the human cortical motor network has therefore remained elusive. We employed constrained spherical deconvolution (CSD) tractography - an approach that is much less susceptible to the influence of crossing fibres, in order to derive complete in-vivo characterizations of white matter pathways connecting specific motor cortical regions to their counterparts and other loci in the opposite hemisphere. The revealed patterns of connectivity closely resemble those derived from anatomical tracing in primates. It was established that dorsal premotor cortex (PMd) and supplementary motor area (SMA) have extensive interhemispheric connectivity - exhibiting both dense homologous projections, and widespread structural relations with every other region in the contralateral motor network. Through this in-vivo portrayal, the importance of non-primary motor regions for interhemispheric communication is emphasized. Additionally, distinct connectivity profiles were detected for the anterior and posterior subdivisions of primary motor cortex. The present findings provide a comprehensive representation of transcallosal white matter projections in humans, and have the potential to inform the development of models and hypotheses relating structural and functional brain connectivity.

The ins of the striatum: Utilizing chemogenetics to define the contribution of cortical and thalamic afferents during addiction behaviors

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Contrôle cortical et postural des muscles multifides : Influence de la lombalgie chronique, des exercices et de la neurostimulation périphérique

La lombalgie chronique (LC) représente de nos jours un fardeau individuel et sociétal énorme. Le contrôle du tronc est complexe, il dépend de l’intégration des afférences périphériques et de l’interaction des régions cérébrales impliquées dans la matrice de la douleur. Les individus souffrant de lombalgie présentent des désordres de contrôle moteur de la colonne vertébrale et une modification de la plasticité du cerveau. Ces altérations semblent réversibles et peuvent être améliorées par différents exercices prescrits en physiothérapie. Par contre, même si les exercices diminuent la douleur, l’effet n’en demeure pas moins modeste. L’utilisation de la neurostimulation magnétique périphérique (rPMS) qui génère des informations sensorielles (entre autres proprioceptives cohérentes avec le contrôle des muscles) et qui agit donc sur l’excitabilité cérébrale et les mécanismes de plasticité pourrait potentialiser les gains atteints grâce aux exercices. L’objectif principal de la thèse est de mieux comprendre le contrôle cortical et postural des muscles du tronc, l’influence de la lombalgie chronique, des exercices et de de la neurostimulation périphérique. La série d’études proposée dans la thèse vise à (i) comprendre les changements présents au niveau du contrôle cortico-moteur des muscles multifides et des ajustements posturaux anticipatoires en lombalgie chronique (étude 1) ainsi que l’influence du côté de la douleur lombaire (étude 2); (ii) déterminer quel type d’exercice utilisé en physiothérapie (global ou isométrique) influence la plasticité corticale (étude 3) et; (iii) déterminer si l’ajout de rPMS potentialise ces effets (étude 4). Les données présentées dans la thèse confirment que les individus avec LC présentent des différences dans le fonctionnement du cortex moteur primaire par rapport aux individus en santé. De plus, le côté de la douleur semble influencer différemment l’excitabilité de base du M1. Enfin, nous avons démontré que l’exercice isométrique agissait de façon spécifique sur la plasticité du M1, ainsi que sur les ajustements posturaux anticipatoires, et que l’ajout des rPMS à l’exercice diminue immédiatement la douleur et modifie le contrôle des muscles multifides. D’autres études sont nécessaires pour confirmer le bénéfice des rPMS chez des populations souffrant de douleur chronique et pour un éventuel transfert clinique.

Análisis de la neurogénesis cortical en el desarrollo cerebral de ratones carentes del receptor de ácido lisofosfatídico LPA1

