Le rôle de la méthylation de l’ADN dans les fonctions cérébrales fronto-limbiques et la réactivité au stress quotidien

La sérotonine (5-HT) joue un rôle crucial dans l'étiologie des troubles mentaux comme la dépression majeure, les troubles de comportement et les troubles anxieux. Des études ont montré que des altérations précoces du système 5-HT peuvent potentiellement influencer le développement du cerveau et le fonctionnement du système fronto-limbique, engendrant des conséquences pour la régulation émotionnelle. Il existe aussi des évidences que le stress précoce peut affecter la méthylation de l'ADN résultant d'une altération de l'expression génique. Toutefois, le lien entre la méthylation de l'ADN et la réactivité comportementale à des facteurs de stress de la vie quotidienne est inconnu. La méthylation du gène transporteur 5-HT (SLC6A4) est d'un intérêt particulier, étant donné le rôle de SLC6A4 dans le développement du cerveau, les troubles mentaux et la régulation du stress. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'association entre (1) les niveaux périphériques de méthylation de l'ADN dans le gène SLC6A4 et les réponses neurales aux stimuli émotionnels dans les circuits fronto-limbiques du cerveau, ainsi qu’entre (2) la méthylation périphérique de SLC6A4 et la réactivité comportementale au stress de la vie quotidienne. Nous explorons également l'association entre les réponses neuronales fronto-limbique à des stimuli émotionnels et la réactivité comportementale au stress de la vie quotidienne (3). À cette fin, vingt-deux personnes (11 femmes) d’âge moyen de 34,0 ans (SD : 1,5) avec différents niveaux de méthylation au gène SLC6A4 ont été recrutés à partir de deux études longitudinales. Les participants ont subi une analyse IRMf qui comprenait une tâche de traitement émotionnel. Un questionnaire en ligne sur la réactivité au stress quotidien de la vie a été réalisé pendant 5 jours consécutifs. Des analyses corrélationnelles et de régression ont été effectuées pour examiner les associations entre les variables primaires. Les résultats préliminaires de cette étude ont montré que la méthylation de l'ADN est associée à la désactivation significative du gyrus précentral et gyrus fusiforme respectivement face à des stimuli de peur et de tristesse. Aucune association significative n'a été observée entre les niveaux de méthylation et l'activation de l'amygdale. En outre, les scores obtenus aux variables de stress de la vie quotidienne tels que la détresse chronique ont été associées à la désactivation du précuneus et du cortex cingulaire postérieur face à la tristesse. Ces résultats suggèrent l'implication potentielle des processus épigénétiques dans l'activation cérébrale spécifique et la sensibilité au stress de la vie courante.

Corrélats neuronaux du circuit des récompenses chez les jeunes à risque parental de troubles de l'humeur

