Rôle de DSCAM dans le développement normal du cortex moteur et de la voie corticospinale

DSCAM est exprimé dans le cortex lors du développement et sa mutation altère l’arborisation dendritique des neurones pyramidaux du cortex moteur. Considérant que les souris DSCAM2J possèdent des problèmes posturaux et locomoteurs, nous émettons l’hypothèse que DSCAM est impliqué dans le fonctionnement normal du cortex moteur et de la voie corticospinale. Comparées aux souris contrôles, les souris DSCAM2J vont présenter des problèmes moteurs à basse vitesse et enjamber un obstacle presque normalement à vitesse intermédiaire. Le traçage antérograde de la voie corticospinale révèle un patron d’innervation normal dans le tronc cérébrale et la moelle épinière. Des microstimulations intracorticale du cortex moteur évoque des réponses électromyographiques dans les membres à un seuil et une latence plus élevé. Par contre, une stimulation de la voie corticospinale dans la médulla évoque des réponses électromyographies à un seuil et une latence similaire entre les deux groupes, suggérant une réduction de l’excitabilité du cortex moteur.

Spike-timing dependent plasticity and connectivity in primate sensorimotor cortex

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Sonic hedgehog signaling regulates mode of cell division of early cerebral cortex progenitors and increases

The morphogen Sonic Hedgehog (SHH) plays a critical role in the development of different tissues. In the central nervous system, SHH is well known to contribute to the patterning of the spinal cord and separation of the brain hemispheres. In addition, it has recently been shown that SHH signaling also contributes to the patterning of the telencephalon and establishment of adult neurogenic niches. In this work, we investigated whether SHH signaling influences the behavior of neural progenitors isolated from the dorsal telencephalon, which generate excitatory neurons and macroglial cells in vitro. We observed that SHH increases proliferation of cortical progenitors and generation of astrocytes, whereas blocking SHH signaling with cyclopamine has opposite effects. In both cases, generation of neurons did not seem to be affected. However, cell survival was broadly affected by blockade of SHH signaling. SHH effects were related to three different cell phenomena: mode of cell division, cell cycle length and cell growth. Together, our data in vitro demonstrate that SHH signaling controls cell behaviors that are important for proliferation of cerebral cortex progenitors, as well as differentiation and survival of neurons and astroglial cells.

Local Field Potentials in the Gustatory Cortex Carry Taste Information

It has been recently shownthat localfield potentials (LFPs)fromthe auditory and visual cortices carry information about sensory stimuli, but whether this is a universal property of sensory cortices remains to be determined. Moreover, little is known about the temporal dynamics of sensory information contained in LFPs following stimulus onset. Here we investigated the time course of the amount of stimulus information in LFPs and spikes from the gustatory cortex of awake rats subjected to tastants and water delivery on the tongue. We found that the phase and amplitude of multiple LFP frequencies carry information about stimuli, which have specific time courses after stimulus delivery. The information carried by LFP phase and amplitude was independent within frequency bands, since the joint information exhibited neither synergy nor redundancy. Tastant information in LFPs was also independent and had a different time course from the information carried by spikes. These findings support the hypothesis that the brain uses different frequency channels to dynamically code for multiple features of a stimulus.

Proliferative Defects and Formation of a Double Cortex in Mice Lacking Mltt4 and Cdh2 in the Dorsal Telencephalon

Radial glial cells (RGCs) in the ventricular neuroepithelium of the dorsal telencephalon are the progenitor cells for neocortical projection neurons and astrocytes. Here we showthatthe adherens junction proteins afadin and CDH2 are criticalforthe control of cell proliferation in the dorsal telencephalon and for the formation of its normal laminar structure. Inactivation of afadin or CDH2 in the dorsal telenceph-alon leads to a phenotype resembling subcortical band heterotopia, also known as “double cortex,” a brain malformation in which heterotopic gray matter is interposed between zones of white matter. Adherens junctions between RGCs are disrupted in the mutants, progenitor cells are widely dispersed throughout the developing neocortex, and their proliferation is dramatically increased. Major subtypes of neocortical projection neurons are generated, but their integration into cell layers is disrupted. Our findings suggest that defects in adherens junctions components in mice massively affects progenitor cell proliferation and leads to a double cortex-like phenotype.

