Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Modifications neurométaboliques et microstructurales à la suite d'une commotion cérébrale chez les athlètes féminines

L’utilisation de méthodes d’investigation cérébrale avancées a permis de mettre en évidence la présence d’altérations à court et à long terme à la suite d’une commotion cérébrale. Plus spécifiquement, des altérations affectant l’intégrité de la matière blanche et le métabolisme cellulaire ont récemment été révélées par l’utilisation de l’imagerie du tenseur de diffusion (DTI) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), respectivement. Ces atteintes cérébrales ont été observées chez des athlètes masculins quelques jours après la blessure à la tête et demeuraient détectables lorsque les athlètes étaient à nouveau évalués six mois post-commotion. En revanche, aucune étude n’a évalué les effets neurométaboliques et microstructuraux dans la phase aigüe et chronique d’une commotion cérébrale chez les athlètes féminines, malgré le fait qu’elles présentent une susceptibilité accrue de subir ce type de blessure, ainsi qu’un nombre plus élevé de symptômes post-commotionnels et un temps de réhabilitation plus long. Ainsi, les études composant le présent ouvrage visent globalement à établir le profil d’atteintes microstructurales et neurométaboliques chez des athlètes féminines par l’utilisation du DTI et de la SRM. La première étude visait à évaluer les changements neurométaboliques au sein du corps calleux chez des joueurs et joueuses de hockey au cours d’une saison universitaire. Les athlètes ayant subi une commotion cérébrale pendant la saison ont été évalués 72 heures, 2 semaines et 2 mois après la blessure à la tête en plus des évaluations pré et post-saison. Les résultats démontrent une absence de différences entre les athlètes ayant subi une commotion cérébrale et les athlètes qui n’en ont pas subie. De plus, aucune différence entre les données pré et post-saison a été observée chez les athlètes masculins alors qu’une diminution du taux de N-acetyl aspartate (NAA) n’a été mise en évidence chez les athlètes féminines, suggérant ainsi un impact des coups d’intensité sous-clinique à la tête. La deuxième étude, qui utilisait le DTI et la SRM, a révélé des atteintes chez des athlètes féminines commotionnées asymptomatiques en moyenne 18 mois post-commotion. Plus spécifiquement, la SRM a révélé une diminution du taux de myo-inositol (mI) au sein de l’hippocampe et du cortex moteur primaire (M1) alors que le DTI a mis en évidence une augmentation de la diffusivité moyenne (DM) dans plusieurs faisceaux de matière blanche. De iii plus, une approche par région d’intérêt a mis en évidence une diminution de la fraction d’anisotropie (FA) dans la partie du corps calleux projetant vers l’aire motrice primaire. Le troisième article évaluait des athlètes ayant subi une commotion cérébrale dans les jours suivant la blessure à la tête (7-10 jours) ainsi que six mois post-commotion avec la SRM. Dans la phase aigüe, des altérations neuropsychologiques combinées à un nombre significativement plus élevé de symptômes post-commotionnels et dépressifs ont été trouvés chez les athlètes féminines commotionnées, qui se résorbaient en phase chronique. En revanche, aucune différence sur le plan neurométabolique n’a été mise en évidence entre les deux groupes dans la phase aigüe. Dans la phase chronique, les athlètes commotionnées démontraient des altérations neurométaboliques au sein du cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) et M1, marquées par une augmentation du taux de glutamate/glutamine (Glx). De plus, une diminution du taux de NAA entre les deux temps de mesure était présente chez les athlètes contrôles. Finalement, le quatrième article documentait les atteintes microstructurales au sein de la voie corticospinale et du corps calleux six mois suivant une commotion cérébrale. Les analyses n’ont démontré aucune différence au sein de la voie corticospinale alors que des différences ont été relevées par segmentation du corps calleux selon les projections des fibres calleuses. En effet, les athlètes commotionnées présentaient une diminution de la DM et de la diffusivité radiale (DR) au sein de la région projetant vers le cortex préfrontal, un volume moindre des fibres de matière blanche dans la région projetant vers l’aire prémotrice et l’aire motrice supplémentaire, ainsi qu’une diminution de la diffusivité axiale (DA) dans la région projetant vers l’aire pariétale et temporale. En somme, les études incluses dans le présent ouvrage ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets métaboliques et microstructuraux des commotions cérébrales et démontrent des effets délétères persistants chez des athlètes féminines. Ces données vont de pair avec la littérature scientifique qui suggère que les commotions cérébrales n’entraînent pas seulement des symptômes temporaires.

