Molecular and physiological characterisation of lonotropic receptors in the sacculus in drosophila

Chemosensation is the detection of chemical signals in the environment that enable an animal to make informed decisions about food choice, mate preference or predator detection. Dissecting the molecular and neural mechanisms by which animals detect chemical cues is an important goal towards understanding how they interact with the environment. An attractive system to dissect the mechanisms of chemosensation is the olfactory system. One of the most-investigated olfactory systems is that of Drosophila melanogaster, a model organism that is amenable to a powerful combination of genetic and physiological analyses. Embedded within the antennal olfactory organ of Drosophila is an unusual sensory structure called the sacculus. The sacculus is comprised of three distinct chambers, each lined with several sensilla housing two to three neurons. Previous morphological, anatomical and surgical studies of sacculus neurons have implicated sacculus neurons in chemosensation, hygrosensation and/or thermosensation. While a subset of sacculus neurons have been physiologically characterised as temperature sensors, the role of this organ has remained largely mysterious, due to its inaccessibility to peripheral electrophysiological analysis. Recently a new family of olfactory receptors, the lonotropic Receptors (IRs), was identified. Five IRs are expressed in sacculus neurons providing the first selective molecular markers for these cells. In this thesis I describe the molecular, physiological and anatomical characterisation of these neurons. Genetic labelling of specific populations of sacculus neurons with anatomical (CD8:GFP) reporters has identified neurons in sacculus chambers I and II express IR40a+IR93a together with their co- receptor IR25a, while neurons in chamber III express IR64a with its co-receptor IR8a. Both these sets of neurons project to two distinct glomeruli in the antennal lobe; IR40a neurons project to the column and arm, IR64a neurons project to DC4 and DP1m. Through a live optical imaging screen I showed that these neurons are indeed olfactory and IR64a neurons recognise acidic ligands, while IR40a neurons recognise amine ligands. IR40a and IR64a neurons are in fact composed of anatomically and physiologically distinct subpopulations, strongly implying the existence of other factors that define their functional properties. My thesis identifies the sacculus as a specialised olfactory organ capable of detecting acids and bases, which are of widespread importance to insects. The data from my thesis along with data from other labs show the sacculus is composed of different populations of olfactory sensory neurons and thermosensory neurons. Comparative genomic analysis of sacculus IRs across insects reveals them to be among the most conserved of this receptor repertoire, suggesting that the sacculus represents an evolutionarily ancient insect olfactory acid-base sensor. - La détection des produits chimiques se trouvant dans l'environnement (perception chimiosensorielle) permet à un animal de choisir sa nourriture, son partenaire ou encore d'identifier ses prédateurs. Décortiquer les mécanismes moléculaires et neuronaux grâce auxquels les animaux détectent ces signaux chimiques permet de comprendre comment ces animaux interagissent avec leur environnement. Un système intéressant pour décortiquer ces mécanismes de perception chimiosensorielle est le système olfactif, de la drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre. C'est un animal modèle très utile grâce à la combinaison d'outils génétiques puissants et d'analyses physiologiques facilement réalisables. Dans l'antenne de la drosophile, qui est l'organe olfactif principal de cet animal, se trouve une structure appelée sacculus. Celui-ci est composé de trois chambres distinctes, chacune comprenant plusieurs sensilles à l'intérieur desquelles se trouvent deux à trois neurones. De précédentes études morphologiques et anatomiques des ces neurones ont déterminé qu'ils sont impliqués dans la perception des odeurs, de l'humidité et de la température. Malgré ceci, la fonction principale de cet organe reste largement inconnue, principalement car il est inaccessible aux analyses électrophysiologiques. Récemment, une nouvelle famille de