Étude des mécanismes de localisation auditive et de leur plasticité dans le cortex auditif humain

Pouvoir déterminer la provenance des sons est fondamental pour bien interagir avec notre environnement. La localisation auditive est une faculté importante et complexe du système auditif humain. Le cerveau doit décoder le signal acoustique pour en extraire les indices qui lui permettent de localiser une source sonore. Ces indices de localisation auditive dépendent en partie de propriétés morphologiques et environnementales qui ne peuvent être anticipées par l'encodage génétique. Le traitement de ces indices doit donc être ajusté par l'expérience durant la période de développement. À l’âge adulte, la plasticité en localisation auditive existe encore. Cette plasticité a été étudiée au niveau comportemental, mais on ne connaît que très peu ses corrélats et mécanismes neuronaux. La présente recherche avait pour objectif d'examiner cette plasticité, ainsi que les mécanismes d'encodage des indices de localisation auditive, tant sur le plan comportemental, qu'à travers les corrélats neuronaux du comportement observé. Dans les deux premières études, nous avons imposé un décalage perceptif de l’espace auditif horizontal à l’aide de bouchons d’oreille numériques. Nous avons montré que de jeunes adultes peuvent rapidement s’adapter à un décalage perceptif important. Au moyen de l’IRM fonctionnelle haute résolution, nous avons observé des changements de l’activité corticale auditive accompagnant cette adaptation, en termes de latéralisation hémisphérique. Nous avons également pu confirmer l’hypothèse de codage par hémichamp comme représentation de l'espace auditif horizontal. Dans une troisième étude, nous avons modifié l’indice auditif le plus important pour la perception de l’espace vertical à l’aide de moulages en silicone. Nous avons montré que l’adaptation à cette modification n’était suivie d’aucun effet consécutif au retrait des moulages, même lors de la toute première présentation d’un stimulus sonore. Ce résultat concorde avec l’hypothèse d’un mécanisme dit de many-to-one mapping, à travers lequel plusieurs profils spectraux peuvent être associés à une même position spatiale. Dans une quatrième étude, au moyen de l’IRM fonctionnelle et en tirant profit de l’adaptation aux moulages de silicone, nous avons révélé l’encodage de l’élévation sonore dans le cortex auditif humain.

When “happy” means “sad”: neuropsychological evidence for the right prefrontal cortex contribution to executive semantic processing

The contribution of the left inferior prefrontal cortex in semantic processing has been widely investigated in the last decade. Converging evidence from functional imaging studies shows that this region is involved in the “executive” or “controlled” aspects of semantic processing. In this study, we report a single case study of a patient, PW, with damage to the right prefrontal and temporal cortices following stroke. PW showed a problem in executive control of semantic processing, where he could not easily override automatic but irrelevant semantic processing. This case thus shows the necessary role of the right inferior prefrontal cortex in executive semantic processing. Compared to tasks previously used in the literature, our tasks placed higher demands on executive semantic processing. We suggest that the right inferior prefrontal cortex is recruited when the demands on executive semantic processing are particularly high.

Asymmetrical processing of olfactory input in the piriform cortex mediates "activation" of the avian navigation circuitry

The role of odors in the long-distance navigation of birds has elicited intense debate for more than half a century. Failure to resolve many of the issues fueling this debate is due at least in part to the absence of controls for a variety of non-specific effects that odors have on the navigational process. The present experiments were carried out to investigate whether the olfactory inputs are involved only in “activation” of neuronal circuitry involved in navigation or are also playing a role in providing directional information. Experienced adult pigeons were exposed to controlled olfactory stimuli during different segments of the journey (release site vs. displacement + release site). Protein levels of IEGs (immediate early genes used to mark synaptic activity) were analyzed in areas within the olfactory/navigation avian circuitry. The results indicate that 1) exposure to natural odors at the release site (and not before) elicit greater activation across brain regions than exposure to filtered air, artificial odors, and natural odors along the entire outward journey (from home to the release site, inclusive); 2) activation of the piriform cortex in terms of odor discrimination is lateralized; 3) activation of the navigation circuitry is achieved by means of lateralized activation of piriform cortex neurons. Altogether, the findings provide the first direct evidence that activation of the avian navigation circuitry is mediated by asymmetrical processing of olfactory input occurring in the right piriform cortex.