Élucidation des mécanismes moléculaires impliqués dans l’expression aberrante du récepteur au peptide insulinotropique glucose-dépendant (GIP) dans les tumeurs du cortex de la glande surrénale

Les tumeurs du cortex surrénalien sont variées et fréquentes dans la population. Bien que des mutations aient été identifiées dans certains syndromes familiaux, les causes génétiques menant à la formation de tumeur du cortex surrénalien ne sont encore que peu connues. Un sous-type de ces tumeurs incluent les hyperplasies macronodulaires et sont pressenties comme la voie d’entrée de la tumorigenèse du cortex surrénalien. L’événement génétique le plus fréquemment observé dans ces tumeurs est l’expression aberrante d’un ou plusieurs récepteurs couplés aux protéines G qui contrôle la production de stéroïdes ainsi que la prolifération cellulaire. L’événement génétique menant à l’expression aberrante de ces récepteurs est encore inconnu. En utilisant le récepteur au peptide insulinotropique dépendant du glucose (GIP) comme modèle, cette étude se propose d’identifier les mécanismes moléculaires impliqués dans l’expression aberrante du récepteur au GIP (GIPR) dans les tumeurs du cortex surrénalien. Une partie clinique de cette étude se penchera sur l’identification de nouveaux cas de tumeurs surrénaliennes exprimant le GIPR de façon aberrante. Les patients étudiés seront soumis à un protocole d’investigation in vivo complet et les tumeurs prélevées seront étudiées extensivement in vitro par RT-PCR en temps réel, culture primaire des tumeurs, immunohistochimie et biopuces. Le lien entre le GIP et la physiologie normal sera également étudiée de cette façon. Une autre partie de l’étude utilisera les nouvelles techniques d’investigation à grande échelle en identifiant le transcriptome de différents cas de tumeurs exprimant le GIPR de façon aberrante. L’importance fonctionnelle des gènes identifiée par ces techniques sera confirmée dans des modèles cellulaires. Cette étude présente pour la première des cas de tumeurs productrices d’aldostérone présentant des réponses aberrantes, auparavant confinées aux tumeurs productrice de cortisol ou d’androgènes surrénaliens. Le cas probant présenté avait une production d’aldostérone sensible au GIP, le GIPR était surexprimé au niveau de l’ARNm et un fort marquage a été identifié dans la tumeur spécifiquement. Dans les surrénales normales, cette étude démontre que le GIP est impliqué dans le contrôle de la production d’aldostérone. Ces résultats ont été confirmés in vitro. Finalement, le profilage à grande échelle des niveaux d’expression de tous les gènes du génome a permis d’isoler une liste de gènes spécifiquement liés à la présence du GIPR dans des hyperplasies du cortex surrénalien. Cette liste inclus la périlipine, une protéine de stockage des lipides dans les adipocytes et la glande surrénale, dont l’expression est fortement réprimée dans les cas GIP-dépendant. Des études dans un modèle cellulaire démontrent que la répression de ce gène par siRNA est suffisante pour induire l’expression du récepteur au GIP et que cette protéine est impliquée dans la stimulation de la stéroïdogénèse par le GIP. En alliant des méthodes d’investigation in vivo de pointe à des techniques in vitro avancée, cette étude offre de nouveaux regards sur les liens entre le GIP et la physiologie de la glande surrénale, que ce soit dans des conditions normales ou pathologiques.

Benign Epilepsy with Centro-temporal Spikes: Spike Triggered fMRI Shows Somato-sensory Cortex Activity

Summary:  Objective: We performed spike triggered functional MRI (fMRI) in a 12 year old girl with Benign Epilepsy with Centro-temporal Spikes (BECTS) and left-sided spikes. Our aim was to demonstrate the cerebral origin of her interictal spikes. Methods: EEG was recorded within the 3 Tesla MRI. Whole brain fMRI images were acquired, beginning 2–3 seconds after spikes. Baseline fMRI images were acquired when there were no spikes for 20 seconds. Image sets were compared with the Student's t-test. Results: Ten spike and 20 baseline brain volumes were analysed. Focal activiation was seen in the inferior left sensorimotor cortex near the face area. The anterior cingulate was more active during baseline than spikes. Conclusions: Left sided epileptiform activity in this patient with BECTS is associated with fMRI activation in the left face region of the somatosensory cortex, which would be consistent with the facial sensorimotor involvement in BECT seizures. The presence of BOLD signal change in other regions raises the possibility that the scalp recorded field of this patient with BECTs may reflect electrical change in more than one brain region.

