Spatio-temporal Brain Dynamics Mediating Post-error Behavioral Adjustments.

Optimal behavior relies on flexible adaptation to environmental requirements, notably based on the detection of errors. The impact of error detection on subsequent behavior typically manifests as a slowing down of RTs following errors. Precisely how errors impact the processing of subsequent stimuli and in turn shape behavior remains unresolved. To address these questions, we used an auditory spatial go/no-go task where continual feedback informed participants of whether they were too slow. We contrasted auditory-evoked potentials to left-lateralized go and right no-go stimuli as a function of performance on the preceding go stimuli, generating a 2 × 2 design with "preceding performance" (fast hit [FH], slow hit [SH]) and stimulus type (go, no-go) as within-subject factors. SH trials yielded SH trials on the following trials more often than did FHs, supporting our assumption that SHs engaged effects similar to errors. Electrophysiologically, auditory-evoked potentials modulated topographically as a function of preceding performance 80-110 msec poststimulus onset and then as a function of stimulus type at 110-140 msec, indicative of changes in the underlying brain networks. Source estimations revealed a stronger activity of prefrontal regions to stimuli after successful than error trials, followed by a stronger response of parietal areas to the no-go than go stimuli. We interpret these results in terms of a shift from a fast automatic to a slow controlled form of inhibitory control induced by the detection of errors, manifesting during low-level integration of task-relevant features of subsequent stimuli, which in turn influences response speed.

Regulation of GABA(A) and glutamate receptor expression, synaptic facilitation and long-term potentiation in the hippocampus of prion mutant mice

Background: Prionopathies are characterized by spongiform brain degeneration, myoclonia, dementia, and periodic electroencephalographic (EEG) disturbances. The hallmark of prioniopathies is the presence of an abnormal conformational isoform (PrP(sc)) of the natural cellular prion protein (PrP(c)) encoded by the Prnp gene. Although several roles have been attributed to PrP(c), its putative functions in neuronal excitability are unknown. Although early studies of the behavior of Prnp knockout mice described minor changes, later studies report altered behavior. To date, most functional PrP(c) studies on synaptic plasticity have been performed in vitro. To our knowledge, only one electrophysiological study has been performed in vivo in anesthetized mice, by Curtis and coworkers. They reported no significant differences in paired-pulse facilitation or LTP in the CA1 region after Schaffer collateral/commissural pathway stimulation. Principal Findings: Here we explore the role of PrP(c) expression in neurotransmission and neural excitability using wild-type, Prnp -/- and PrP(c)-overexpressing mice (Tg20 strain). By correlating histopathology with electrophysiology in living behaving mice, we demonstrate that both Prnp -/- mice but, more relevantly Tg20 mice show increased susceptibility to KA, leading to significant cell death in the hippocampus. This finding correlates with enhanced synaptic facilitation in paired-pulse experiments and hippocampal LTP in living behaving mutant mice. Gene expression profiling using Illumina microarrays and Ingenuity pathways analysis showed that 129 genes involved in canonical pathways such as Ubiquitination or Neurotransmission were co-regulated in Prnp -/- and Tg20 mice. Lastly, RT-qPCR of neurotransmission-related genes indicated that subunits of GABA(A) and AMPA-kainate receptors are co-regulated in both Prnp -/- and Tg20 mice. Conclusions/Significance: Present results demonstrate that PrP(c) is necessary for the proper homeostatic functioning of hippocampal circuits, because of its relationships with GABA(A) and AMPA-Kainate neurotransmission. New PrP(c) functions have recently been described, which point to PrP(c) as a target for putative therapies in Alzheimer's disease. However, our results indicate that a "gain of function" strategy in Alzheimer's disease, or a "loss of function" in prionopathies, may impair PrP(c) function, with devastating effects. In conclusion, we believe that present data should be taken into account in the development of future therapies.

Fractal temporal organisation of motricity is altered in major depression.