soixante-six récepteurs olfactifs, nommés Récepteurs lonotropiques (IRs), a été découverte chez la drosophile. Cinq IRs sont exprimés dans les neurones du sacculus. Pour la première fois, une sélection de marqueurs moléculaires est disponible pour l'étude de ces cellules. Dans cette thèse, les caractéristiques moléculaires, physiologiques et anatomiques des neurones du sacculus sont décrites. Ces populations de neurones situés dans le sacculus ont été marquées avec des gènes rapporteurs (CD8:GFP). Ceci a montré que les récepteurs IR40a et IR93a sont exprimés ensemble avec le co-récepteur IR25a dans les chambres I et II, tandis que les neurones de la chambre III expriment IR64a avec son co-récepteur IR8a. Ces deux groupes de neurones projettent vers deux glomérules distincts du lobe antennaire : les neurones IR40a projettent vers la column et le arm, alors que les neurones IR64a projettent vers DC4 et DP1m. Un screen d'imagerie optique a démontré que ces neurones sont en effet des neurones olfactifs, et que les neurones IR64a reconnaissent des ligands acides, tandis que les neurones IR40a reconnaissent des ligands aminés. De plus, les neurones IR40a et IR64a sont séparés en sous-populations distinctes anatomiquement et physiologiquement, et d'autres facteurs permettant de définir leurs propriétés fonctionnelles sont probablement impliqués. Cette thèse identifie ainsi le sacculus comme un organe olfactif spécialisé capable de détecter des acides et amines, lesquels sont très importants pour les insectes. Toutes les données collectées durant cette thèse, combinées aux données d'autres laboratoires, montrent que le sacculus est composé de différentes populations de neurones olfactifs et thermosenseurs. Ces IRs sont très conservés parmi les insectes, suggérant que le sacculus représente révolution d'un ancien détecteur olfactif d'acides et de bases chez l'insecte. - Tous les animaux sont capables de percevoir les signaux chimiques dans leur environnement, comme les odeurs ou le goût, via différents organes. L'odorat est le sens qui permet de percevoir les odeurs, et il est implique des neurones olfactifs qui se trouvent dans le nez des mammifères ou les antennes des insectes. La capacité d'un neurone olfactif à détecter une molécule odorante dépend des types de récepteurs olfactifs qu'il exprime. Il existe deux grandes familles de récepteurs qui perçoivent les odeurs : les Récepteurs Olfactifs, ORs, et Récepteurs lonotropiques IRs, qui détectent différents types d'odeurs avec différents mécanismes. Lorsqu'un récepteur reconnaît une molécule odorante, il convertit ce signal en un signal électrique qui est ensuite transmis au centre olfactif dans le cerveau. La drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre, est utilisée comme animal modèle pour étudier l'odorat, parce que son génome entier a été séquencé et que ses gènes sont facilement manipulables. De plus, l'anatomie du système olfactif de la mouche est similaire à celui des mammifères, malgré qu'il possède moins de neurones, ce qui le rend moins complexe. Ma thèse a pour objectif d'étudier les Récepteurs lonotropiques dans un organe spécifique, appelé le sacculus, situé dans les antennes. Les neurones du sacculus exprimant des IRs envoient leurs projections au centre olfactif du cerveau, suggérant que ces neurones perçoivent les odeurs. Une technique d'imagerie optique a été utilisée sur le cerveau de mouches vivantes afin de mesurer la réponse des neurones du le sacculus à différentes odeurs. J'ai démontré que ces récepteurs détectent des acides et des amines, qui sont très importants pour les insectes. Par exemple, les acides se retrouvent dans les fruits mûrs sur lesquels les mouches vont se nourrir, s'accoupler et poser leurs oeufs, et les amines sont souvent produites par des bactéries pouvant être nuisible pour la mouche. La principale découverte de ma thèse est donc l'identification du sacculus comme un organe capable de détecter deux des principales odeurs importantes pour la mouche. Ces récepteurs sont aussi présents dans d'autres insectes où ils jouent peut-être des rôles différents. Les acides et les amines se retrouvent aussi dans les excrétions (comme la sueur ou l'urine) de beaucoup de mammifères, qui pourraient potentiellement être dangereux pour la mouche, mais qui attirent les moustiques se nourrissant de leur sang.

