Transcallosal connectivity of the human cortical motor network

The organizational and architectural configuration of white matter pathways connecting brain regions has ramifications for all facets of the human condition, including manifestations of incipient neurodegeneration. Although diffusion tensor imaging (DTI) has been used extensively to visualize white matter connectivity, due to the widespread presence of crossing fibres, the lateral projections of the corpus callosum are not normally detected using this methodology. Detailed knowledge of the transcallosal connectivity of the human cortical motor network has therefore remained elusive. We employed constrained spherical deconvolution (CSD) tractography - an approach that is much less susceptible to the influence of crossing fibres, in order to derive complete in-vivo characterizations of white matter pathways connecting specific motor cortical regions to their counterparts and other loci in the opposite hemisphere. The revealed patterns of connectivity closely resemble those derived from anatomical tracing in primates. It was established that dorsal premotor cortex (PMd) and supplementary motor area (SMA) have extensive interhemispheric connectivity - exhibiting both dense homologous projections, and widespread structural relations with every other region in the contralateral motor network. Through this in-vivo portrayal, the importance of non-primary motor regions for interhemispheric communication is emphasized. Additionally, distinct connectivity profiles were detected for the anterior and posterior subdivisions of primary motor cortex. The present findings provide a comprehensive representation of transcallosal white matter projections in humans, and have the potential to inform the development of models and hypotheses relating structural and functional brain connectivity.

Fecal androgen levels in common marmoset (Callithrix jacchus) males living in captive family groups

In captive common marmoset groups, the reproductive inhibition observed in subordinate female seems to be a result of olfactory, visual and behavioral cues from the dominant female. However, few studies have examined the relationship among adult males living in the same social group. These studies have shown that reproductive failure among peer males seems to be based on hormonal and behavioral mechanisms. New insights on sexual strategies in primates have been shown using fecal steroids, but so far no information is available for common marmoset males. In the present study, we evaluated the influence of light-dark cycle, age and reproductive condition on the profile of fecal androgens in males living in the same family group. Feces were collected from six fathers and six sons for androgen determination during the light phase of the 24-h cycle for eight days randomly distributed over a 4-week period. Androgen levels were determined by enzyme immunoassay technique. Adult sons showed higher androgen levels (166.97 ± 22.95 ng/g) than fathers (80.69 ± 44.38 ng/g) and juveniles (49.06 ± 23.15 ng/g; P < 0.05). No diurnal variation (P > 0.05) in fecal androgen profile was observed in adults or juveniles. No indication of androgen-mediated social competition between fathers and adult sons was demonstrable. These results provide basic information on fecal androgen profile useful to investigate the socioendocrinology of free-ranging common marmoset males and verify that, in contrast to daughters, the reproductive suppression of sons is not based on physiological inhibition of their gonads

Histopathology findings in common marmosets (Callithrix jacchus Linnaeus, 1758) with chronic weight loss associated with bile tract obstruction by infestation with Platynosomum (Loos, 1907)

Chronic weight loss in marmosets is often associated with wasting marmoset syndrome (WMS), an important disease that occurs in callitrichid colonies around the world. Even though its etiology is very difficult to determine, particular variables, such as weight loss, diarrhea and alopecia, associated or not with infestation in the pancreatic ducts with Trichospirura leptossoma (Nematoda: Thelazioidea), seem to be linked with the syndrome. This study investigated the histopathology of the lungs, duodenum, liver, gallbladder, extrahepatic bile ducts and pancreatic ducts of six common marmosets (Callithrix jacchus) suffering from severe non-diarrheic weight loss. Three individuals died naturally and the other three were euthanized. Microscopic findings showed the presence of adult flukes (Platynosomum) in the liver. These flukes, which provoke common infection in cats, were also observed inside the gallbladder as well as in the intra and extrahepatic bile ducts in common marmosets. Portal fibrosis was observed in two animals, which developed chronic fibrosing hepatopathy (biliary pattern, grade 3). The disease progresses without diarrhea and without pancreatic lesions or infestation. With the rogression, the animals presented with ascending cholangitis, cholestasis and portal fibrosis, sometimes culminating in secondary biliary cirrhosis. Therefore, this nfirmity, associated with chronic weight loss in common marmosets, could be another tiological factor linked with WMS