Cette thèse a pour objectif l’investigation du circuit des récompenses, sur les plans comportementaux et neuronaux, chez des adolescents à risque parental élevé de dépression majeure et de trouble bipolaire, en comparaison à des jeunes à risque parental peu élevé. Plus précisément, le but est d’identifier des marqueurs comportementaux et neuronaux du risque de développer une dépression majeure ou un trouble bipolaire, afin d’être en mesure de détecter et de prévenir ces troubles le plus tôt possible pour éviter, ou du moins retarder, leur émergence. Pour ce faire, nous avons réalisé deux études, présentées ici dans deux articles empiriques. Dans le premier article, le fonctionnement comportemental et neuronal du circuit des récompenses a été investigué au moyen d’une tâche d’anticipation et d’obtention de gains et de pertes monétaires, chez des adolescents à risque parental de dépression majeure (i.e., jeunes asymptomatiques dont un des parents souffre de dépression majeure), des adolescents à risque parental de trouble bipolaire (i.e., jeunes asymptomatiques dont un des parents souffre de trouble bipolaire) et des adolescents contrôles (i.e., jeunes asymptomatiques dont les deux parents sont en bonne santé mentale). Au niveau comportemental, les résultats ont révélé une meilleure performance chez les jeunes à risque de dépression majeure lorsqu’ils devaient éviter d’obtenir des pertes monétaires de magnitude variée (0,20$, 1$ ou 5$), ainsi qu’une meilleure performance chez les jeunes à risque de trouble bipolaire sur les essais impliquant d’éviter des pertes monétaires de magnitude nulle (0$). Au niveau neuronal, les jeunes à risque de dépression majeure démontraient une diminution de l’activation du cortex préfrontal dorsolatéral lors de l’anticipation de potentielles pertes monétaires de magnitude variée, tandis que les jeunes à risque de trouble bipolaire démontraient une diminution de l’activation du cortex préfrontal dorsolatéral lors de l’anticipation de potentielles pertes monétaires de magnitude nulle. De plus, les jeunes à risque de dépression majeure tendaient à démontrer une augmentation de l’activité du cortex orbitofrontal durant l’évitement réussi de pertes monétaires, tandis que les jeunes à risque de trouble bipolaire tendaient à démontrer une augmentation de l’activité du cortex orbitofrontal lors de l’obtention de pertes monétaires. Dans le deuxième article, l’intégrité structurelle des régions fronto-limbiques a été investiguée, au moyen de mesures du volume, de l’épaisseur corticale et de la superficie corticale. Les résultats ont mis en évidence, chez les jeunes à risque de trouble bipolaire, un volume plus élevé du cortex préfrontal dorsolatéral, par rapport aux jeunes à risque de dépression majeure et contrôles. De plus, les jeunes à risque de trouble bipolaire présentaient un volume plus élevé du cortex cingulaire postérieur, en comparaison aux jeunes à risque de dépression majeure. Enfin, une diminution de l’épaisseur corticale du cortex orbitofrontal et du gyrus frontal moyen a été observée chez les adolescents à risque de trouble bipolaire, en comparaison au groupe contrôle. L’ensemble de ces résultats démontre ainsi l’existence de particularités comportementales et d’altérations neuronales sur les plans fonctionnel et structurel, chez des jeunes à risque élevé de troubles de l’humeur, et ce, avant même l’émergence des premiers symptômes thymiques. Plus particulièrement, ces caractéristiques pourraient constituer des marqueurs du risque de développer un trouble de l’humeur. Par conséquent, ces marqueurs pourraient aider à mieux identifier les jeunes qui sont le plus à risque de développer un trouble de l’humeur, et ainsi permettre la mise en place précoce de stratégies préventives adaptées, afin d’éviter des trajectoires développementales psychopathologiques.

Prospective longitudinal voxel-based morphometry study of major depressive disorder in young individuals at high familial risk

BACKGROUND Previous neuroimaging studies indicate abnormalities in cortico-limbic circuitry in mood disorder. Here we employ prospective longitudinal voxel-based morphometry to examine the trajectory of these abnormalities during early stages of illness development. METHOD Unaffected individuals (16-25 years) at high and low familial risk of mood disorder underwent structural brain imaging on two occasions 2 years apart. Further clinical assessment was conducted 2 years after the second scan (time 3). Clinical outcome data at time 3 was used to categorize individuals: (i) healthy controls ('low risk', n = 48); (ii) high-risk individuals who remained well (HR well, n = 53); and (iii) high-risk individuals who developed a major depressive disorder (HR MDD, n = 30). Groups were compared using longitudinal voxel-based morphometry. We also examined whether progress to illness was associated with changes in other potential risk markers (personality traits, symptoms scores and baseline measures of childhood trauma), and whether any changes in brain structure could be indexed using these measures. RESULTS Significant decreases in right amygdala grey matter were found in HR MDD v. controls (p = 0.001) and v. HR well (p = 0.005). This structural change was not related to measures of childhood trauma, symptom severity or measures of sub-diagnostic anxiety, neuroticism or extraversion, although cross-sectionally these measures significantly differentiated the groups at baseline. CONCLUSIONS These longitudinal findings implicate structural amygdala changes in the neurobiology of mood disorder. They also provide a potential biomarker for risk stratification capturing additional information beyond clinically ascertained measures.