OBJECTIVE: Motor changes in major depression (MD) may represent potential markers of treatment response. Physiological rhythms (heart rate/gait cycle/hand movements) have been recently shown to be neither random nor regular but to display a fractal temporal organisation, possibly reflecting a unique central "internal clock" control. Sleep and mood circadian rhythm modifications observed in MD also suggest a role for this "internal clock". We set out to examine the fractal pattern of motor activity in MD. METHODS: Ten depressed patients (46±20 years) and ten age- and gender-matched healthy controls (48±21 years) underwent a 6-h ambulatory monitoring of spontaneous hand activity with a validated wireless device. Fractal scaling exponent (α) was analysed. An α value close to 1 means the pattern is fractal. RESULTS: Healthy controls displayed a fractal pattern of spontaneous motor hand activity (α: 1.0±0.1), whereas depressed patients showed an alteration of that pattern (α:1.2±0.15, p<0.01), towards a smoother organisation. CONCLUSION: The alteration of fractal pattern of hand activity by depression further supports the role of a central internal clock in the temporal organisation of movements. This novel way of studying motor changes in depression might have an important role in the detection of endophenotypes and potential predictors of treatment response.

Short-term and sustained renal effects of angiotensin II receptor blockade in healthy subjects.

We investigated the short-term and sustained hormonal and renal effects of angiotensin II (Ang II) receptor blockade in normotensive healthy volunteers. Twenty-four subjects maintained on a fixed sodium diet were randomized to receive for 8 days a placebo or 10 or 50 mg doses of the Ang II antagonist irbesartan (SR 47436, BMS 186295) according to a double-blind, parallel group design. Plasma renin activity, plasma immunoreactive Ang II and aldosterone levels, blood pressure, renal hemodynamics, and urinary electrolyte excretion were measured for 8 hours after the first and eighth administration of each dose of irbesartan or placebo. Ang II receptor blockade with irbesartan induced a dose-dependent compensatory increase in plasma renin activity and plasma angiotensin levels and a significant decrease in plasma aldosterone levels. The compensatory rise in plasma renin activity and Ang II levels was more pronounced on day 8, reflecting a long duration of the blocking effect of irbesartan. Irbesartan induced small changes in blood pressure and did not significantly modify renal blood flow and glomerular filtration rate. However, a significant decrease in filtration fraction was observed during receptor blockade on days 1 and 8. The tubular effects of irbesartan were characterized by a dose-dependent increase in sodium and chloride excretions. Interestingly, the cumulative natriuretic response to Ang II receptor blockade was similar on days 1 and 8, suggesting that in these subjects, renal Ang II receptors are not blocked over 24 hours during repeated administration even though this antagonist has a long duration of action (t1/2 of 15 to 17 hours).(ABSTRACT TRUNCATED AT 250 WORDS)

Regional specificity of MRI contrast parameter changes in normal ageing revealed by voxel-based quantification (VBQ).

Normal ageing is associated with characteristic changes in brain microstructure. Although in vivo neuroimaging captures spatial and temporal patterns of age-related changes of anatomy at the macroscopic scale, our knowledge of the underlying (patho)physiological processes at cellular and molecular levels is still limited. The aim of this study is to explore brain tissue properties in normal ageing using quantitative magnetic resonance imaging (MRI) alongside conventional morphological assessment. Using a whole-brain approach in a cohort of 26 adults, aged 18-85years, we performed voxel-based morphometric (VBM) analysis and voxel-based quantification (VBQ) of diffusion tensor, magnetization transfer (MT), R1, and R2* relaxation parameters. We found age-related reductions in cortical and subcortical grey matter volume paralleled by changes in fractional anisotropy (FA), mean diffusivity (MD), MT and R2*. The latter were regionally specific depending on their differential sensitivity to microscopic tissue properties. VBQ of white matter revealed distinct anatomical patterns of age-related change in microstructure. Widespread and profound reduction in MT contrasted with local FA decreases paralleled by MD increases. R1 reductions and R2* increases were observed to a smaller extent in overlapping occipito-parietal white matter regions. We interpret our findings, based on current biophysical models, as a fingerprint of age-dependent brain atrophy and underlying microstructural changes in myelin, iron deposits and water. The VBQ approach we present allows for systematic unbiased exploration of the interaction between imaging parameters and extends current methods for detection of neurodegenerative processes in the brain. The demonstrated parameter-specific distribution patterns offer insights into age-related brain structure changes in vivo and provide essential baseline data for studying disease against a background of healthy ageing.