TRANSFORMATIONS OF TASK-DEPENDENT PLASTICITY FROM A1 TO HIGHER-ORDER AUDITORY CORTEX

Everyday, humans and animals navigate complex acoustic environments, where multiple sound sources overlap. Somehow, they effortlessly perform an acoustic scene analysis and extract relevant signals from background noise. Constant updating of the behavioral relevance of ambient sounds requires the representation and integration of incoming acoustical information with internal representations such as behavioral goals, expectations and memories of previous sound-meaning associations. Rapid plasticity of auditory representations may contribute to our ability to attend and focus on relevant sounds. In order to better understand how auditory representations are transformed in the brain to incorporate behavioral contextual information, we explored task-dependent plasticity in neural responses recorded at four levels of the auditory cortical processing hierarchy of ferrets: the primary auditory cortex (A1), two higher-order auditory areas (dorsal PEG and ventral-anterior PEG) and dorso-lateral frontal cortex. In one study we explored the laminar profile of rapid-task related plasticity in A1 and found that plasticity occurred at all depths, but was greatest in supragranular layers. This result suggests that rapid task-related plasticity in A1 derives primarily from intracortical modulation of neural selectivity. In two other studies we explored task-dependent plasticity in two higher-order areas of the ferret auditory cortex that may correspond to belt (secondary) and parabelt (tertiary) auditory areas. We found that representations of behaviorally-relevant sounds are progressively enhanced during performance of auditory tasks. These selective enhancement effects became progressively larger as you ascend the auditory cortical hierarchy. We also observed neuronal responses to non-auditory, task-related information (reward timing, expectations) in the parabelt area that were very similar to responses previously described in frontal cortex. These results suggests that auditory representations in the brain are transformed from the more veridical spectrotemporal information encoded in earlier auditory stages to a more abstract representation encoding sound behavioral meaning in higher-order auditory areas and dorso-lateral frontal cortex.

Quality evaluation of cortex berberidis from different geographical origins by simultaneous high performance liquid chromatography combined with statistical methods

Purpose: To develop an effective method for evaluating the quality of Cortex berberidis from different geographical origins. Methods: A simple, precise and accurate high performance liquid chromatography (HPLC) method was first developed for simultaneous quantification of four active alkaloids (magnoflorine, jatrorrhizine, palmatine, and berberine) in Cortex berberidis obtained from Qinghai, Tibet and Sichuan Provinces of China. Method validation was performed in terms of precision, repeatability, stability, accuracy, and linearity. Besides, partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) and one-way analysis of variance (ANOVA) were applied to study the quality variations of Cortex berberidis from various geographical origins. Results: The proposed HPLC method showed good linearity, precision, repeatability, and accuracy. The four alkaloids were detected in all samples of Cortex berberidis. Among them, magnoflorine (36.46 - 87.30 mg/g) consistently showed the highest amounts in all the samples, followed by berberine (16.00 - 37.50 mg/g). The content varied in the range of 0.66 - 4.57 mg/g for palmatine and 1.53 - 16.26 mg/g for jatrorrhizine, respectively. The total content of the four alkaloids ranged from 67.62 to 114.79 mg/g. Moreover, the results obtained by the PLS-DA and ANOVA showed that magnoflorine level and the total content of these four alkaloids in Qinghai and Tibet samples were significantly higher (p < 0.01) than those in Sichuan samples. Conclusion: Quantification of multi-ingredients by HPLC combined with statistical methods provide an effective approach for achieving origin discrimination and quality evaluation of Cortex berberidis. The quality of Cortex berberidis closely correlates to the geographical origin of the samples, with Cortex berberidis samples from Qinghai and Tibet exhibiting superior qualities to those from Sichuan.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

Infralimbic cortex controls the activity of the hypothalamus-pituitary adrenal axis and the formation of aversive memory: effects of environmental enrichment