Determination of Transmembrane Water Fluxes in Neurons Elicited by Glutamate Ionotropic Receptors and by the Cotransporters KCC2 and NKCC1: A Digital Holographic Microscopy Study.

Digital holographic microscopy (DHM) is a noninvasive optical imaging technique that provides quantitative phase images of living cells. In a recent study, we showed that the quantitative monitoring of the phase signal by DHM was a simple label-free method to study the effects of glutamate on neuronal optical responses (Pavillon et al., 2010). Here, we refine these observations and show that glutamate produces the following three distinct optical responses in mouse primary cortical neurons in culture, predominantly mediated by NMDA receptors: biphasic, reversible decrease (RD) and irreversible decrease (ID) responses. The shape and amplitude of the optical signal were not associated with a particular cellular phenotype but reflected the physiopathological status of neurons linked to the degree of NMDA activity. Thus, the biphasic, RD, and ID responses indicated, respectively, a low-level, a high-level, and an "excitotoxic" level of NMDA activation. Moreover, furosemide and bumetanide, two inhibitors of sodium-coupled and/or potassium-coupled chloride movement strongly modified the phase shift, suggesting an involvement of two neuronal cotransporters, NKCC1 (Na-K-Cl) and KCC2 (K-Cl) in the genesis of the optical signal. This observation is of particular interest since it shows that DHM is the first imaging technique able to monitor dynamically and in situ the activity of these cotransporters during physiological and/or pathological neuronal conditions.

Regulated exocytosis from astrocytes physiological and pathological related aspects.

Astrocytes have traditionally been considered ancillary, satellite cells of the nervous system. However, it is a very recent acquisition that glial cells generate signaling loops which are integral to the brain circuitry and participate, interactively with neuronal networks, in the processing of information. Such a conceptual breakthrough makes this field of investigation one of the hottest in neuroscience, as it calls for a revision of past theories of brain function as well as for new strategies of experimental exploration of brain function. Glial cells are electrically not excitable, and it was only the use of optical recording techniques together with calcium sensitive dyes, that allowed the chemical excitability of glial cells to become apparent. Studies using these new techniques have shown for the first time that glial cells are activated by surrounding synaptic activity and translate neuronal signals into their own calcium code. Intracellular calcium concentration([Ca2+]i) elevations in glial cells have then shown to underlie spatial transfer of information in the glial network, accompanied by release of chemical transmitters (gliotransmitters) such as glutamate and back-signaling to neurons. As a consequence, optical imaging techniques applied to cell cultures or intact tissue have become a state-of-the-art technology for studying glial cell signaling. The molecular mechanisms leading to release of "gliotransmitters," especially glutamate, from glia are under debate. Accumulating evidence clearly indicates that astrocytes secrete numerous transmitters by Ca(2+)-dependent exocytosis. This review will discuss the mechanisms underlying the release of chemical transmitters from astrocytes with a particular emphasis to the regulated exocytosis processes.

The intrinsic mechanisms of softwood fiber damage in brown stock fiber line unit operations Lappeenranta 2010