El ácido lisofosfatídico (LPA) es un fosfolípido sencillo con propiedades de señalización extracelular mediadas por receptores de membrana específicos acoplados a proteínas G. Actualmente se conocen hasta 6 tipos de receptores diferentes para el LPA. El receptor LPA1 se expresa en la zona neurogénica del cerebro en desarrollo, en la zona ventricular (VZ), lo que sugiere su implicación en la neurogénesis. A pesar de los numerosos estudios farmacológicos que han aportado datos de los efectos del LPA en el sistema nervioso central (SNC) utilizando modelos in vitro, no es sino hasta que se dispuso de animales carentes del receptor, cuando se avanzó en el estudio de la función específica del receptor. Los primeros ratones obtenidos que permitían el estudio de pérdida de función del receptor LPA1 mostraron una alta mortalidad perinatal pero abrían una puerta excelente a nuevos estudios de caracterización del SNC en ausencia de vías específicas de señalización por LPA. En el presente trabajo se muestran resultados que demuestran una función destacada del receptor LPA1 en los precursores neuronales corticales durante el desarrollo cerebral, resultantes del análisis de la neurogénesis en una variante, que hemos venido a denominar Málaga, de un ratón nulo para-LPA1. Esta variante surge de forma espontánea durante la expansión de la colonia original y porta un fenotipo con defectos observables en el SNC, a la vez que muestra una viabilidad perinatal casi completa, lo que ha permitido su caracterización. Nuestros resultados muestran alteraciones significativas en la neurogénesis cortical embrionaria, en el patrón proliferativo de la zona ventricular, afectando al tipo de división y la posterior diferenciación, con expresión de marcadores neuronales de forma prematura en la capa cortical y alteración de la expresión de factores de transcripción. Estos defectos de la neurogénesis en ausencia de la vía de señalización por LPA1 se asocian con defectos en el patrón migratorio neuronal, indicativos de alteraciones de tipo estructural y funcional, y que generan, en última instancia, una reducción del grosor de la pared cortical y del número de neuronas en diferentes capas corticales, especialmente las profundas donde se detecta, además, un nivel inusualmente mayor de apoptosis. Los resultados que mostramos en esta memoria reflejan, con ello, la necesidad del receptor LPA1 para el desarrollo normal cerebral y acentúan el importante papel que el modelo de animal nulo para LPA1 de la variedad Málaga ha representado para el estudio de la señalización mediada por este receptor. A la fecha actual, el uso de este ratón ha permitido un avance muy significativo en el campo y sigue siendo objeto de estudio por nuestro grupo de investigación y por diferentes colaboradores a nivel nacional e internacional.

EFFECTS OF AGING ON MIDBRAIN AND CORTICAL SPEECH-IN-NOISE PROCESSING

Older adults frequently report that they can hear what they have been told but cannot understand the meaning. This is particularly true in noisy conditions, where the additional challenge of suppressing irrelevant noise (i.e. a competing talker) adds another layer of difficulty to their speech understanding. Hearing aids improve speech perception in quiet, but their success in noisy environments has been modest, suggesting that peripheral hearing loss may not be the only factor in the older adult’s perceptual difficulties. Recent animal studies have shown that auditory synapses and cells undergo significant age-related changes that could impact the integrity of temporal processing in the central auditory system. Psychoacoustic studies carried out in humans have also shown that hearing loss can explain the decline in older adults’ performance in quiet compared to younger adults, but these psychoacoustic measurements are not accurate in describing auditory deficits in noisy conditions. These results would suggest that temporal auditory processing deficits could play an important role in explaining the reduced ability of older adults to process speech in noisy environments. The goals of this dissertation were to understand how age affects neural auditory mechanisms and at which level in the auditory system these changes are particularly relevant for explaining speech-in-noise problems. Specifically, we used non-invasive neuroimaging techniques to tap into the midbrain and the cortex in order to analyze how auditory stimuli are processed in younger (our standard) and older adults. We will also attempt to investigate a possible interaction between processing carried out in the midbrain and cortex.

Unwrapping microcomputed tomographic images for measuring cortical osteolytic lesions in the 5T2 murine model of myeloma treated by bisphosphonate

International audience

Double incretin receptor knock-out (DIRKO) mice present with alterations of trabecular and cortical micromorphology and bone strength.

International audience

The impact of mechanical compression on cortical microtubules in Arabidopsis: a quantitative pipeline

Exogenous mechanical perturbations on living tissues are commonly used to investigate whether cell effectors can respond to mechanical cues. However, in most of these experiments, the applied mechanical stress and/or the biological response are described only qualitatively. We developed a quantitative pipeline based on microindentation and image analysis to investigate the impact of a controlled and prolonged compression on microtubule behaviour in the Arabidopsis shoot apical meristem, using microtubule fluorescent marker lines. We found that a compressive stress, in the order of magnitude of turgor pressure, induced apparent microtubule bundling. Importantly, that response could be reversed several hours after the release of compression. Next, we tested the contribution of microtubule severing to compression-induced bundling: microtubule bundling seemed less pronounced in the katanin mutant, in which microtubule severing is dramatically reduced. Conversely, some microtubule bundles could still be observed 16 hours after the release of compression in the spiral2 mutant, in which severing rate is instead increased. To quantify the impact of mechanical stress on anisotropy and orientation of microtubule arrays, we used the nematic tensor based FibrilTool ImageJ/Fiji plugin. To assess the degree of apparent bundling of the network, we developed several methods, some of which were borrowed from geostatistics. The final microtubule bundling response could notably be related to tissue growth velocity that was recorded by the indenter during compression. Because both input and output are quantified, this pipeline is an initial step towards correlating more precisely the cytoskeleton response to mechanical stress in living tissues.