Protein markers for Alzheimer disease in the frontal cortex and cerebellum

Objective: To compare proteins related to Alzheimer disease ( AD) in the frontal cortex and cerebellum of subjects with early-onset AD (EOAD) with or without presenilin 1 (PS1) mutations with sporadic late-onset AD ( LOAD) and nondemented control subjects. Methods: Immunohistochemistry, immunoblot analysis, and ELISA were used to detect and assess protein levels in brain. Results: In EOAD and to a lesser extent in LOAD, there was increased amyloid beta (Abeta) deposition (by immunohistochemistry), increased soluble Abeta (by immunoblot analysis), and specific increases in Abeta(40) and Abeta(42) ( by ELISA) in the frontal cortex and, in some cases, in the cerebellum. Surprisingly, immunoblot analysis revealed reduced levels of PS1 in many of the subjects with EOAD with or without PS1 mutations. In those PS1 mutation-bearing subjects with the highest Abeta, PS1 was barely, if at all, detectable. This decrease in PS1 was specific and not attributable solely to neuronal loss because amyloid precursor protein (APP) and the PS1-interacting protein beta-catenin levels were unchanged. Conclusions: This study shows that in the frontal cortex and cerebellum from Alzheimer disease patients harboring certain presenilin 1 mutations, high levels of amyloid beta are associated with low levels of presenilin 1. The study provides the premise for further investigation of mechanisms underlying the downregulation of presenilin 1, which may have considerable pathogenic and therapeutic relevance.

Cerebral cortex activation mapping upon electrical muscle stimulation by 32-channel time-domain functional near-infrared spectroscopy

The application of different EMS current thresholds on muscle activates not only the muscle but also peripheral sensory axons that send proprioceptive and pain signals to the cerebral cortex. A 32-channel time-domain fNIRS instrument was employed to map regional cortical activities under varied EMS current intensities applied on the right wrist extensor muscle. Eight healthy volunteers underwent four EMS at different current thresholds based on their individual maximal tolerated intensity (MTI), i.e., 10 % < 50 % < 100 % < over 100 % MTI. Time courses of the absolute oxygenated and deoxygenated hemoglobin concentrations primarily over the bilateral sensorimotor cortical (SMC) regions were extrapolated, and cortical activation maps were determined by general linear model using the NIRS-SPM software. The stimulation-induced wrist extension paradigm significantly increased activation of the contralateral SMC region according to the EMS intensities, while the ipsilateral SMC region showed no significant changes. This could be due in part to a nociceptive response to the higher EMS current intensities and result also from increased sensorimotor integration in these cortical regions.

Expression Profiles of Mitochondrial Genes in the Frontal Cortex and the Caudate Nucleus of Developing Humans and Mice Selectively Bred for High and Low Fear

A growing body of evidence suggests that mitochondrial function may be important in brain development and psychiatric disorders. However, detailed expression profiles of those genes in human brain development and fear-related behavior remain unclear. Using microarray data available from the public domain and the Gene Ontology analysis, we identified the genes and the functional categories associated with chronological age in the prefrontal cortex (PFC) and the caudate nucleus (CN) of psychiatrically normal humans ranging in age from birth to 50 years. Among those, we found that a substantial number of genes in the PFC (115) and the CN (117) are associated with the GO term: mitochondrion (FDR qv <0.05). A greater number of the genes in the PFC (91%) than the genes in the CN (62%) showed a linear increase in expression during postnatal development. Using quantitative PCR, we validated the developmental expression pattern of four genes including monoamine oxidase B (MAOB), NADH dehydrogenase flavoprotein (NDUFV1), mitochondrial uncoupling protein 5 (SLC25A14) and tubulin beta-3 chain (TUBB3). In mice, overall developmental expression pattern of MAOB, SLC25A14 and TUBB3 in the PFC were comparable to the pattern observed in humans (p<0.05). However, mice selectively bred for high fear did not exhibit normal developmental changes of MAOB and TUBB3. These findings suggest that the genes associated with mitochondrial function in the PFC play a significant role in brain development and fear-related behavior.

