The Representation of Emotion in Autonomic and Central Nervous System Activity

Phenomenologically, humans effectively label and report feeling distinct emotions, yet the extent to which emotions are represented categorically in nervous system activity is controversial. Theoretical accounts differ in this regard, some positing distinct emotional experiences emerge from a dimensional representation (e.g., along axes of valence and arousal) whereas others propose emotions are natural categories, with dedicated neural bases and associated response profiles. This dissertation aims to empirically assess these theoretical accounts by examining how emotions are represented (either as disjoint categories or as points along continuous dimensions) in autonomic and central nervous system activity by integrating psychophysiological recording and functional neuroimaging with machine-learning based analytical methods. Results demonstrate that experientially, emotional events are well-characterized both along dimensional and categorical frameworks. Measures of central and peripheral responding discriminate among emotion categories, but are largely independent of valence and arousal. These findings suggest dimensional and categorical aspects of emotional experience are driven by separable neural substrates and demonstrate that emotional states can be objectively quantified on the basis of nervous system activity.

Investigating autonomic control of the cardiovascular system: a battery of simple tests

Sympathetic and parasympathetic divisions of the autonomic nervous system constantly control the heart (sympathetic and parasympathetic divisions) and blood vessels (predominantly the sympathetic division) to maintain appropriate blood pressure and organ blood flow over sometimes widely varying conditions. This can be adversely affected by pathological conditions that can damage one or both branches of autonomic control. The set of teaching laboratory activities outlined here uses various interventions, namely, 1) the heart rate response to deep breathing, 2) the heart rate response to a Valsalva maneuver, 3) the heart rate response to standing, and 4) the blood pressure response to standing, that cause fairly predictable disturbances in cardiovascular parameters in normal circumstances, which serve to demonstrate the dynamic control of the cardiovascular system by autonomic nerves. These tests are also used clinically to help investigate potential damage to this control.

Spinal cord injury: assessment of autonomic state-dependent control of cardiovascular system and body core temperature

Spinal cord injury (SCI) results not only in paralysis; but it is also associated with a range of autonomic dysregulation that can interfere with cardiovascular, bladder, bowel, temperature, and sexual function. The entity of the autonomic dysfunction is related to the level and severity of injury to descending autonomic (sympathetic) pathways. For many years there was limited awareness of these issues and the attention given to them by the scientific and medical community was scarce. Yet, even if a new system to document the impact of SCI on autonomic function has recently been proposed, the current standard of assessment of SCI (American Spinal Injury Association (ASIA) examination) evaluates motor and sensory pathways, but not severity of injury to autonomic pathways. Beside the severe impact on quality of life, autonomic dysfunction in persons with SCI is associated with increased risk of cardiovascular disease and mortality. Therefore, obtaining information regarding autonomic function in persons with SCI is pivotal and clinical examinations and laboratory evaluations to detect the presence of autonomic dysfunction and quantitate its severity are mandatory. Furthermore, previous studies demonstrated that there is an intimate relationship between the autonomic nervous system and sleep from anatomical, physiological, and neurochemical points of view. Although, even if previous epidemiological studies demonstrated that sleep problems are common in spinal cord injury (SCI), so far only limited polysomnographic (PSG) data are available. Finally, until now, circadian and state dependent autonomic regulation of blood pressure (BP), heart rate (HR) and body core temperature (BcT) were never assessed in SCI patients. Aim of the current study was to establish the association between the autonomic control of the cardiovascular function and thermoregulation, sleep parameters and increased cardiovascular risk in SCI patients.

The significance of the sympathetic nervous system in the pathophysiology of periodic leg movements in sleep

