Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Stimulation of GABAergic neurons of the lateral septum and its effect on movement speed

The lateral septum is associated with the regulation of innate behavior, motivation, and locomotion. Its complex interconnections with cognitive and affective regions such as the hippocampus, hypothalamus, and medial septum have made it an attractive region for studying how motivation regulates behavior in context-specific settings. This GABAergic brain region’s main output is the lateral hypothalamus, which provides downstream signaling of motor commands. Even though stimulation of lateral septum projections to the hypothalamus have shown to decrease running speed in free behaving mice, characterizing movement kinematics due to LS activation has not been studied. GABAergic medium spiny neurons of the lateral septum were selectively activated through the use of optogenetic techniques in transgenic mice. Photostimulation of the lateral septum at theta frequencies caused a non-significant decrease in head and back speed. 3D motion analysis of body movement under photostimulation was quantified, revealing a slow, linear decrease of body speed as photostimulation progressed. These results support the role of lateral septum activation in movement regulation and shed light on the specific manner in which stimulation of the LS gradually decreases movement speed.

High-speed label-free functional photoacoustic microscopy of mouse brain in action.

We present fast functional photoacoustic microscopy (PAM) for three-dimensional high-resolution, high-speed imaging of the mouse brain, complementary to other imaging modalities. We implemented a single-wavelength pulse-width-based method with a one-dimensional imaging rate of 100 kHz to image blood oxygenation with capillary-level resolution. We applied PAM to image the vascular morphology, blood oxygenation, blood flow and oxygen metabolism in both resting and stimulated states in the mouse brain.

Decoding Spontaneous Emotional States in the Human Brain.

Pattern classification of human brain activity provides unique insight into the neural underpinnings of diverse mental states. These multivariate tools have recently been used within the field of affective neuroscience to classify distributed patterns of brain activation evoked during emotion induction procedures. Here we assess whether neural models developed to discriminate among distinct emotion categories exhibit predictive validity in the absence of exteroceptive emotional stimulation. In two experiments, we show that spontaneous fluctuations in human resting-state brain activity can be decoded into categories of experience delineating unique emotional states that exhibit spatiotemporal coherence, covary with individual differences in mood and personality traits, and predict on-line, self-reported feelings. These findings validate objective, brain-based models of emotion and show how emotional states dynamically emerge from the activity of separable neural systems.

Angiotensin receptors and β-catenin regulate brain endothelial integrity in malaria

Cerebral malaria is characterized by cytoadhesion of Plasmodium falciparum–infected red blood cells (Pf-iRBCs) to endothelial cells in the brain, disruption of the blood-brain barrier, and cerebral microhemorrhages. No available antimalarial drugs specifically target the endothelial disruptions underlying this complication, which is responsible for the majority of malaria-associated deaths. Here, we have demonstrated that ruptured Pf-iRBCs induce activation of β-catenin, leading to disruption of inter–endothelial cell junctions in human brain microvascular endothelial cells (HBMECs). Inhibition of β-catenin–induced TCF/LEF transcription in the nucleus of HBMECs prevented the disruption of endothelial junctions, confirming that β-catenin is a key mediator of P. falciparum adverse effects on endothelial integrity. Blockade of the angiotensin II type 1 receptor (AT1) or stimulation of the type 2 receptor (AT2) abrogated Pf-iRBC–induced activation of β-catenin and prevented the disruption of HBMEC monolayers. In a mouse model of cerebral malaria, modulation of angiotensin II receptors produced similar effects, leading to protection against cerebral malaria, reduced cerebral hemorrhages, and increased survival. In contrast, AT2-deficient mice were more susceptible to cerebral malaria. The interrelation of the β-catenin and the angiotensin II signaling pathways opens immediate host-targeted therapeutic possibilities for cerebral malaria and other diseases in which brain endothelial integrity is compromised.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Vibrational characteristics of brain magnetic resonance elastography