The effects of pulp processing on softwood fiber properties strongly influence the properties of wet and dry paper webs. Pulp strength delivery studies have provided observations that much of the strength potential of long fibered pulp is lost during brown stock fiber line operations where the pulp is merely washed and transferred to the subsequent processing stages. The objective of this work was to study the intrinsic mechanisms which maycause fiber damage in the different unit operations of modern softwood brown stock processing. The work was conducted by studying the effects of industrial machinery on pulp properties with some actions of unit operations simulated in laboratory scale devices under controlled conditions. An optical imaging system was created and used to study the orientation of fibers in the internal flows during pulp fluidization in mixers and the passage of fibers through the screen openings during screening. The qualitative changes in fibers were evaluated with existing and standardized techniques. The results showed that each process stage has its characteristic effects on fiber properties: Pulp washing and mat formation in displacement washers introduced fiber deformations especially if the fibers entering the stage were intact, but it did not decrease the pulp strength properties. However, storage chests and pulp transfer after displacement washers contributed to strength deterioration. Pulp screening proved to be quite gentle, having the potential of slightly evening out fiber deformations from very deformed pulps and vice versa inflicting a marginal increase in the deformation indices if the fibers were previously intact. Pulp mixing in fluidizing industrial mixers did not have detrimental effects on pulp strength and had the potential of slightly evening out the deformations, provided that the intensity of fluidization was high enough to allow fiber orientation with the flow and that the time of mixing was short. The chemical and mechanical actions of oxygen delignification had two distinct effects on pulp properties: chemical treatment clearly reduced pulp strength with and without mechanical treatment, and the mechanical actions of process machinery introduced more conformability to pulp fibers, but did not clearly contribute to a further decrease in pulp strength. The chemical composition of fibers entering the oxygen stage was also found to affect the susceptibility of fibers to damage during oxygen delignification. Fibers with the smallest content of xylan were found to be more prone to irreversibledeformations accompanied with a lower tensile strength of the pulp. Fibers poor in glucomannan exhibited a lower fiber strength while wet after oxygen delignification as compared to the reference pulp. Pulps with the smallest lignin content on the other hand exhibited improved strength properties as compared to the references.

Interhemispheric connections between primary visual areas: beyond the midline rule

In the last five years, a number of detailed anatomical, electrophysiological, optical imaging and simulation studies performed in a variety of non-human species have revealed that the functional organization of callosal connections between primary visual areas is more elaborate than previously thought. Callosal cell bodies and terminals are clustered in columns whose correspondence to features mapped in the visual cortex, such as orientation and ocularity, are starting to be understood. Callosal connections are not restricted to the vertical midline representation nor do they establish merely point-to-point retinotopic correspondences across the hemispheres, as traditionally believed. In addition, anatomical studies have revealed the existence of an ipsilateral component of callosal axons. The aim of this short review is to propose how these new data can be integrated into an updated scheme of the circuits responsible for assembling the primary visual field map.

Confocal and two-photon microscopy : image enhancement /

Confocal and two-photon microcopy have become essential tools in biological research and today many investigations are not possible without their help. The valuable advantage that these two techniques offer is the ability of optical sectioning. Optical sectioning makes it possible to obtain 3D visuahzation of the structiu-es, and hence, valuable information of the structural relationships, the geometrical, and the morphological aspects of the specimen. The achievable lateral and axial resolutions by confocal and two-photon microscopy, similar to other optical imaging systems, are both defined by the diffraction theorem. Any aberration and imperfection present during the imaging results in broadening of the calculated theoretical resolution, blurring, geometrical distortions in the acquired images that interfere with the analysis of the structures, and lower the collected fluorescence from the specimen. The aberrations may have different causes and they can be classified by their sources such as specimen-induced aberrations, optics-induced aberrations, illumination aberrations, and misalignment aberrations. This thesis presents an investigation and study of image enhancement. The goal of this thesis was approached in two different directions. Initially, we investigated the sources of the imperfections. We propose methods to eliminate or minimize aberrations introduced during the image acquisition by optimizing the acquisition conditions. The impact on the resolution as a result of using a coverslip the thickness of which is mismatched with the one that the objective lens is designed for was shown and a novel technique was introduced in order to define the proper value on the correction collar of the lens. The amoimt of spherical aberration with regard to t he numerical aperture of the objective lens was investigated and it was shown that, based on the purpose of our imaging tasks, different numerical apertures must be used. The deformed beam cross section of the single-photon excitation source was corrected and the enhancement of the resolution and image quaUty was shown. Furthermore, the dependency of the scattered light on the excitation wavelength was shown empirically. In the second part, we continued the study of the image enhancement process by deconvolution techniques. Although deconvolution algorithms are used widely to improve the quality of the images, how well a deconvolution algorithm responds highly depends on the point spread function (PSF) of the imaging system applied to the algorithm and the level of its accuracy. We investigated approaches that can be done in order to obtain more precise PSF. Novel methods to improve the pattern of the PSF and reduce the noise are proposed. Furthermore, multiple soiu'ces to extract the PSFs of the imaging system are introduced and the empirical deconvolution results by using each of these PSFs are compared together. The results confirm that a greater improvement attained by applying the in situ PSF during the deconvolution process.