The aim of the present study was to investigate the effects of the stimulation and inhibition of the ventral part of the medial prefrontal cortex (infralimbic cortex) on basal and stress-induced plasma levels of corticosterone and on the acquisition of aversive memory in animals maintained in control and environmental enrichment (EE) conditions. Intracortical microinjections of the GABAA antagonist picrotoxin and agonist muscimol were performed in male Wistar rats to stimulate and inhibit, respectively, the activity of the infralimbic cortex. Injections were performed 60 min before foot shock stress and training in the inhibitory avoidance task. Picrotoxin injections into the infralimbic cortex increased basal plasma levels of corticosterone. These increases were higher in EE rats which suggest that EE enhances the control exerted by infralimbic cortex over the hypothalamus-pituitary-adrenal (HPA) axis and corticosterone release. Muscimol injections into the infralimbic cortex reduced the stress-induced plasma levels of corticosterone and the retention latency 24 h after training in the inhibitory avoidance performance in control and EE animals, respectively. These results further suggest that the infralimbic cortex is required for the activation of the HPA axis during stress and for the acquisition of contextual aversive memories.

Laminar and cellular distribution of AMPA, kainate, and NMDA receptor subunits in monkey sensory-motor cortex

In situ hybridization histochemistry and immunocytochemistry were used to examine lamina- and cell-specific expression of glutamate receptor (GluR) mRNAs and polypeptide subunits in motor and somatosensory cortex of macaque monkeys. Radioactive complementary RNA (cRNA) probes were prepared from cDNAs specific for α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxozolepropionate (AMPA)/kainate (GluR1-GluR4), kainate (GluR5-GluR7), and N-methylD-aspartate (NMDA; NR1, NR2A-NR2D) receptor subunits. AMPA/kainate and NR1, NR2A, and NR2B receptor transcripts show higher expression than other transcripts. All transcripts show lamina-specific patterns of distribution. GluR2 and GluR4 mRNAs show higher expression than do GluR1 and GluR3 mRNAs. GluR6 transcript expression is higher than that of GluR5 and GluR7. NR1 mRNA expression is much higher than that of NR2 mRNAs. NR2C subunit expression is very low except for a very distinct band of high expression in layer IV of area 3b. Immunocytochemistry, using subunit-specific antisera and double labeling for calbindin, parvalbumin, or α type II Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase (CaMKII-α), allowed identification of cell types expressing different subunit genes. GluR1 and GluR5/6/7 immunoreactivity is found in both pyramidal cells and gamma-amino butyric acid (GABA) cells; GluR2/3 immunoreactivity is preferentially found in pyramidal cells, whereas GluR4 immunoreactivity is largely restricted to GABA cells; NMDA receptor subunit immunoreactivity is far greater in excitatory cells than in GABA cells. The density of expression of AMPA/kainate, kainate, and NMDA receptor subunit mRNAs differed within and across the architectonic fields of sensory-motor cortex. This finding and the lamina- and cell-specific patterns of expression suggest assembly of functional receptors from different arrangements of available subunits in specific neuronal populations.

Development of metabotropic glutamate receptors from trigeminal nuclei to barrel cortex in postnatal mouse

Expression patterns of group I (mGluR1α and mGluR5)and group II (mGluR2/3) metabotropic glutamate receptor subtypes were examined immunocytochemically in the trigeminal system of mice during the first 3 weeks of postnatal development, when somatotopic whisker representations are sequentially established from brainstem through thalamus to cerebral cortex. Immunostaining for all three epitopes formed whisker-related patterns in the trigeminal nuclei from postnatal day (P) 0, in the ventral posterior thalamic nucleus from P2, and in the posteromedial barrel subfield of somatosensory cortex (SI) from P4. The appearance of whisker-related patterns was preceded by increased levels of immunostaining of the neuropil, which subsequently declined from the trigeminal nuclei upward. In SI, mGluR1α-positive neurons were observed in all cortical layers from P2. mGluR5 was localized in neurons, glial cells, and neuropil from P2. mGluR2/3 immunostaining was distributed only in the neuropil at all ages. The three receptor subtypes showed moderate to high expression in deep layer V throughout development. Transient expression peaked in the hollows of layer IV barrels from P4 to P9, and then fell off as expression increased in supragranular layers from P14 to P21. The deep aspect of the cortical subplate (layer VIb) showed dense mGluR5 and less dense mGluR1α immunostaining throughout development. Up-regulation of expression of group I and II mGluRs is correlated with the growth and refinement of connectivity and the establishment of somatotopic patterns in the three main relay stations of the trigeminal system. This finding suggests roles for mGluRs in the early processing of sensory information and in developmental plasticity.