Testicular volume and reproductive status of Wild Callithrix jacchus

ARAÚJO, Arrilton ; SOUSA, Maria Bernardete Cordeiro . Testicular volume and reproductive status of Wild Callithrix jacchus. International Journal of Primatology, v.29, p.1355–1364, 2008. DOI 10.1007/s10764-008-9291-4

Efeito do parceiro social sobre a resposta comportamental ao ambiente novo em sagüi comum (Callithrix jacchus)

Algumas pesquisas demonstram que a presença de um parceiro social durante uma situação de risco modula a resposta ao estresse, atenuando seus efeitos negativos. Neste estudo, 8 díades de machos e 8 de fêmeas de sagüi comum (Callithrix jacchus) foram expostos a um ambiente novo, sozinhos e acompanhados de um parceiro de mesmo sexo e idade. Quando submetidos a um ambiente novo em companhia de um animal de mesmo sexo, os machos apresentaram um perfil mais filiativo enquanto as fêmeas foram mais competitivas entre si. Os resultados mostram que a resposta comportamental é sexualmente dimórfica, e que machos e fêmeas utilizam diferentes estratégias quando confrontados com situações desafiadoras no ambiente natural Abstract Some researches demonstrate that the presence of a social partner during a challenging situation modulates the stress response, decreasing its negative effects. In this study common marmoset (Callithrix jacchus) males and females were exposed to a new environment, alone or in companion of a social partner of the same sex and age. When submitted to new environment in companion of a same-sex social partner males showed more affiliation whereas females performed agonistic behaviors. The results show that behavioral response is sexually dimorphic and that males and females used different strategies when facing challenging situations in natural conditions

Circadian variation with a diurnal bimodal profile on scent-marking behavior in captive common marmosets (callitrhix jacchus)

Scent-marking behavior is associated with different behavioral contexts in callitrichids, including signalizing a territory, location of feeding resources, and social rank. In marmosets and tamarins it is also associated with intersexual communication. Though it appears very important for the daily routine of the individuals, very few researchers have investigated distribution through the 24-h cycle. In a preliminary report, we described a preferential incidence of this behavior 2 h before nocturnal rest in families of common marmosets. We expand the data using 8 family groups (28 subjects), 8 fathers, 6 mothers, 8 nonreproductive adults (4 sons and 4 daughters), and 6 juvenile (3 sons and 3 daughters) offspring that we kept in outdoor cages under natural environmental conditions. We recorded the frequency of anogenital scent marking for each group during the light phase, twice a wk, for 4 consecutive wks, from March 1998 to September 1999. Cosinor test detected 24- and 8-h variations in 89.3% and 85.7% of the subjects, respectively, regardless of sex or reproductive status. The 8-h component is a consequence of the 2 peaks for the behavior, at the beginning and end of the light phase. Daily distribution of scent marking is similar to that others described previously for motor activity in marmosets. The coincident rhythmical patterns for both behaviors seem to be associated with feeding behavior, as described for callitrichids in free-ranging conditions, involving an increase in foraging activities early in the morning and shortly before nocturnal rest

Hormonal changes related to paternal and alloparental care in common marmosets (Callithrix jacchus)

The physiological mechanisms of parental and alloparental care in cooperatively breeding nonhuman primate species such as the common marmoset (Callithrix jacchus) are poorly known. In this study, we examined prolactin and cortisol plasma levels of fathers and older offspring of both sexes, with and without previous experience in infant carrying, around parturition and during infant carrying. Blood samples were collected from fathers and older offspring and prolactin and cortisol were measured by RIA and EIA, respectively. Prolactin levels of both caretakers were not influenced by infant’s birth, previous experience or proximity to parturition. However, prolactin levels increased in both caretakers while in physical contact with infants and also with the number of infants being carried in older offspring. These findings suggest that increased prolactin seems to be mainly due to physical effort rather than a physiological trigger of paternal and alloparental care in common marmosets. Cortisol levels were higher for experienced fathers shortly before parturition which could act to reinforce affiliative bonds between breeding males and females at this time or in the ability of males to detect the proximity of the parturition or both

Reproductive Patterns and Birth Seasonality in a South-American Breeding Colony of Common Marmosets, Callithrix jacchus

SOUSA,M.B.C. et al. Reproductive Patterns and Birth Seasonality in a South-American Breeding Colony of Common Marmosets, Callithrix jacchus. Primates, v.40, n.2, p. 327-336, Apr. 1999.