Les cartes fonctionnelles dans le cortex visuel du chat : nouvelles stratégies d’évaluation en imagerie optique et mise en évidence de l’organisation anatomo-fonctionnelle

Le regroupement des neurones de propriétés similaires est à l’origine de modules permettant d’optimiser l’analyse de l’information. La conséquence est la présence de cartes fonctionnelles dans le cortex visuel primaire de certains mammifères pour de nombreux paramètres tels que l’orientation, la direction du mouvement ou la position des stimuli (visuotopie). Le premier volet de cette thèse est consacré à caractériser l’organisation modulaire dans le cortex visuel primaire pour un paramètre fondamental, la suppression centre / pourtour et au delà du cortex visuel primaire (dans l’aire 21a), pour l’orientation et la direction. Toutes les études ont été effectuées à l’aide de l’imagerie optique des signaux intrinsèques sur le cortex visuel du chat anesthésié. La quantification de la modulation par la taille des stimuli à permis de révéler la présence de modules de forte et de faible suppression par le pourtour dans le cortex visuel primaire (aires 17 et 18). Ce type d’organisation n’avait été observé jusqu’ici que dans une aire de plus haut niveau hiérarchique chez le primate. Une organisation modulaire pour l’orientation, similaire à celle observée dans le cortex visuel primaire a été révélée dans l’aire 21a. Par contre, contrairement à l’aire 18, l’aire 21a ne semblait pas être organisée en domaine de direction. L’ensemble de ces résultats pourront permettre d’alimenter les connaissances sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cortex visuel du chat mais également de mieux comprendre les facteurs qui déterminent la présence d’une organisation modulaire. Le deuxième volet abordé dans cette thèse s’est intéressé à l’amélioration de l’aspect quantitatif apporté par l’analyse temporelle en imagerie optique des signaux intrinsèques. Cette nouvelle approche, basée sur l’analyse de Fourier a permis d’augmenter considérablement le rapport signal / bruit des enregistrements. Toutefois, cette analyse ne s’est basée jusqu’ici que sur la quantification d’une seule harmonique ce qui a limité son emploi à la cartographie de l’orientation et de rétinotopie uniquement. En exploitant les plus hautes harmoniques, un modèle a été proposé afin d’estimer la taille des champs récepteurs et la sélectivité à la direction. Ce modèle a par la suite été validé par des approches conventionnelles dans le cortex visuel primaire.

Effet de la transmission cholinergique sur la cartographie fonctionnelle du cortex visuel du rongeur