Corrélats neuronaux du circuit des récompenses chez les jeunes à risque parental de troubles de l'humeur

Cette thèse a pour objectif l’investigation du circuit des récompenses, sur les plans comportementaux et neuronaux, chez des adolescents à risque parental élevé de dépression majeure et de trouble bipolaire, en comparaison à des jeunes à risque parental peu élevé. Plus précisément, le but est d’identifier des marqueurs comportementaux et neuronaux du risque de développer une dépression majeure ou un trouble bipolaire, afin d’être en mesure de détecter et de prévenir ces troubles le plus tôt possible pour éviter, ou du moins retarder, leur émergence. Pour ce faire, nous avons réalisé deux études, présentées ici dans deux articles empiriques. Dans le premier article, le fonctionnement comportemental et neuronal du circuit des récompenses a été investigué au moyen d’une tâche d’anticipation et d’obtention de gains et de pertes monétaires, chez des adolescents à risque parental de dépression majeure (i.e., jeunes asymptomatiques dont un des parents souffre de dépression majeure), des adolescents à risque parental de trouble bipolaire (i.e., jeunes asymptomatiques dont un des parents souffre de trouble bipolaire) et des adolescents contrôles (i.e., jeunes asymptomatiques dont les deux parents sont en bonne santé mentale). Au niveau comportemental, les résultats ont révélé une meilleure performance chez les jeunes à risque de dépression majeure lorsqu’ils devaient éviter d’obtenir des pertes monétaires de magnitude variée (0,20$, 1$ ou 5$), ainsi qu’une meilleure performance chez les jeunes à risque de trouble bipolaire sur les essais impliquant d’éviter des pertes monétaires de magnitude nulle (0$). Au niveau neuronal, les jeunes à risque de dépression majeure démontraient une diminution de l’activation du cortex préfrontal dorsolatéral lors de l’anticipation de potentielles pertes monétaires de magnitude variée, tandis que les jeunes à risque de trouble bipolaire démontraient une diminution de l’activation du cortex préfrontal dorsolatéral lors de l’anticipation de potentielles pertes monétaires de magnitude nulle. De plus, les jeunes à risque de dépression majeure tendaient à démontrer une augmentation de l’activité du cortex orbitofrontal durant l’évitement réussi de pertes monétaires, tandis que les jeunes à risque de trouble bipolaire tendaient à démontrer une augmentation de l’activité du cortex orbitofrontal lors de l’obtention de pertes monétaires. Dans le deuxième article, l’intégrité structurelle des régions fronto-limbiques a été investiguée, au moyen de mesures du volume, de l’épaisseur corticale et de la superficie corticale. Les résultats ont mis en évidence, chez les jeunes à risque de trouble bipolaire, un volume plus élevé du cortex préfrontal dorsolatéral, par rapport aux jeunes à risque de dépression majeure et contrôles. De plus, les jeunes à risque de trouble bipolaire présentaient un volume plus élevé du cortex cingulaire postérieur, en comparaison aux jeunes à risque de dépression majeure. Enfin, une diminution de l’épaisseur corticale du cortex orbitofrontal et du gyrus frontal moyen a été observée chez les adolescents à risque de trouble bipolaire, en comparaison au groupe contrôle. L’ensemble de ces résultats démontre ainsi l’existence de particularités comportementales et d’altérations neuronales sur les plans fonctionnel et structurel, chez des jeunes à risque élevé de troubles de l’humeur, et ce, avant même l’émergence des premiers symptômes thymiques. Plus particulièrement, ces caractéristiques pourraient constituer des marqueurs du risque de développer un trouble de l’humeur. Par conséquent, ces marqueurs pourraient aider à mieux identifier les jeunes qui sont le plus à risque de développer un trouble de l’humeur, et ainsi permettre la mise en place précoce de stratégies préventives adaptées, afin d’éviter des trajectoires développementales psychopathologiques.