This thesis aims to investigate vibrational characteristics of magnetic resonance elastography (MRE) of the brain. MRE is a promising, non-invasive methodology for the mapping of shear stiffness of the brain. A mechanical actuator shakes the brain and generates shear waves, which are then imaged with a special MRI sequence sensitive to sub-millimeter displacements. This research focuses on exploring the profile of vibrations utilized in brain elastography from the standpoint of ultimately investigating nonlinear behavior of the tissue. The first objective seeks to demonstrate the effects of encoding off-frequency vibrations using standard MRE methodologies. Vibrations of this nature can arise from nonlinearities in the system and contaminate the results of the measurement. The second objective is to probe nonlinearity in the dynamic brain system using MRE. A non-parametric decomposition technique, novel to the MRE field, is introduced and investigated.

Neurorehabilitation of hand functions using brain computer interface

Introduction: Brain computer interface (BCI) is a promising new technology with possible application in neurorehabilitation after spinal cord injury. Movement imagination or attempted movement-based BCI coupled with functional electrical stimulation (FES) enables the simultaneous activation of the motor cortices and the muscles they control. When using the BCI- coupled with FES (known as BCI-FES), the subject activates the motor cortex using attempted movement or movement imagination of a limb. The BCI system detects the motor cortex activation and activates the FES attached to the muscles of the limb the subject is attempting or imaging to move. In this way the afferent and the efferent pathways of the nervous system are simultaneously activated. This simultaneous activation encourages Hebbian type learning which could be beneficial in functional rehabilitation after spinal cord injury (SCI). The FES is already in use in several SCI rehabilitation units but there is currently not enough clinical evidence to support the use of BCI-FES for rehabilitation. Aims: The main aim of this thesis is to assess outcomes in sub-acute tetraplegic patients using BCI-FES for functional hand rehabilitation. In addition, the thesis explores different methods for assessing neurological rehabilitation especially after BCI-FES therapy. The thesis also investigated mental rotation as a possible rehabilitation method in SCI. Methods: Following investigation into applicable methods that can be used to implement rehabilitative BCI, a BCI based on attempted movement was built. Further, the BCI was used to build a BCI-FES system. The BCI-FES system was used to deliver therapy to seven sub-acute tetraplegic patients who were scheduled to receive the therapy over a total period of 20 working days. These seven patients are in a 'BCI-FES' group. Five more patients were also recruited and offered equivalent FES quantity without the BCI. These further five patients are in a 'FES-only' group. Neurological and functional measures were investigated and used to assess both patient groups before and after therapy. Results: The results of the two groups of patients were compared. The patients in the BCI-FES group had better improvements. These improvements were found with outcome measures assessing neurological changes. The neurological changes following the use of the BCI-FES showed that during movement attempt, the activation of the motor cortex areas of the SCI patients became closer to the activation found in healthy individuals. The intensity of the activation and its spatial localisation both improved suggesting desirable cortical reorganisation. Furthermore, the responses of the somatosensory cortex during sensory stimulation were of clear evidence of better improvement in patients who used the BCI-FES. Missing somatosensory evoked potential peaks returned more for the BCI-FES group while there was no overall change in the FES-only group. Although the BCI-FES group had better neurological improvement, they did not show better functional improvement than the FES-only group. This was attributed mainly to the short duration of the study where therapies were only delivered for 20 working days. Conclusions: The results obtained from this study have shown that BCI-FES may induce cortical changes in the desired direction at least faster than FES alone. The observation of better improvement in the patients who used the BCI-FES is a good result in neurorehabilitation and it shows the potential of thought-controlled FES as a neurorehabilitation tool. These results back other studies that have shown the potential of BCI-FES in rehabilitation following neurological injuries that lead to movement impairment. Although the results are promising, further studies are necessary given the small number of subjects in the current study.