La transmission cholinergique, et notamment muscarinique, joue un rôle déterminant dans le système nerveux central au niveau de la modulation de la plasticité neuronale. La libération d'ACh dans le cortex visuel est concomitante à la présentation de stimuli visuels. Par son action sur la transmission neuronale corticale, l'ACh module à long terme les réponses à de nouveaux stimuli sensoriels. Dans la présente étude, l'implication du système cholinergique au niveau du développement cortical et de la plasticité inductible chez l'adulte a été étudiée par les techniques d'imagerie optique des signaux intrinsèques et d'immunohistochimie chez le rongeur. Ces deux techniques de cartographie de l'activité corticale nous ont permis d'évaluer, d'une part, l'impact modulatoire de l'acétylcholine (ACh) et de ses récepteurs muscariniques (mAChRs, M1 à M5) sur l'organisation fonctionnelle du cortex visuel chez des souris déficitaires pour les mAChRs et, d'autre part, l'impact de la libération d'ACh lors d'un entraînement visuel, sur le nombre, la nature neurochimique et la localisation au niveau des couches corticales des neurones corticaux activés. L'implication du système cholinergique sur la cartographie du cortex visuel primaire a été étudiée sur les souris génétiquement modifiées délétères (knock out : KO) pour différentes combinaisons de sous-types de mAChRs. L'imagerie des signaux intrinsèques, basée sur les changements de réflectance corticale de la lumière survenant lors de la consommation d'oxygène par les neurones activés, a permis de déterminer, lors de stimulations visuelles, les différentes composantes des propriétés des neurones du cortex visuel. La taille des champs récepteurs des neurones est diminuée lors de l'absence du récepteur M1 ou de la combinaison M1/M3. Le champ visuel apparent est augmenté chez les souris M2/M4-KO mais diminué chez les M1-KO. La finesse des connectivités neuronales (évaluée par la mesure du scatter du signal) est réduite lors de l'absence des récepteurs M2/M4. Finalement, chez les animaux M1/M3-KO, une diminution de l'acuité visuelle est observée. L'effet à long-terme d'un entraînement visuel couplé à une stimulation des neurones cholinergiques sur la distribution et la nature des neurones immunoréactifs au c-Fos, c'est-à-dire les neurones activés, a été évalué. Puisque cette stimulation combinée est en mesure de produire des modifications comportementales, notamment au niveau de l'acuité visuelle, il devenait intéressant de s'attarder aux modifications neuroanatomiques et de déterminer quels éléments de l'équilibre excitateur/inhibiteur sont compromis chez ces animaux. Les résultats obtenus démontrent que les animaux ayant reçu une combinaison de l'entraînement cholinergique et visuel présentent une augmentation du marquage c-Fos comparativement aux animaux n'ayant reçu que la stimulation cholinergique. D'autre part, chez ces animaux, il est possible d'observer des modifications de l'équilibre excitateur/inhibiteur qui correspond au potentiel plastique de la région. En conclusion, ces études démontrent un rôle important du système cholinergique dans le développement, la maturation et la plasticité du système visuel cérébral.

Localisation des aires cérébrales impliquées dans le rappel de mots : validation d’un protocole d’imagerie optique

Jusqu'à récemment, les patients souffrant d'épilepsie réfractaire aux traitements médicamenteux étaient destinés à un avenir incertain. Le recours à la chirurgie comme traitement alternatif offre l'espoir de mener un jour une vie normale. Pour déterminer si un patient peut bénéficier d’une intervention chirurgicale, une évaluation complète est cruciale. Les méthodes d’évaluation préchirurgicale ont connu des progrès importants au cours des dernières décennies avec le perfectionnement des techniques d’imagerie cérébrale. Parmi ces techniques, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR), aussi connue sous le nom d’imagerie optique, présente de nombreux avantages (coût, mobilité du participant, résolution spatiale et temporelle, etc.). L’objectif principal de cette étude est de développer un protocole d'évaluation préchirurgicale de la mémoire. Une tâche de mémoire verbale incluant l’encodage, le rappel immédiat et le rappel différé de listes de mots a été administrée à dix adultes sains lors d’un enregistrement en imagerie optique. Les résultats obtenus suggèrent l’activation bilatérale des aires préfrontales antérieures et dorsolatérales ainsi que des aires temporales antérieures et moyennes. Les aires préfrontales et temporales antérieures semblent modulées par les différents processus mnésiques et la position du rappel dans le temps. La première fois qu’une liste est rappelée, l’activité hémodynamique est plus élevée que lors des rappels subséquents, et ce, davantage dans l’hémisphère gauche que dans l’hémisphère droit. Cette étude constitue la première étape dans le processus de validation du protocole à des fins cliniques auprès de patients épileptiques.