Short and long-term effects of tillage systems and nutrient sources on soil physical properties of a Southern Brazilian Hapludox

Soil tillage promotes changes in soil structure. The magnitude of the changes varies with the nature of the soil, tillage system and soil water content and decreases over time after tillage. The objective of this study was to evaluate short-term (one year period) and long-term (nine year period) effects of soil tillage and nutrient sources on some physical properties of a very clayey Hapludox. Five tillage systems were evaluated: no-till (NT), chisel plow + one secondary disking (CP), primary + two (secondary) diskings (CT), CT with burning of crop residues (CTb), and CT with removal of crop residues from the field (CTr), in combination with five nutrient sources: control without nutrient application (C); mineral fertilizers, according to technical recommendations for each crop (MF); 5 Mg ha-1 yr-1 of poultry litter (wetmatter) (PL); 60 m³ ha-1 yr-1 of cattle slurry (CS) and; 40 m³ ha-1 yr-1 of swine slurry (SS). Bulk density (BD), total porosity (TP), and parameters related to the water retention curve (macroporosity, mesoporosity and microporosity) were determined after nine years and at five sampling dates during the tenth year of the experiment. Soil physical properties were tillage and time-dependent. Tilled treatments increased total porosity and macroporosity, and reduced bulk density in the surface layer (0.00-0.05 m), but this effect decreased over time after tillage operations due to natural soil reconsolidation, since no external stress was applied in this period. Changes in pore size distribution were more pronounced in larger and medium pore diameter classes. The bulk density was greatest in intermediate layers in all tillage treatments (0.05-0.10 and 0.12-0.17 m) and decreased down to the deepest layer (0.27-0.32 m), indicating a more compacted layer around 0.05-0.20 m. Nutrient sources did not significantly affect soil physical and hydraulic properties studied.

Predictive factors in the long term outcome in gastro-oesophageal reflux disease: six years follow up of 107 patients

There is little information concerning the long term outcome of patients with gastro-oesophageal reflux disease (GORD). Thus 109 patients with reflux symptoms (33 with erosive oesophagitis) with a diagnosis of GORD after clinical evaluation and oesophageal testing were studied. All patients were treated with a stepwise approach: (a) lifestyle changes were suggested aimed at reducing reflux and antacids and the prokinetic agent domperidone were prescribed; (b) H2 blockers were added after two months when symptoms persisted; (c) anti-reflux surgery was indicated when there was no response to (b). Treatment was adjusted to maintain clinical remission during follow up. Long term treatment need was defined as minor when conservative measures sufficed for proper control, and as major if daily H2 blockers or surgery were required. The results showed that one third of the patients each had initial therapeutic need (a), (b), and (c). Of 103 patients available for follow up at three years and 89 at six years, respective therapeutic needs were minor in 52% and 55% and major in 48% and 45%. Eighty per cent of patients in (a), 67% in (b), and 17% in (c) required only conservative measures at six years. A decreasing lower oesophageal sphincter pressure (p < 0.001), radiological reflux (p = 0.028), and erosive oesophagitis (p = 0.031), but not initial clinical scores, were independent predictors of major therapeutic need as shown by multivariate analysis. The long term outcome of GORD is better than previously perceived.

Dynamic properties of human brain structure: learning-related changes in cortical areas and associated fiber connections.

Recent findings in neuroscience suggest that adult brain structure changes in response to environmental alterations and skill learning. Whereas much is known about structural changes after intensive practice for several months, little is known about the effects of single practice sessions on macroscopic brain structure and about progressive (dynamic) morphological alterations relative to improved task proficiency during learning for several weeks. Using T1-weighted and diffusion tensor imaging in humans, we demonstrate significant gray matter volume increases in frontal and parietal brain areas following only two sessions of practice in a complex whole-body balancing task. Gray matter volume increase in the prefrontal cortex correlated positively with subject's performance improvements during a 6 week learning period. Furthermore, we found that microstructural changes of fractional anisotropy in corresponding white matter regions followed the same temporal dynamic in relation to task performance. The results make clear how marginal alterations in our ever changing environment affect adult brain structure and elucidate the interrelated reorganization in cortical areas and associated fiber connections in correlation with improvements in task performance.

Long-term treatment of aggregating brain cell cultures with low concentrations of lead acetate.