Comprendre l’interaction entre la douleur et le système moteur : une étude novatrice combinant la stimulation magnétique transcrânienne et l’électroencéphalographie

Résumé : L’interaction entre la douleur et le système moteur est bien connue en clinique et en réadaptation. Il est sans surprise que la douleur est un phénomène considérablement invalidant, affectant la qualité de vie de ceux et celles qui en souffrent. Toutefois, les bases neurophysiologiques qui sous-tendent cette interaction demeurent, encore aujourd’hui, mal comprises. Le but de la présente étude était de mieux comprendre les mécanismes corticaux impliqués dans l’interaction entre la douleur et le système moteur. Pour ce faire, une douleur expérimentale a été induite à l’aide d’une crème à base de capsaïcine au niveau de l’avant-bras gauche des participants. L'effet de la douleur sur la force des projections corticospinales ainsi que sur l’activité cérébrale a été mesuré à l’aide de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de l’électroencéphalographie (EEG), respectivement. L’analyse des données EEG a permis de révéler qu'en présence de douleur aiguë, il y a une augmentation de l’activité cérébrale au niveau du cuneus central (fréquence têta), du cortex dorsolatéral préfrontal gauche (fréquence alpha) ainsi que du cuneus gauche et de l'insula droite (toutes deux fréquence bêta), lorsque comparée à la condition initiale (sans douleur). Également, les analyses démontrent une augmentation de l'activité du cortex moteur primaire droit en présence de douleur, mais seulement chez les participants qui présentaient simultanément une diminution de leur force de projections corticales (mesurée avec la TMS t=4,45, p<0,05). Ces participants ont également montré une plus grande connectivité entre M1 et le cuneus que les participants dont la douleur n’a pas affecté la force des projections corticospinales (t=3,58, p<0,05). Ces résultats suggèrent qu’une douleur expérimentale induit, chez certains individus, une altération au niveau des forces de projections corticomotrices. Les connexions entre M1 et le cuneus seraient possiblement impliquées dans la survenue de ces changements corticomoteurs.

NFL-lipid nanocapsules for brain neural stem cell targeting in vitro and in vivo

International audience

MEASURING HEAD IMPACT CONTACT PRESSURE IN COLLEGIATE FOOTBALL GAMES TO CORRELATE HEAD KINEMATICS TO BRAIN KINETICS ELUCIDATING BRAIN INJURY DYNAMICS

Does a brain store thoughts and memories the way a computer saves its files? How can a single hit or a fall erase all those memories? Brain Mapping and traumatic brain injuries (TBIs) have become widely researched fields today. Many researchers have been studying TBIs caused to adult American football players however youth athletes have been rarely considered for these studies, contradicting to the fact that American football enrolls highest number of collegiate and high-school children than adults. This research is an attempt to contribute to the field of youth TBIs. Earlier studies have related head kinematics (linear and angular accelerations) to TBIs. However, fewer studies have dealt with brain kinetics (impact pressures and stresses) occurring during head-on collisions. The National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment (NOCSAE) drop tests were conducted for linear impact accelerations and the Head Impact Contact Pressures (HICP) calculated from them were applied to a validated FE model. The results showed lateral region of the head as the most vulnerable region to damage from any drop height or impact distance followed by posterior region. The TBI tolerance levels in terms of Von-Mises and Maximum Principal Stresses deduced for lateral impact were 30 MPa and 18 MPa respectively. These levels were corresponding to 2.625 feet drop height. The drop heights beyond this value will result in TBI causing stress concentrations in human head without any detectable structural damage to the brain tissue. This data can be utilized for designing helmets that provide cushioning to brain along with providing a resistance to shear.

Structural brain connectivity and cognitive ability differences: A multivariate distance matrix regression analysis

Neuroimaging research involves analyses of huge amounts of biological data that might or might not be related with cognition. This relationship is usually approached using univariate methods, and, therefore, correction methods are mandatory for reducing false positives. Nevertheless, the probability of false negatives is also increased. Multivariate frameworks have been proposed for helping to alleviate this balance. Here we apply multivariate distance matrix regression for the simultaneous analysis of biological and cognitive data, namely, structural connections among 82 brain regions and several latent factors estimating cognitive performance. We tested whether cognitive differences predict distances among individuals regarding their connectivity pattern. Beginning with 3,321 connections among regions, the 36 edges better predicted by the individuals' cognitive scores were selected. Cognitive scores were related to connectivity distances in both the full (3,321) and reduced (36) connectivity patterns. The selected edges connect regions distributed across the entire brain and the network defined by these edges supports high-order cognitive processes such as (a) (fluid) executive control, (b) (crystallized) recognition, learning, and language processing, and (c) visuospatial processing. This multivariate study suggests that one widespread, but limited number, of regions in the human brain, supports high-level cognitive ability differences. Hum Brain Mapp, 2016. © 2016 Wiley Periodicals, Inc.