A comprehensive analysis of sexual dimorphism in the midbrain dopamine system

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

On dendrites in Down syndrome and DS murine models: a spiny way to learn

Since the discovery in the 1970s that dendritic abnormalities in cortical pyramidal neurons are the most consistent pathologic correlate of mental retardation, research has focused on how dendritic alterations are related to reduced intellectual ability. Due in part to obvious ethical problems and in part to the lack of fruitful methods to study neuronal circuitry in the human cortex, there is little data about the microanatomical contribution to mental retardation. The recent identification of the genetic bases of some mental retardation associated alterations, coupled with the technology to create transgenic animal models and the introduction of powerful sophisticated tools in the field of microanatomy, has led to a growth in the studies of the alterations of pyramidal cell morphology in these disorders. Studies of individuals with Down syndrome, the most frequent genetic disorder leading to mental retardation, allow the analysis of the relationships between cognition, genotype and brain microanatomy. In Down syndrome the crucial question is to define the mechanisms by which an excess of normal gene products, in interaction with the environment, directs and constrains neural maturation, and how this abnormal development translates into cognition and behaviour. In the present article we discuss mainly Down syndrome-associated dendritic abnormalities and plasticity and the role of animal models in these studies. We believe that through the further development of such approaches, the study of the microanatomical substrates of mental retardation will contribute significantly to our understanding of the mechanisms underlying human brain disorders associated with mental retardation. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Tailored conductivity in ion implanted polyetheretherketone

Ion implantation can be used to confer electrical conductivity upon conventional insulating polymers such as polyetheretherketone (PEEK). We have implanted PEEK films using three different types of ion implantation: conventional inert gas and metal ion implantation, and ion beam mixing. We have applied a number of analytical techniques to compare the chemical, structural and electrical properties of these films. The most effective means of increasing electrical conductivity appears to be via ion beam mixing of metals into the polymer, followed by metal ion implantation and finally, inert gas ion implantation. Our results suggest that in all cases, the conducting region corresponds to the implanted layer in the near surface to a depth of similar to750 Angstrom (ion beam mixed) to similar to5000 Angstrom (metal ion). This latter value is significantly higher than would be expected from a purely ballistic standpoint, and can only be attributed to thermal inter-diffusion. Our data also indicates that graphitic carbon is formed within the implant region by chain scission and subsequent cross-linking. All ion implanted samples retained their bulk mechanical properties, i.e. they remained flexible. The implant layers showed no signs of de-lamination. We believe this to be the first comparative study between different implantation techniques, and our results support the proposition that soft electronic circuitry and devices can be created by conductivity engineering with ion beams. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Reappraising contemporary theories of subcortical participation in language: Proposing an interhemispheric regulatory function for the subthalamic nucleus (STN) in the mediation of high-level linguistic processes

Apropos the basal ganglia, the dominant striatum and globus pallidus internus (GPi) have been hypothesised to represent integral components of subcortical language circuitry. Working subcortical language theories, however, have failed thus far to consider a role for the STN in the mediation of linguistic processes, a structure recently defined as the driving force of basal ganglia output. The aim of this research was to investigate the impact of surgically induced functional inhibition of the STN upon linguistic abilities, within the context of established models of basal ganglia participation in language. Two males with surgically induced 'lesions' of the dominant and non-dominant dorsolateral STN, aimed at relieving Parkinsonian motor symptoms, served as experimental subjects. General and high-level language profiles were compiled for each subject up to 1 month prior to and 3 months following neurosurgery, within the drug-on state (i.e., when optimally medicated). Comparable post-operative alterations in linguistic performance were observed subsequent to surgically induced functional inhibition of the left and right STN. More specifically, higher proportions of reliable decline as opposed to improvement in post-operative performance were demonstrated by both subjects on complex language tasks, hypothesised to entail the interplay of cognitive-linguistic processes. The outcomes of the current research challenge unilateralised models of functional basal ganglia organisation with the proposal of a potential interhemispheric regulatory function for the STN in the mediation of high-level linguistic processes.

Alterations in the phenotype of neocortical pyramidal cells in the Dyrk1A+/- mouse

The gene encoding the dual-specificity tyrosine-regulated kinase DYRK1A maps to the chromosomal segment HSA21q22.2, which lies within the Down syndrome critical region. The reduction in brain size and behavioral defects observed in mice lacking one copy of the murine homologue Dyrk1A (Dyrk1A+/-) support the idea that this kinase may be involved in monosomy 21 associated mental retardation. However, the structural basis of these behavioral defects remains unclear. In the present work, we have analyzed the microstructure of cortical circuitry in the Dyrk1A+/- mouse and control littermates by intracellular injection of Lucifer Yellow in fixed cortical tissue. We found that labeled pyramidal cells were considerably smaller, less branched and less spinous in the cortex of Dyrk1A+/- mice than in control littermates. These results suggest that Dyrk1A influences the size and complexity of pyramidal cells, and thus their capability to integrate information. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Specialization in pyramidal cell structure in the cingulate cortex of the Chacma baboon (Papio ursinus): An intracellular injection study of the posterior and anterior cingulate gyrus with comparative notes on the macaque and vervet monkeys