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.

Restoring function after neuromuscular trauma: novel paradigms for enhancing volitional control of neural activity in untethered environments and vHAB, a gamified therapy platform

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Étude des projections axonales sérotoninergiques dans un modèle murin de la maladie de Parkinson et des dyskinésies induites par la lévodopa

OBJECTIFS: La libération de dopamine par les afférences à sérotonine (5-HT) du striatum constitue un déterminant pré-synaptique important des dyskinésies induites par la L-Dopa (DILs), un effet délétère du traitement pharmacologique de la maladie de Parkinson. En effet, les axones 5-HT seraient en mesure de libérer de façon non-physiologique de la dopamine lorsque la L-Dopa est administrée au patient, contribuant ainsi à l’expression des DILs. Certaines afférences striatales 5-HT contiennent un transporteur vésiculaire du glutamate (VGluT3) et nous croyons que sa présence puisse avoir un effet synergique sur la libération de dopamine. L’objectif général de ce mémoire est donc d’évaluer la quantité de VGluT3 présent au sein des axones 5-HT et de mesurer son implication dans l’expression des DILs. MÉTHODES : Dix-huit souris C57/Bl6 ont été séparées en trois groupes expérimentaux. Douze souris ont reçu une injection intracérébrale de 6- hydroxydopamine (6-OHDA) dans le faisceau prosencéphalique médian afin de léser les afférences dopaminergiques du striatum. Six souris lésées ont reçu des injections systémiques de L-Dopa (12 jours, 1 fois/jour). Six autres souris ont reçu une injection intracérébrale du véhicule afin de servir de contrôle. La sévérité des mouvements involontaires anormaux induits par la L-Dopa (équivalent des dyskinésies) a été quantifiée selon une échelle reconnue. Un double marquage en immunofluorescence pour le transporteur membranaire de la 5-HT (SERT) et le VGluT3 a permis d’évaluer la densité des varicosités SERT+ et SERT+/VGluT3+ dans le striatum dorsal et de comparer ces données entre les trois groupes expérimentaux. RÉSULTATS: Chez les trois groupes de souris, un faible pourcentage des varicosités axonales 5-HT sont également VGluT3+. Ces varicosités doublement marquées sont souvent retrouvées sur une même branche axonale. Aucune différence significative n’a été observée entre les trois groupes expérimentaux en ce qui a trait à la proportion de varicosités SERT+ qui contiennent le VGluT3+. CONCLUSION: Nos données expérimentales ne nous permettent pas de conclure que la densité des varicosités axonales SERT+ ou SERT+/VGluT3+ au sein du striatum dorsal varie en fonction de la sévérité des mouvements involontaires anormaux induits par l’administration de L-Dopa.

Phocid seal leptin: tertiary structure and hydrophobic receptor binding site preservation during distinct leptin gene evolution