Mapping and modulating spatial attention asymmetries in young and older adults

Healthy young adults demonstrate a group-level, systematic preference for stimuli presented in the left side of space relative to the right (‘pseudoneglect’) (Bowers & Heilman, 1980). This results in an overestimation of features such as size, brightness, numerosity and spatial frequency in the left hemispace, probably as a result of right cerebral hemisphere dominance for visuospatial attention. This spatial attention asymmetry is reduced in the healthy older population, and can be shifted entirely into right hemispace under certain conditions. Although this rightward shift has been consistently documented in behavioural experiments, there is very little neuroimaging evidence to explain this effect at a neuroanatomical level. In this thesis, I used behavioural methodology and electroencephalography (EEG) to map spatial attention asymmetries in young and older adults. I then use transcranial direct current stimulation (tDCS) to modulate these spatial biases, with the aim of assessing age-related differences in response to tDCS. In the first of three experiments presented in this thesis, I report in Chapter Two that five different spatial attention tasks provide consistent intra-task measures of spatial bias in young adults across two testing days. There were, however, no inter-task correlations between the five tasks, indicating that pseudoneglect is at least partially driven by task-dependent patterns of neural activity. In Chapter Three, anodal tDCS was applied separately to the left (P5) and right (P6) posterior parietal cortex (PPC) in young and older adults, with an aim to improve the detection of stimuli appearing in the contralateral visual field. There were no age differences in response to tDCS, but there were significant differences depending on baseline performance. Relative to a sham tDCS protocol, tDCS applied to the right PPC resulted in maintained visual detection across both visual fields in adults who were good at the task at baseline. In contrast, left PPC tDCS resulted in reduced detection sensitivity across both visual fields in poor performers. Finally, in Chapter Four, I report a right-hemisphere lateralisation of EEG activity in young adults that was present for long (but not short) landmark task lines. In contrast, older adults demonstrated no lateralised activity for either line length, thus providing novel evidence of an age-related reduction of hemispheric asymmetry in older adults. The results of this thesis provide evidence of a highly complex set of factors that underlie spatial attention asymmetries in healthy young and older adults.

Structural Connectivity Of The Default Mode Network And Cognition In Alzheimer׳s Disease.

Disconnectivity between the Default Mode Network (DMN) nodes can cause clinical symptoms and cognitive deficits in Alzheimer׳s disease (AD). We aimed to examine the structural connectivity between DMN nodes, to verify the extent in which white matter disconnection affects cognitive performance. MRI data of 76 subjects (25 mild AD, 21 amnestic Mild Cognitive Impairment subjects and 30 controls) were acquired on a 3.0T scanner. ExploreDTI software (fractional Anisotropy threshold=0.25 and the angular threshold=60°) calculated axial, radial, and mean diffusivities, fractional anisotropy and streamline count. AD patients showed lower fractional anisotropy (P=0.01) and streamline count (P=0.029), and higher radial diffusivity (P=0.014) than controls in the cingulum. After correction for white matter atrophy, only fractional anisotropy and radial diffusivity remained significantly lower in AD compared to controls (P=0.003 and P=0.05). In the parahippocampal bundle, AD patients had lower mean and radial diffusivities (P=0.048 and P=0.013) compared to controls, from which only radial diffusivity survived for white matter adjustment (P=0.05). Regression models revealed that cognitive performance is also accounted for by white matter microstructural values. Structural connectivity within the DMN is important to the execution of high-complexity tasks, probably due to its relevant role in the integration of the network.