Aggregating brain cell cultures were used as a model to study the effect of chronic exposure to low levels of lead acetate. Long-term maintenance of cultures could be improved by supplementation of the medium with albumin-bound lipids. Exposure for 9 days to 10(-6)-10(-4) M lead acetate caused a decrease of GABAergic (glutamic acid decarboxylase) and astrocytic (glutamine synthetase) markers which was also found after prolonged treatment (50 days) with 10(-7) M lead acetate. Total protein content and choline acetyltransferase were not changed. The results show that prolonged exposure of aggregating brain cell cultures to a low concentration of lead acetate causes distinct changes of cell type-specific parameters.

Ecotoxicological approaches to assess the long-term effects of four anticancer drugs and metabolites on Daphnia pulex

The aquatic environment is exposed continuously and increasingly to chemical substances such as pharmaceuticals. These medical compounds are released into the environment after having being consumed and body-excreted by patients. Pharmaceutical residues are synthetic molecules that are not always removed by traditional sewage treatment processes and thus escape degradation. Among pharmaceuticals that escape sewage treatment plants (STPs), the anticancer drugs were measured in STP effluents and natural waters. In the aquatic environment, their long-term effects at low concentrations are sparsely known on non-target species. Tamoxifen is an anticancer drug that is widely prescribed worldwide for the prevention and treatment of hormone receptor-positive breast cancers. Two of its metabolites, i.e., endoxifen and 4-hydroxy- tamoxifen (4OHTam), have high pharmacological potency in vivo and such as tamoxifen, they are excreted via faeces by patients. Tamoxifen was measured in STP effluents and natural waters but, to the best of our knowledge, its metabolites concentrations in waters have never been reported. Imatinib is another and recent anticancer compound that targets specific tumour cells. This pharmaceutical is also body excreted and because of its increasing use in cancer treatment, imatinib may reach the natural water. The effects of tamoxifen and imatinib are unknown upon more than one generation of aquatic species. And the effects of 4OHTam, endoxifen have never been studied in ecotoxicology so far. The aims of this thesis were threefold. First, the sensitivity of D. pulex exposed to tamoxifen, 4OHTam, endoxifen or imatinib was assessed using ecotoxicological experiments. Ecotoxicology is the science that considers the toxic effects of natural or synthetic substances, such as pharmaceuticals, on organisms, populations, community and ecosystem. Acute and multigenerational (2-4 generations) tests were performed on daphnids considering several studied endpoints, such as immobilisation, size, reproduction, viability and intrinsic rate of natural increase. Additional prospective assays were designed to evaluate whether 1) low concentrations of tamoxifen and 4OHTam were able to induce toxic effects when used in combination, and 2) daphnids were able to recover when offspring were withdrawn from solutions carrying the pharmaceutical. Second, the stability of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen in incubation medium was evaluated in solution exempted from daphnids. Because the nominal concentrations of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen did not correspond to the measured, we provide a predictive method to estimate the concentrations of these chemicals during long-term ecotoxicological tests. Finally, changes in protein expressions were analysed in D. pulex exposed 2 or 7 seven days to tamoxifen using ecotoxicoproteomic experiments with a shot-gun approach inducing a peptide fractionation step. Our results show that tamoxifen, 4OHTam and endoxifen induced adverse effects in D. pulex at environmentally relevant concentrations. At very low concentrations, these molecules displayed unusual and teratogenic effects because morphological abnormalities were observed in offspring, such as thick and short antennas, curved spines, premature neonates and aborted eggs. Tamoxifen was the most toxic compound among the test chemicals, followed by 4OHTam, endoxifen and imatinib. Tamoxifen no-observed effect concentrations (NOECs) that were calculated for size, reproduction and intrinsic rate were below or in the range of the concentrations measured in natural waters, i.e., between 0.12 µg/L and 0.67 µg/L. For instance, the tamoxifen NOECs that were calculated for reproduction were between 0.67 and 0.72 µg/L, whereas the NOEC was < 0.15 µg/L when based on morphological abnormalities. The NOECs of 4OHTam were higher but still in the same order of magnitude as tamoxifen environmental concentrations, with a value of 1.48 µg/L. Endoxifen NOEC for the intrinsic rate of natural increase (r) and the reproduction were 0.4 and 4.3 µg/L, respectively. Daphnids that were withdrawn from tamoxifen and 4OHTam were not able to recover. Also, the reproduction of D. pulex was reduced when the treated animals were exposed to the combination of tamoxifen and 4OHTam while no effects were observed when these chemicals were tested individually at the same concentration. Among the anticancer drugs that were tested during this thesis, imatinib was the less toxic molecule towards D. pulex. No effects on size and reproduction were observed within