The cytokine hormone leptin is a key signalling molecule in many pathways that control physiological functions. Although leptin demonstrates structural conservation in mammals, there is evidence of positive selection in primates, lagomorphs and chiropterans. We previously reported that the leptin genes of the grey and harbour seals (phocids) have significantly diverged from other mammals. Therefore we further investigated the diversification of leptin in phocids, other marine mammals and terrestrial taxa by sequencing the leptin genes of representative species. Phylogenetic reconstruction revealed that leptin diversification was pronounced within the phocid seals with a high dN/dS ratio of 2.8, indicating positive selection. We found significant evidence of positive selection along the branch leading to the phocids, within the phocid clade, but not over the dataset as a whole. Structural predictions indicate that the individual residues under selection are away from the leptin receptor (LEPR) binding site. Predictions of the surface electrostatic potential indicate that phocid seal leptin is notably different to other mammalian leptins, including the otariids. Cloning the grey seal leptin binding domain of LEPR confirmed that this was structurally conserved. These data, viewed in toto, support a hypothesis that phocid leptin divergence is unlikely to have arisen by random mutation. Based upon these phylogenetic and structural assessments, and considering the comparative physiology and varying life histories among species, we postulate that the unique phocid diving behaviour has produced this selection pressure. The Phocidae includes some of the deepest diving species, yet have the least modified lung structure to cope with pressure and volume changes experienced at depth. Therefore, greater surfactant production is required to facilitate rapid lung re-inflation upon surfacing, while maintaining patent airways. We suggest that this additional surfactant requirement is met by the leptin pulmonary surfactant production pathway which normally appears only to function in the mammalian foetus.

Fecal androgen levels in common marmoset (Callithrix jacchus) males living in captive family groups

In captive common marmoset groups, the reproductive inhibition observed in subordinate female seems to be a result of olfactory, visual and behavioral cues from the dominant female. However, few studies have examined the relationship among adult males living in the same social group. These studies have shown that reproductive failure among peer males seems to be based on hormonal and behavioral mechanisms. New insights on sexual strategies in primates have been shown using fecal steroids, but so far no information is available for common marmoset males. In the present study, we evaluated the influence of light-dark cycle, age and reproductive condition on the profile of fecal androgens in males living in the same family group. Feces were collected from six fathers and six sons for androgen determination during the light phase of the 24-h cycle for eight days randomly distributed over a 4-week period. Androgen levels were determined by enzyme immunoassay technique. Adult sons showed higher androgen levels (166.97 ± 22.95 ng/g) than fathers (80.69 ± 44.38 ng/g) and juveniles (49.06 ± 23.15 ng/g; P < 0.05). No diurnal variation (P > 0.05) in fecal androgen profile was observed in adults or juveniles. No indication of androgen-mediated social competition between fathers and adult sons was demonstrable. These results provide basic information on fecal androgen profile useful to investigate the socioendocrinology of free-ranging common marmoset males and verify that, in contrast to daughters, the reproductive suppression of sons is not based on physiological inhibition of their gonads

Histopathology findings in common marmosets (Callithrix jacchus Linnaeus, 1758) with chronic weight loss associated with bile tract obstruction by infestation with Platynosomum (Loos, 1907)

Chronic weight loss in marmosets is often associated with wasting marmoset syndrome (WMS), an important disease that occurs in callitrichid colonies around the world. Even though its etiology is very difficult to determine, particular variables, such as weight loss, diarrhea and alopecia, associated or not with infestation in the pancreatic ducts with Trichospirura leptossoma (Nematoda: Thelazioidea), seem to be linked with the syndrome. This study investigated the histopathology of the lungs, duodenum, liver, gallbladder, extrahepatic bile ducts and pancreatic ducts of six common marmosets (Callithrix jacchus) suffering from severe non-diarrheic weight loss. Three individuals died naturally and the other three were euthanized. Microscopic findings showed the presence of adult flukes (Platynosomum) in the liver. These flukes, which provoke common infection in cats, were also observed inside the gallbladder as well as in the intra and extrahepatic bile ducts in common marmosets. Portal fibrosis was observed in two animals, which developed chronic fibrosing hepatopathy (biliary pattern, grade 3). The disease progresses without diarrhea and without pancreatic lesions or infestation. With the rogression, the animals presented with ascending cholangitis, cholestasis and portal fibrosis, sometimes culminating in secondary biliary cirrhosis. Therefore, this nfirmity, associated with chronic weight loss in common marmosets, could be another tiological factor linked with WMS

Testicular volume and reproductive status of Wild Callithrix jacchus

ARAÚJO, Arrilton ; SOUSA, Maria Bernardete Cordeiro . Testicular volume and reproductive status of Wild Callithrix jacchus. International Journal of Primatology, v.29, p.1355–1364, 2008. DOI 10.1007/s10764-008-9291-4