STUDY OBJECTIVES: Periodic leg movements in sleep (PLMS) are frequently accompanied by arousals and autonomic activation, but the pathophysiologic significance of these manifestations is unclear. DESIGN: Changes in heart rate variability (HRV), HRV spectra, and electroencephalogram (EEG) spectra associated with idiopathic PLMS were compared with changes associated with isolated leg movements and respiratory-related leg movements during sleep. Furthermore, correlations between electromyographic activity, HRV changes, and EEG changes were assessed. SETTING: Sleep laboratory. PATIENTS: Whole-night polysomnographic studies of 24 subjects fulfilling the criteria of either periodic leg movements disorder (n = 8), obstructive sleep apnea syndrome (n = 7), or normal polysomnography (n = 9) were used. MEASUREMENTS AND RESULTS: Spectral HRV changes started before all EEG changes and up to 6 seconds before the onset of all types of leg movements. An initial weak autonomic activation was followed by a sympathetic activation, an increase of EEG delta activity, and finally a progression to increased higher-frequency EEG rhythms. After movement onset, HRV indicated a vagal activation, and, the EEG, a decrease in spindle activity. Sympathetic activation, as measured by HRV spectra, was greater for PLMS than for all other movement types. In EEG, gamma synchronization began 1 to 2 seconds earlier for isolated leg movements and respiratory-related leg movements than for PLMS. Significant correlations were found between autonomic activations and electromyographic activity, as well as between autonomic activations and EEG delta activity, but not between higher-frequency EEG rhythms and EMG activity or HRV changes. CONCLUSIONS: These results suggest a primary role of the sympathetic nervous system in the generation of PLMS.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

A generative nervous system for the planet

Generative systems are now being proposed for addressing major ecological problems. The Complex Urban Systems Project (CUSP) founded in 2008 at the Queensland University of Technology, emphasises the ecological significance of the generative global networking of urban environments. It argues that the natural planetary systems for balancing global ecology are no longer able to respond sufficiently rapidly to the ecological damage caused by humankind and by dense urban conurbations in particular as evidenced by impacts such as climate change. The proposal of this research project is to provide a high speed generative nervous system for the planet by connecting major cities globally to interact directly with natural ecosystems to engender rapid ecological response. This would be achieved by active interactions of the global urban network with the natural ecosystem in the ecological principle of entropy. The key goal is to achieve ecologically positive cities by activating self-organising cities capable of full integration into natural eco-systems and to netowork the cities globally to provide the planet with a nervous system.

Drugs and the somatic nervous system

Drugs and the somatic nervous system 8.1 The somatic nervous system 8.2 Anticholinesterases 8.3 Neuromuscular blockers 8.4 Botox

EdU, a new thymidine analogue for labelling proliferating cells in the nervous system

The standard method of labelling proliferating cells uses the thymidine analogue, bromodeoxyuridine (BrdU), which incorporates into the DNA during S-phase of the cell cycle. A disadvantage of this method is that the immunochemical processing requires pre-treatment of the cells and tissue with heat or acid to reveal the antigen. This pre-treatment reduces reliability of the method and degrades the specimen, reducing the ability for multiple immuno-fluorescence labelling at high resolution. We report here the utility of a novel thymidine analogue, ethynyl deoxyuridine (EdU), detected with a fluorescent azide via the “click” chemistry reaction (the Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition reaction of an organic azide to a terminal acetylene). The detection of EdU requires no heat or acid treatment and the incorporated EdU is covalently conjugated to fluorescent probe. The reaction is quick and compatible with fluorescence immunochemistry and other fluorescent probes. We show here that EdU is non-toxic in vitro and in vivo and can be used in place of BrdU to label cells during neurogenesis and the progeny identified at least 30 days later. The fluorescent labelling of EdU, markedly improves the detection of proliferating cells and allows concurrent high resolution fluorescence immunochemistry.

Pathogens penetrating the central nervous system: Infection pathways and the cellular and molecular mechanisms of invasion

The brain is well protected against microbial invasion by cellular barriers, such as the blood-brain barrier (BBB) and the blood-cerebrospinal fluid barrier (BCSFB). In addition, cells within the central nervous system (CNS) are capable of producing an immune response against invading pathogens. Nonetheless, a range of pathogenic microbes make their way to the CNS, and the resulting infections can cause significant morbidity and mortality. Bacteria, amoebae, fungi, and viruses are capable of CNS invasion, with the latter using axonal transport as a common route of infection. In this review, we compare the mechanisms by which bacterial pathogens reach the CNS and infect the brain. In particular, we focus on recent data regarding mechanisms of bacterial translocation from the nasal mucosa to the brain, which represents a little explored pathway of bacterial invasion but has been proposed as being particularly important in explaining how infection with Burkholderia pseudomallei can result in melioidosis encephalomyelitis.