two generations, except for the first whose reproduction decreased at the highest test concentration, i.e., 626 µg/L. Our results also underline the need to use measured or predicted concentrations instead of the nominal during aquatic experiments, particularly when lipophilic molecules are tested. Indeed, notable differences between nominal (i.e., theoretical) and measured concentrations were found with tamoxifen, 4OHTam and endoxifen at all test concentrations. A cost and time sustainable method was proposed to predict the test exposure levels of these chemicals during long-term experiments. This predictive method was efficient particularly for low concentrations, which corresponded to the test concentrations in multigenerational tests. In the ecotoxicoproteomic experiments a total of 3940 proteins were identified and quantified in D. pulex exposed to tamoxifen. These results are currently the largest dataset from D. pulex that is published and the results of proteomic analyses are available for the scientific community. Among these 3940 proteins, 189 were significantly different from controls. After protein annotation, we assumed that treated daphnids with tamoxifen had shifted cost-energy functions, such as reproduction, to maintain their basic metabolism necessary to survive. This metabolic cost hypothesis was supported by the presence of proteins involved in oxidative stress. Biomarkers for early detection of tamoxifen harmful effects on D. pulex were not discovered but the proteins of the vitellogenin-2 family (E9H8K5) and the ryanodine receptor (E9FTU9) are promising potential biomarkers because their expression was already modified after 2 days of treatment. In this thesis, the effects of tamoxifen, 4OHTam and endoxifen on daphnids raise questions about the potential impact of tamoxifen and 4OHTam in other aquatic ecosystems, and therefore, about metabolites in ecotoxicology. Because the NOECs were environmentally relevant, these results suggest that tamoxifen and 4OHTam may be interesting pharmaceuticals to consider in risk assessment. Our findings also emphasize the importance of performing long-term experiments and of considering multi-endpoints instead of the standard reproductive endpoint. Finally, we open the discussion about the importance to measure test exposures or not, during ecotoxicological studies. -- Les milieux aquatiques sont exposés continuellement à un nombre croissant de substances chimiques, notamment les médicaments issus de la médecine vétérinaire et humaine. Chez les patients, les substances administrées sont utilisées par le corps avant d'être éliminées par l'intermédiaire des excrétas dans le système d'eaux usées de la ville. Ces eaux rejoignent ensuite une station de traitement afin d'y éliminer les déchets. Dans le cas des molécules chimiques, il arrive que les processus de traitement d'eaux usées ne soient pas suffisamment efficaces et que ces molécules ne soient pas dégradées. Elles sont alors libérées dans le milieu aquatique avec les effluents de la station d'épuration. Une fois dans l'environnement, ces résidus de médicaments sont susceptibles d'induire des effets sur la faune et la flore aquatique, dont les conséquences à long terme et à faibles concentrations sont peu connues. Les anticancéreux sont une famille de médicaments qui peuvent échapper aux traitements des stations d'épuration et qui sont retrouvées dans le milieu aquatique naturel. Parmi ces substances, le tamoxifen est une molécule utilisée dans le monde entier pour prévenir et traiter les cancers hormonaux dépendant du sein, notamment. Une fois ingéré, le tamoxifen est transformé par le foie en métabolites dont deux d'entre eux, le 4-hydroxy-tamoxifen (4OHTam) et l'endoxifen, possèdent un affinité pour les récepteurs aux estrogènes et une efficacité sur les cellules tumorales supérieure au tamoxifen lui- même. Tout comme la molécule mère, ces métabolites sont principalement éliminés par l'intermédiaire des fèces. Le tamoxifen a déjà été mesuré dans les effluents de stations d'épuration et dans les eaux naturelles, mais aucune valeur n'a été reportée pour ses métabolites jusqu'à présent. Un autre anticancéreux, également éliminé par voie biliaire et susceptible d'atteindre l'environnement, est l'imatinib. Cette récente molécule a révolutionné le traitement et la survie des patients souffrant de leucémie myéloïde chronique et de tumeur stromales gastrointestinales. Les effets du tamoxifen et de l'imatinib sur plusieurs générations d'organismes aquatiques, tels que les microcrustacés Daphnia, sont inconnus et le 4OHTam et l'endoxifen n'ont même jamais été testés en écotoxicologie. Cette thèse s'est articulée autour de trois objectifs principaux. Premièrement, la sensibilité des D. pulex exposés au tamoxifen, 4OHTam, endoxifen et imatinib a été évaluée par l'intermédiaire de tests aigus et de tests sur deux à quatre générations. La mobilité, la taille, la reproduction, la viabilité et la croissance potentielle de la population ont été relevées au cours de ces expériences. Des tests supplémentaires, à but prospectifs, ont également été réalisés afin d'évaluer 1) la capacité de récupération des daphnies, lorsque leurs descendants ont été placés dans un milieu exempté de tamoxifen ou de 4OHTam, 2) les effets chez les daphnies exposées à une solution contenant de faibles concentration de tamoxifen et de 4OHTam mélangés. Le deuxième objectif a été d'évaluer la stabilité du tamoxifen, 4OHTam et endoxifen dilué dans le milieu des daphnies. Après analyses, les concentrations mesurées ne correspondaient pas aux concentrations nominales (c.