This study forms part of an ongoing investigation of pyramidal cell structure in the cingulate cortex of primates. Recently we have demonstrated that layer III pyramidal cells in the anterior cingulate gyrus are considerably larger, more branched and more spinous than those in the posterior cingulate gyrus (areas 24 and 23, respectively) in the macaque and vervet monkeys. Moreover, the extent of the interareal difference in specialization in pyramidal cell structure differed between the two species. These data suggest that pyramidal cell circuitry may have evolved differently in these closely related species. Presently there are too few data to speculate on what is selecting for this specialization in structure. Here we extend the basis for comparison by studying pyramidal cell structure in cingulate gyrus of the Chacma baboon (Papio ursinus). Methodology used here is the same as that for our previous studies: intracellular injection of Lucifer Yellow in flat-mounted cortical slices. We found that pyramidal cells in anterior cingulate gyrus (area 24) were more branched and more spinous than those in posterior cingulate gyrus (area 23). Moreover, the complexity in pyramidal cell structure in both the anterior and posterior cingulate gyrus of the baboon differed to that in the corresponding regions in either the macaque or vervet monkeys. (C) 2005 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Specialization in pyramidal cell structure in the sensory-motor cortex of the chacma baboon (Papio ursinus) with comparative notes on macaque and vervet monkeys

The systematic study of pyramidal cell structure has revealed new insights into specialization of the phenotype in the primate cerebral cortex. Regional specialization in the neuronal phenotype may influence patterns of connectivity and the computational abilities of the circuits they compose. The comparative study of pyramidal cells in homologous cortical areas is beginning to yield data on the evolution and development of such specialized circuitry in the primate cerebral cortex. Recently, we have focused our efforts on sensory-motor cortex. Based on our intracellular injection methodology, we have demonstrated a progressive increase in the size of, the branching structure in, and the spine density of the basal dendritic trees of pyramidal cells through somatosensory areas 3b, 1, 2, 5, and 7 in the macaque and vervet monkeys. In addition, we have shown that pyramidal cells in premotor area 6 are larger, more branched, and more spinous than those in the primary motor cortex (MI or area 4) in the macaque monkey, vervet monkey, and baboon. Here we expand the basis for comparison by studying the basal dendritic trees of layer III pyramidal cells in these same sensory-motor areas in the chacma baboon. The baboon was selected because it has a larger cerebral cortex than either the macaque or vervet monkeys; motor cortex has expanded disproportionately in these three species; and motor cortex in the baboon reportedly has differentiated to include a new cortical area not present in either the macaque or vervet monkeys. We found, as in monkeys, a progressive increase in the morphological complexity of pyramidal cells through areas 3b, 5, and 7, as well as from area 4 to area 6, suggesting that areal specialization in microcircuitry was likely to be present in a common ancestor of primates. In addition, we found subtle differences in the extent of the interareal differences in pyramidal cell structure between homologous cortical areas in the three species. (c) 2005 Wiley-Liss, Inc.

Pyramidal neurons of granular prefrontal cortex of the galago: Complexity in evolution of the psychic cell in primates

Typically, cognitive abilities of humans have been attributed to their greatly expanded cortical mantle, granular prefrontal cortex (gPFC) in particular. Recently we have demonstrated systematic differences in microstructure of gPFC in different species. Specifically, pyramidal cells in adult human gPFC are considerably more spinous than those in the gPFC of the macaque monkey, which are more spinous than those in the gPFC of marmoset and owl monkeys. As most cortical dendritic spines receive at least one excitatory input, pyramidal cells in these different species putatively receive different numbers of inputs. These differences in the gPFC pyramidal cell phenotype may be of fundamental importance in determining the functional characteristics of prefrontal circuitry and hence the cognitive styles of the different species. However, it remains unknown as to why the gPFC pyramidal cell phenotype differs between species. Differences could be attributed to, among other things, brain size, relative size of gPFC, or the lineage to which the species belong. Here we investigated pyramidal cells in the dorsolateral gPFC of the prosimian galago to extend the basis for comparison. We found these cells to be less spinous than those in human, macaque, and marmoset. (c) 2005 Wiley-Liss, Inc.