Expression pattern of the cannabinoid receptor genes in the frontal cortex of mood disorder patients and mice selectively bred for high and low fear

Although the endocannabinoid system (ECS) has been implicated in brain development and various psychiatric disorders, precise mechanisms of the ECS on mood and anxiety disorders remain unclear. Here, we have investigated developmental and disease-related expression pattern of the cannabinoid receptor 1 (CB1) and the cannabinoid receptor 2 (CB2) genes in the dorsolateral prefrontal cortex (PFC) of humans. Using mice selectively bred for high and low fear, we further investigated potential association between fear memory and the cannabinoid receptor expression in the brain. The CB1, not the CB2, mRNA levels in the PFC gradually decrease during postnatal development ranging in age from birth to 50 years (r 2 > 0.6 & adj. p < 0.05). The CB1 levels in the PFC of major depression patients were higher when compared to the age-matched controls (adj. p < 0.05). In mice, the CB1, not the CB2, levels in the PFC were positively correlated with freezing behavior in classical fear conditioning (p < 0.05). These results suggest that the CB1 in the PFC may play a significant role in regulating mood and anxiety symptoms. Our study demonstrates the advantage of utilizing data from postmortem brain tissue and a mouse model of fear to enhance our understanding of the role of the cannabinoid receptors in mood and anxiety disorders

Analysis of kinase gene expression in the frontal cortex of suicide victims: Implications of fear and stress

Suicide is a serious public health issue that results from an interaction between multiple risk factors including individual vulnerabilities to complex feelings of hopelessness, fear, and stress. Although kinase genes have been implicated in fear and stress, including the consolidation and extinction of fearful memories, expression profiles of those genes in the brain of suicide victims are less clear. Using gene expression microarray data from the Online Stanley Genomics Database 1 and a quantitative PCR, we investigated the expression profiles of multiple kinase genes including the calcium calmodulin-dependent kinase (CAMK), the cyclin-dependent kinase, the mitogen-activated protein kinase (MAPK), and the protein kinase C (PKC) in the prefrontal cortex (PFC) of mood disorder patients died with suicide (N = 45) and without suicide (N = 38). We also investigated the expression pattern of the same genes in the PFC of developing humans ranging in age from birth to 49 year (N = 46). The expression levels of CAMK2B, CDK5, MAPK9, and PRKCI were increased in the PFC of suicide victims as compared to non-suicide controls (false discovery rate, FDR-adjusted p < 0.05, fold change >1.1). Those genes also showed changes in expression pattern during the postnatal development (FDR-adjusted p < 0.05). These results suggest that multiple kinase genes undergo age-dependent changes in normal brains as well as pathological changes in suicide brains. These findings may provide an important link to protein kinases known to be important for the development of fear memory, stress associated neural plasticity, and up-regulation in the PFC of suicide victims. More research is needed to better understand the functional role of these kinase genes that may be associated with the pathophysiology of suicide

Integrating visual and tactile information in the perirhinal cortex

By virtue of its widespread afferent projections, perirhinal cortex is thought to bind polymodal information into abstract object-level representations. Consistent with this proposal, deficits in cross-modal integration have been reported after perirhinal lesions in nonhuman primates. It is therefore surprising that imaging studies of humans have not observed perirhinal activation during visual-tactile object matching. Critically, however, these studies did not differentiate between congruent and incongruent trials. This is important because successful integration can only occur when polymodal information indicates a single object (congruent) rather than different objects (incongruent). We scanned neurologically intact individuals using functional magnetic resonance imaging (fMRI) while they matched shapes. We found higher perirhinal activation bilaterally for cross-modal (visual-tactile) than unimodal (visual-visual or tactile-tactile) matching, but only when visual and tactile attributes were congruent. Our results demonstrate that the human perirhinal cortex is involved in cross-modal, visual-tactile, integration and, thus, indicate a functional homology between human and monkey perirhinal cortices.

Anterior temporal cortex and semantic memory : reconciling findings from neuropsychology and functional imaging

Studies of semantic impairment arising from brain disease suggest that the anterior temporal lobes are critical for semantic abilities in humans; yet activation of these regions is rarely reported in functional imaging studies of healthy controls performing semantic tasks. Here, we combined neuropsychological and PET functional imaging data to show that when healthy subjects identify concepts at a specific level, the regions activated correspond to the site of maximal atrophy in patients with relatively pure semantic impairment. The stimuli were color photographs of common animals or vehicles, and the task was category verification at specific (e.g., robin), intermediate (e.g., bird), or general (e.g., animal) levels. Specific, relative to general, categorization activated the antero-lateral temporal cortices bilaterally, despite matching of these experimental conditions for difficulty. Critically, in patients with atrophy in precisely these areas, the most pronounced deficit was in the retrieval of specific semantic information.