-à-d., théoriques) et il a été nécessaire de développer une méthode efficace de prédiction des niveaux d'exposition lors de tests de longue durée réalisés avec ces trois molécules. Finalement, des changements dans l'expression des protéines chez des daphnies exposées au tamoxifen ont été investigués par l'intermédiaire d'expériences écotoxicoprotéomiques avec une approche dite de shot-gun avec une étape de fractionnement des protéines. Les résultats obtenus dans cette thèse montrent que le tamoxifen, le 4OHTam et l'endoxifen induisent des effets indésirables chez les daphnies à des niveaux d'exposition proches ou identiques aux concentrations du tamoxifen mesurées dans l'environnement, c'est-à-dire 0.12 et 0.67 µg/L de tamoxifen. Ces molécules ont induit des effets inhabituels tels que la production de : nouveau-nés anormaux, avec des antennes et des queues déformées, des prématurés et des oeufs avortés. Le tamoxifen fut la molécule la plus toxique pour les D. pulex suivie du 4OHTam, de l'endoxifen et enfin de l'imatinib. Lors des expériences sur plusieurs générations, les concentrations n'ayant statistiquement pas d'effet (c.à.d. NOEC en anglais) sur la taille, la reproduction et la croissance intrinsèque de la population étaient du même ordre de grandeur que les concentrations environnementales du tamoxifen. Par exemple, les NOECs du tamoxifen calculées pour la reproduction étaient de 0.67 et 0.72 µg/L, tandis que celle calculée sur la base des anomalies chez les nouveau-nés était < 0.15 µg/L. Les NOECs du 4OHTam se situaient entre 0.16 et 1.48 µg/L et celles de l'endoxifen pour la croissance intrinsèque de la population, ainsi que pour la reproduction, étaient de 0.4 et 4.3 µg/L, respectivement. Dans l'expérience basée sur la récupération des daphnies, la taille et la reproduction ont diminué bien que la descendance fût placée dans un milieu sans substances chimiques. Les daphnies exposées au mélange de tamoxifen et de 4OHTam ont produit moins de nouveau-nés que les contrôles, alors que ces concentrations n'ont pas induit d'effets lorsque testées individuellement. Finalement, l'imatinib n'a pas montré d'effets sur les deux générations testées. Seule la première génération exposée à la plus haute concentration (626 µg/L) a montré une diminution de la reproduction. Les résultats obtenus lors de l'évaluation de la stabilité du tamoxifen, 4OHTam et endoxifen dans le milieu des daphnies ont souligné l'importance d'utiliser des concentrations mesurées ou prédites en écotoxicologie. En effet, des différences notables entre concentrations nominales et mesurées ont été observées à toutes les concentrations et l'hypothèse d'un phénomène d'adsorption sur le verre des récipients a été posée. De ce fait, il a été nécessaire d'élaborer une méthode prédictive efficace et acceptable, en terme de temps et de coûts. Une régression polynomiale basée sur des concentrations mesurées et nominales a permis de prédire avec efficacité les faibles niveaux d'exposition utilisés lors d'expériences écotoxicologiques à long terme, sur plusieurs générations. Suite aux expériences d'écotoxicoprotéomiques, un total de 3940 protéines ont été identifiées et quantifiées chez des daphnies exposées au tamoxifen. Ce nombre est actuellement la plus large série de données publiées et mises à disposition pour la communauté scientifique. Parmi ces protéines, 189 sont significatives et possiblement reliées à des processus de reproduction et de stress. Sur cette base, nous avons émis l'hypothèse que les individus subissant un stress, lié à l'exposition au tamoxifen, ont utilisé leur énergie de base pour favoriser leur survie plutôt que la reproduction. Enfin, la détermination de bio-marqueurs exprimant des dommages précoces des daphnies exposées au tamoxifen n'a pas abouti en tant que telle, mais des protéines prometteuses, telle que la famille de viellogenin-2 (E9H8K5) et le récepteur à la ryanodine (E9FTU9), ont été exprimées après deux jours d'exposition déjà. Ces protéines pourraient faire l'objet d'investigations écotoxicoprotéomiques futures. Les résultats de cette thèse posent certaines questions quant au risque du tamoxifen, du 4OHTam et de l'endoxifen sur la faune et la flore aquatique et plus particulièrement sur les anticancéreux présents dans l'environnement. Les effets toxiques de ces molécules ont été observés à des concentrations environnementales et sur plusieurs générations. La question de considérer les métabolites, et ainsi les pro-médicaments, en écotoxicologie est soulevée, notamment parce que ces molécules peuvent être plus actives et efficaces que la molécule mère. Les expériences chroniques, sur plusieurs générations sont également à favoriser car elles offrent un meilleur reflet de la réalité environnementale que des essais aigus ou d'une génération. L'utilisation de la protéomique permet d'agrandir les connaissances sur les effets des médicaments à un niveau inférieur de l'organisation biologique et ainsi, de mieux comprendre de potentiels mécanismes d'action ou de déterminer de potentiels biomarqueurs. Finalement, il semble important de discuter de l'opportunité de mesurer les concentrations qui sont testées en écotoxicologie afin de ne pas sous-estimer le risque pour la faune et la flore aquatique.