Asymétries fonctionnelles du cortex visuel observées par spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle

Les objectifs de ce mémoire sont d’étudier la rétinotopie et les asymétries fonctionnelles du cortex visuel chez l’humain avec la spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle (SPIRf), tout en confirmant la fiabilité de cette technique. Tel qu’attendu, les résultats montrent une activation plus forte dans l’hémisphère controlatéral et dans le cortex haut/bas inverse à l’hémichamp stimulé. Nous avons également mesuré une activation significativement plus forte dans le cortex visuel supérieur (lorsque le champ visuel inférieur était stimulé) que l’activation dans le cortex visuel inférieur (lorsque le champ visuel supérieur était stimulé), surtout lorsque ces stimuli étaient présentés dans le champ visuel droit. Il s’agit de la première étude en SPIRf à observer les asymétries horizontale et verticale du cortex visuel et à ainsi confirmer l’existence de ces asymétries. Cette étude témoigne également de la fiabilité de la SPIRf comme technique d’imagerie pour cartographier le cerveau humain.

Stimulus Simplification and Object Representation: A Modeling Study

Tsunoda et al. (2001) recently studied the nature of object representation in monkey inferotemporal cortex using a combination of optical imaging and extracellular recordings. In particular, they examined IT neuron responses to complex natural objects and "simplified" versions thereof. In that study, in 42% of the cases, optical imaging revealed a decrease in the number of activation patches in IT as stimuli were "simplified". However, in 58% of the cases, "simplification" of the stimuli actually led to the appearance of additional activation patches in IT. Based on these results, the authors propose a scheme in which an object is represented by combinations of active and inactive columns coding for individual features. We examine the patterns of activation caused by the same stimuli as used by Tsunoda et al. in our model of object recognition in cortex (Riesenhuber 99). We find that object-tuned units can show a pattern of appearance and disappearance of features identical to the experiment. Thus, the data of Tsunoda et al. appear to be in quantitative agreement with a simple object-based representation in which an object's identity is coded by its similarities to reference objects. Moreover, the agreement of simulations and experiment suggests that the simplification procedure used by Tsunoda (2001) is not necessarily an accurate method to determine neuronal tuning.

A solar storm observed from the Sun to Venus using the STEREO, Venus Express, and MESSENGER spacecraft

The suite of SECCHI optical imaging instruments on the STEREO-A spacecraft is used to track a solar storm, consisting of several coronal mass ejections (CMEs) and other coronal loops, as it propagates from the Sun into the heliosphere during May 2007. The 3-D propagation path of the largest interplanetary CME (ICME) is determined from the observations made by the SECCHI Heliospheric Imager (HI) on STEREO-A (HI-1/2A). Two parts of the CME are tracked through the SECCHI images, a bright loop and a V-shaped feature located at the rear of the event. We show that these two structures could be the result of line-of-sight integration of the light scattered by electrons located on a single flux rope. In addition to being imaged by HI, the CME is observed simultaneously by the plasma and magnetic field experiments on the Venus Express and MESSENGER spacecraft. The imaged loop and V-shaped structure bound, as expected, the flux rope observed in situ. The SECCHI images reveal that the leading loop-like structure propagated faster than the V-shaped structure, and a decrease in in situ CME speed occurred during the passage of the flux rope.We interpret this as the result of the continuous radial expansion of the flux rope as it progressed outward through the interplanetary medium. An expansion speed in the radial direction of ~30 km s-1 is obtained directly from the SECCHI-HI images and is in agreement with the difference in speed of the two structures observed in situ. This paper shows that the flux rope location can be determined from white light images, which could have important space weather applications.