The Impact of Motor Learning on Motor Behavior and Cortical Dynamics in a Complex Stressful Social Environment

An economy of effort is a core characteristic of highly skilled motor performance often described as being effortless or automatic. Electroencephalographic (EEG) evaluation of cortical activity in elite performers has consistently revealed a reduction in extraneous associative cortical activity and an enhancement of task-relevant cortical processes. However, this has only been demonstrated under what are essentially practice-like conditions. Recently it has been shown that cerebral cortical activity becomes less efficient when performance occurs in a stressful, complex social environment. This dissertation examines the impact of motor skill training or practice on the EEG cortical dynamics that underlie performance in a stressful, complex social environment. Sixteen ROTC cadets participated in head-to-head pistol shooting competitions before and after completing nine sessions of skill training over three weeks. Spectral power increased in the theta frequency band and decreased in the low alpha frequency band after skill training. EEG Coherence increased in the left frontal region and decreased in the left temporal region after the practice intervention. These suggest a refinement of cerebral cortical dynamics with a reduction of task extraneous processing in the left frontal region and an enhancement of task related processing in the left temporal region consistent with the skill level reached by participants. Partitioning performance into ‘best’ and ‘worst’ based on shot score revealed that deliberate practice appears to optimize cerebral cortical activity of ‘best’ performances which are accompanied by a reduction in task-specific processes reflected by increased high-alpha power, while ‘worst’ performances are characterized by an inappropriate reduction in task-specific processing resulting in a loss of focus reflected by higher high-alpha power after training when compared to ‘best’ performances. Together, these studies demonstrate the power of experience afforded by practice, as a controllable factor, to promote resilience of cerebral cortical efficiency in complex environments.

Análisis de anomalías gravimétricas y modelación cortical 2D de la región volcánica del Campo de Calatrava (Ciudad Real, España)

La región volcánica de Campo de Calatrava se ha interpretado como un proceso de volcanismo intraplaca desarrollado durante el Neógeno. Se han propuesto dos modelos geodinámicos contrapuestos para explicar el origen de este volcanismo: a) un proceso de rifting en un contexto extensional con un adelgazamiento localizado de corteza; b) un proceso flexural de la litosfera en un contexto compresivo débil sin adelgazamiento de corteza. El análisis de las anomalías gravimétricas de Bouguer y una modelización gravimétrica 2D a escala cortical contribuyen a discriminar entre los modelos geodinámicos propuestos para el origen del volcanismo. Los modelos gravimétricos se han constreñido en base a los estudios sísmicos profundos existentes en la zona y a la cartografía geológica regional. Los modelos gravimétricos descartan un adelgazamiento cortical, lo que cuestiona el modelo de rifting abortado y apoyan la hipótesis alternativa del proceso flexural de la litosfera en régimen compresivo débil como origen del volcanismo bético.

Relación entre atrofia cortical difusa y desempeño cognitivo : estudio en población mayor de 60 años en un hospital universitario en la ciudad de Bogotá

El presente trabajo tuvo como objetivo evaluar la existencia de la relación entre la atrofia cortical difusa objetivada por neuroimagenes cerebrales y desempeños cognitivos determinados mediante la aplicación de pruebas neuropsicológicas que evalúan memoria de trabajo, razonamiento simbólico verbal y memoria anterógrada declarativa. Participaron 114 sujetos reclutados en el Hospital Universitario Mayor Méderi de la ciudad de Bogotá mediante muestreo de conveniencia. Los resultados arrojaron diferencias significativas entre los dos grupos (pacientes con diagnóstico de atrofia cortical difusa y pacientes con neuroimagenes interpretadas como dentro de los límites normales) en todas las pruebas neuropsicológicas aplicadas. Respecto a las variables demográficas se pudo observar que el grado de escolaridad contribuye como factor neuroprotector de un posible deterioro cognitivo. Tales hallazgos son importantes para determinar protocoles tempranos de detección de posible instalación de enfermedades neurodegenerativas primarias.