Aeration condition of a clayey oxisol under long-term no-tillage

The hypothesis of this study was that the absence of soil tillage in long-term no-tillage (NT) systems can be detrimental to soil aeration. The objective was to assess the aeration condition of an Oxisol (Rhodic Ferrasol), very clayey texture (750 g kg-1 of clay; 200 g kg-1 of sand), after 30 years of cultivation under NT. The physical property soil air permeability (Ka) is sensitive to changes in the soil pore system. Aside from Ka, the air-filled porosity (ε a) and indices of pore continuity (K1 and N), derived from the relationship between Ka and εa, were used as indices of soil aeration. From the soil layers 0.0-0.1 and 0.1-0.2 m, 240 undisturbed samples were collected along a transect perpendicular to the crop rows, at three sampling positions: corn plant row (CR); center of the interrow (INT); and the equidistant point between CR and INT (PE). The properties Ka and εa were determined at soil matric potentials (Ψm) of -2, -4, -6, -10, -30, and -50 kPa. Soil bulk density (BD) was also determined. The results confirmed the hypothesis. In the 0.0-0.1 m layer, Ka, K1, N and Ψa were significantly greater and BD significantly lower in CR than at the other sampling positions. At a Ψm of -10 kPa, the Ka of CR was 6.9 and 8.4 times higher than in PE and INT, respectively, in the 0.0-0.1 m layer. The properties Ka, K1 and N were sensitive enough to detect changes in the pore system and their differences between the sampling positions demonstrated the importance of the spatial location for soil sampling. Tilling the crop rows provides better soil aeration under NT.