Complex spatiotemporal haemodynamic response following sensory stimulation in the awake rat

Detailed understanding of the haemodynamic changes that underlie non-invasive neuroimaging techniques such as blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging is essential if we are to continue to extend the use of these methods for understanding brain function and dysfunction. The use of animal and in particular rodent research models has been central to these endeavours as they allow in-vivo experimental techniques that provide measurements of the haemodynamic response function at high temporal and spatial resolution. A limitation of most of this research is the use of anaesthetic agents which may disrupt or mask important features of neurovascular coupling or the haemodynamic response function. In this study we therefore measured spatiotemporal cortical haemodynamic responses to somatosensory stimulation in awake rats using optical imaging spectroscopy. Trained, restrained animals received non-noxious stimulation of the whisker pad via chronically implanted stimulating microwires whilst optical recordings were made from the contralateral somatosensory cortex through a thin cranial window. The responses we measure from un-anaesthetised animals are substantially different from those reported in previous studies which have used anaesthetised animals. These differences include biphasic response regions (initial increases in blood volume and oxygenation followed by subsequent decreases) as well as oscillations in the response time series of awake animals. These haemodynamic response features do not reflect concomitant changes in the underlying neuronal activity and therefore reflect neurovascular or cerebrovascular processes. These hitherto unreported hyperemic response dynamics may have important implications for the use of anaesthetised animal models for research into the haemodynamic response function.

Early and late stimulus-evoked cortical hemodynamic responses provide insight into the neurogenic nature of neurovascular coupling

Understanding neurovascular coupling is a prerequisite for the interpretation of results obtained from modern neuroimaging techniques. This study investigated the hemodynamic and neural responses in rat somatosensory cortex elicited by 16 seconds electrical whisker stimuli. Hemodynamics were measured by optical imaging spectroscopy and neural activity by multichannel electrophysiology. Previous studies have suggested that the whisker-evoked hemodynamic response contains two mechanisms, a transient ‘backwards’ dilation of the middle cerebral artery, followed by an increase in blood volume localized to the site of neural activity. To distinguish between the mechanisms responsible for these aspects of the response, we presented whisker stimuli during normocapnia (‘control’), and during a high level of hypercapnia. Hypercapnia was used to ‘predilate’ arteries and thus possibly ‘inhibit’ aspects of the response related to the ‘early’ mechanism. Indeed, hemodynamic data suggested that the transient stimulus-evoked response was absent under hypercapnia. However, evoked neural responses were also altered during hypercapnia and convolution of the neural responses from both the normocapnic and hypercapnic conditions with a canonical impulse response function, suggested that neurovascular coupling was similar in both conditions. Although data did not clearly dissociate early and late vascular responses, they suggest that the neurovascular coupling relationship is neurogenic in origin.

Temporal coupling between stimulus-evoked neural activity and hemodynamic responses from individual cortical columns

Using previously published data from the whisker barrel cortex of anesthetized rodents (Berwick et al 2008 J. Neurophysiol. 99 787–98) we investigated whether highly spatially localized stimulus-evoked cortical hemodynamics responses displayed a linear time-invariant (LTI) relationship with neural activity. Presentation of stimuli to individual whiskers of 2 s and 16 s durations produced hemodynamics and neural activity spatially localized to individual cortical columns. Two-dimensional optical imaging spectroscopy (2D-OIS) measured hemoglobin responses, while multi-laminar electrophysiology recorded neural activity. Hemoglobin responses to 2 s stimuli were deconvolved with underlying evoked neural activity to estimate impulse response functions which were then convolved with neural activity evoked by 16 s stimuli to generate predictions of hemodynamic responses. An LTI system more adequately described the temporal neuro-hemodynamics coupling relationship for these spatially localized sensory stimuli than in previous studies that activated the entire whisker cortex. An inability to predict the magnitude of an initial 'peak' in the total and oxy- hemoglobin responses was alleviated when excluding responses influenced by overlying arterial components. However, this did not improve estimation of the hemodynamic responses return to baseline post-stimulus cessation.