Specializations of the granular prefrontal cortex of primates: Implications for cognitive processing

The biological underpinnings of human intelligence remain enigmatic. There remains the greatest confusion and controversy regarding mechanisms that enable humans to conceptualize, plan, and prioritize, and why they are set apart from other animals in their cognitive abilities. Here we demonstrate that the basic neuronal building block of the cerebral cortex, the pyramidal cell, is characterized by marked differences in structure among primate species. Moreover, comparison of the complexity of neuron structure with the size of the cortical area/region in which the cells are located revealed that trends in the granular prefrontal cortex (gPFC) were dramatically different to those in visual cortex. More specifically, pyramidal cells in the gPFC of humans had a disproportionately high number of spines. As neuron structure determines both its biophysical properties and connectivity, differences in the complexity in dendritic structure observed here endow neurons with different computational abilities. Furthermore, cortical circuits composed of neurons with distinguishable morphologies will likely be characterized by different functional capabilities. We propose that 1. circuitry in V1, V2, and gPFC within any given species differs in its functional capabilities and 2. there are dramatic differences in the functional capabilities of gPFC circuitry in different species, which are central to the different cognitive styles of primates. In particular, the highly branched, spinous neurons in the human gPFC may be a key component of human intelligence. (C) 2005 Wiley-Liss, Inc.

Synaptogenesis in the mushroom body calyx during metamorphosis in the honeybee Apis mellifera: An electron microscopic study

The goals of this study are to determine relationships between synaptogenesis and morphogenesis within the mushroom body calyx of the honeybee Apis mellifera and to find out how the microglomerular structure characteristic for the mature calyx is established during metamorphosis. We show that synaptogenesis in the mushroom body calycal neuropile starts in early metamorphosis (stages P1-P3), before the microglomerular structure of the neuropile is established. The initial step of synaptogenesis is characterized by the rare occurrence of distinct synaptic contacts. A massive synaptogenesis starts at stage P5, which coincides with the formation of microglomeruli, structural units of the calyx that are composed of centrally located presynaptic boutons surrounded by spiny postsynaptic endings. Microglomeruli are assembled either via accumulation of fine postsynaptic processes around preexisting presynaptic boutons or via ingrowth of thin neurites of presynaptic neurons into premicroglomeruli, tightly packed groups of spiny endings. During late pupal stages (P8-P9), addition of new synapses and microglomeruli is likely to continue. Most of the synaptic appositions formed there are made by boutons (putative extrinsic mushroom body neurons) into small postsynaptic profiles that do not exhibit presynaptic specializations (putative intrinsic mushroom body neurons). Synapses between presynaptic boutons characteristic of the adult calyx first appear at stage P8 but remain rare toward the end of metamorphosis. Our observations are consistent with the hypothesis that most of the synapses established during metamorphosis provide the structural basis for afferent information flow to calyces, whereas maturation of local synaptic circuitry is likely to occur after adult emergence.

Development of a non-intrusive system to monitor radial pulse wave velocity

Understanding arterial distensibility has shown to be important in the pathogenesis of cardiovascular abnormalities like hypertension. It is also known that arterial pulse wave velocity (PWV) is a measure of the elasticity or stiffness of peripheral arterial blood vessels. However, it generally requires complex instrumentations to have an accurate measurement and not suited for continual monitoring. In this paper, it describes a simple and non-intrusive method to detect the cardiovascular pulse from a human wrist above the radial artery and a fingertip. The main components of this proposed method are a piezoelectric transducer and a photo-plethysmography circuitry. 5 healthy adults (4 male) with age ranging from 25 to 38 years were recruited. The timing consistency of the detected pulsations is first evaluated and compared to that obtained from a commercial electrocardiogram. Furthermore, the derived PWV is then assessed by the predicted values attained from regression equations of two previous similar studies. The results show good correlations (p < 0.05) and similarities for the former and latter respectively. The simplicity and non-invasive nature of the proposed method can be attractive for even younger or badly disturbed patients. Moreover, it can be used for prolonged monitoring for the comfort of the patients.