Chemical and mineralogical changes in a Brazilian Rhodic Paleudult under different land use and managements

Changes in land use and management can affect the dynamic equilibrium of soil systems and induce chemical and mineralogical alterations. This study was based on two long-term experiments (10 and 27 years) to evaluate soil used for no-tillage maize cultivation, with and without poultry litter application (NTPL and NTM), and with grazed native pasture fertilized with cattle droppings (GrP), on the chemical and mineralogical characteristics of a Rhodic Paleudult in Southern Brazil, in comparison with the same soil under native grassland (NGr). In the four treatments, soil was sampled from the 0.0-2.5 and 2.5-5.0 cm layers. In the air-dried fine soil (ADFS) fraction (∅ < 2 mm), chemical characteristics of solid and liquid phases and the specific surface area (SSA) were evaluated. The clay fraction (∅ < 0.002 mm) in the 0.0-2.5 cm layer was analyzed by X-ray diffraction (XRD) after treatments for identification and characterization of 2:1 clay minerals. Animal waste application increased the total organic C concentration (COT) and specific surface area (SSA) in the 0.0-2.5 cm layer. In comparison to NGr, poultry litter application (NTPL) increased the concentrations of Ca and CECpH7, while cattle droppings (GrP) increased the P and K concentrations. In the soil solution, the concentration of dissolved organic C was positively related with COT levels. With regard to NGr, the soil use with crops (NTM and NTPL) had practically no effect on the chemical elements in solution. On the other hand, the concentrations of most chemical elements in solution were higher in GrP, especially of Fe, Al and Si. The Fe and Al concentrations in the soil iron oxides were lower, indicating reductive/complexive dissolution of crystalline forms. The X-ray diffraction (XRD) patterns of clay in the GrP environment showed a decrease in intensity and reflection area of the 2:1 clay minerals. This fact, along with the intensified Al and Si activity in soil solution indicate dissolution of clay minerals in soil under cattle-grazed pasture fertilized with animal droppings.

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Nurture versus nature: long-term impact of forced right-handedness on structure of pericentral cortex and basal ganglia.

Does a conflict between inborn motor preferences and educational standards during childhood impact the structure of the adult human brain? To examine this issue, we acquired high-resolution T1-weighted magnetic resonance scans of the whole brain in adult "converted" left-handers who had been forced as children to become dextral writers. Analysis of sulcal surfaces revealed that consistent right- and left-handers showed an interhemispheric asymmetry in the surface area of the central sulcus with a greater surface contralateral to the dominant hand. This pattern was reversed in the converted group who showed a larger surface of the central sulcus in their left, nondominant hemisphere, indicating plasticity of the primary sensorimotor cortex caused by forced use of the nondominant hand. Voxel-based morphometry showed a reduction of gray matter volume in the middle part of the left putamen in converted left-handers relative to both consistently handed groups. A similar trend was found in the right putamen. Converted subjects with at least one left-handed first-degree relative showed a correlation between the acquired right-hand advantage for writing and the structural changes in putamen and pericentral cortex. Our results show that a specific environmental challenge during childhood can shape the macroscopic structure of the human basal ganglia. The smaller than normal putaminal volume differs markedly from previously reported enlargement of cortical gray matter associated with skill acquisition. This indicates a differential response of the basal ganglia to early environmental challenges, possibly related to processes of pruning during motor development.

Predictive factors in the long term outcome in gastro-oesophageal reflux disease: six years follow up of 107 patients

There is little information concerning the long term outcome of patients with gastro-oesophageal reflux disease (GORD). Thus 109 patients with reflux symptoms (33 with erosive oesophagitis) with a diagnosis of GORD after clinical evaluation and oesophageal testing were studied. All patients were treated with a stepwise approach: (a) lifestyle changes were suggested aimed at reducing reflux and antacids and the prokinetic agent domperidone were prescribed; (b) H2 blockers were added after two months when symptoms persisted; (c) anti-reflux surgery was indicated when there was no response to (b). Treatment was adjusted to maintain clinical remission during follow up. Long term treatment need was defined as minor when conservative measures sufficed for proper control, and as major if daily H2 blockers or surgery were required. The results showed that one third of the patients each had initial therapeutic need (a), (b), and (c). Of 103 patients available for follow up at three years and 89 at six years, respective therapeutic needs were minor in 52% and 55% and major in 48% and 45%. Eighty per cent of patients in (a), 67% in (b), and 17% in (c) required only conservative measures at six years. A decreasing lower oesophageal sphincter pressure (p < 0.001), radiological reflux (p = 0.028), and erosive oesophagitis (p = 0.031), but not initial clinical scores, were independent predictors of major therapeutic need as shown by multivariate analysis. The long term outcome of GORD is better than previously perceived.