A digital holography technique for generating beams with arbitrary polarization and shape

A method for generating beams with arbitrary polarization and shape is proposed. Our design requires the use of a Mach-Zehnder set-up combined with translucent liquid crystal displays in each arm of the interferometer; in this way, independent manipulation of each transverse beam components is possible. The target of this communication is to develop a numerical procedure for calculating the holograms required for dynamically encode any amplitude value and polarization state in each point of the wavefront. Several examples demonstrating the capabilities of the method are provided.

Mir-21-Sox2 Axis Delineates Glioblastoma Subtypes with Prognostic Impact.

UNLABELLED: Glioblastoma (GBM) is the most aggressive human brain tumor. Although several molecular subtypes of GBM are recognized, a robust molecular prognostic marker has yet to be identified. Here, we report that the stemness regulator Sox2 is a new, clinically important target of microRNA-21 (miR-21) in GBM, with implications for prognosis. Using the MiR-21-Sox2 regulatory axis, approximately half of all GBM tumors present in the Cancer Genome Atlas (TCGA) and in-house patient databases can be mathematically classified into high miR-21/low Sox2 (Class A) or low miR-21/high Sox2 (Class B) subtypes. This classification reflects phenotypically and molecularly distinct characteristics and is not captured by existing classifications. Supporting the distinct nature of the subtypes, gene set enrichment analysis of the TCGA dataset predicted that Class A and Class B tumors were significantly involved in immune/inflammatory response and in chromosome organization and nervous system development, respectively. Patients with Class B tumors had longer overall survival than those with Class A tumors. Analysis of both databases indicated that the Class A/Class B classification is a better predictor of patient survival than currently used parameters. Further, manipulation of MiR-21-Sox2 levels in orthotopic mouse models supported the longer survival of the Class B subtype. The MiR-21-Sox2 association was also found in mouse neural stem cells and in the mouse brain at different developmental stages, suggesting a role in normal development. Therefore, this mechanism-based classification suggests the presence of two distinct populations of GBM patients with distinguishable phenotypic characteristics and clinical outcomes. SIGNIFICANCE STATEMENT: Molecular profiling-based classification of glioblastoma (GBM) into four subtypes has substantially increased our understanding of the biology of the disease and has pointed to the heterogeneous nature of GBM. However, this classification is not mechanism based and its prognostic value is limited. Here, we identify a new mechanism in GBM (the miR-21-Sox2 axis) that can classify ∼50% of patients into two subtypes with distinct molecular, radiological, and pathological characteristics. Importantly, this classification can predict patient survival better than the currently used parameters. Further, analysis of the miR-21-Sox2 relationship in mouse neural stem cells and in the mouse brain at different developmental stages indicates that miR-21 and Sox2 are predominantly expressed in mutually exclusive patterns, suggesting a role in normal neural development.

Right ventricular rupture due to recurrent mediastinal infection with a closed chest.

Right ventricular (RV) rupture in cases of mediastinitis following cardiac surgery is a rare and dangerous complication. Bleeding from the right ventricle occurs mainly after sternal reopening, due to either iatrogenic manipulation (wire removal, lesions due to wiring maneuvers) or mechanical shearing forces, producing direct injury. We present a case of RV wall perforation due to infection in a recurrent postoperative mediastinitis with a closed chest. The current literature on treatment of postoperative mediastinitis is also reviewed.

Diagnostic methods and treatment options for focal cortical dysplasia.

Our inability to adequately treat many patients with refractory epilepsy caused by focal cortical dysplasia (FCD), surgical inaccessibility and failures are significant clinical drawbacks. The targeting of physiologic features of epileptogenesis in FCD and colocalizing functionality has enhanced completeness of surgical resection, the main determinant of outcome. Electroencephalography (EEG)-functional magnetic resonance imaging (fMRI) and magnetoencephalography are helpful in guiding electrode implantation and surgical treatment, and high-frequency oscillations help defining the extent of the epileptogenic dysplasia. Ultra high-field MRI has a role in understanding the laminar organization of the cortex, and fluorodeoxyglucose-positron emission tomography (FDG-PET) is highly sensitive for detecting FCD in MRI-negative cases. Multimodal imaging is clinically valuable, either by improving the rate of postoperative seizure freedom or by reducing postoperative deficits. However, there is no level 1 evidence that it improves outcomes. Proof for a specific effect of antiepileptic drugs (AEDs) in FCD is lacking. Pathogenic mutations recently described in mammalian target of rapamycin (mTOR) genes in FCD have yielded important insights into novel treatment options with mTOR inhibitors, which might represent an example of personalized treatment of epilepsy based on the known mechanisms of disease. The ketogenic diet (KD) has been demonstrated to be particularly effective in children with epilepsy caused by structural abnormalities, especially FCD. It attenuates epigenetic chromatin modifications, a master regulator for gene expression and functional adaptation of the cell, thereby modifying disease progression. This could imply lasting benefit of dietary manipulation. Neurostimulation techniques have produced variable clinical outcomes in FCD. In widespread dysplasias, vagus nerve stimulation (VNS) has achieved responder rates >50%; however, the efficacy of noninvasive cranial nerve stimulation modalities such as transcutaneous VNS (tVNS) and noninvasive (nVNS) requires further study. Although review of current strategies underscores the serious shortcomings of treatment-resistant cases, initial evidence from novel approaches suggests that future success is possible.

Sex ratio bias, male aggression, and population collapse in lizards.

The adult sex ratio (ASR) is a key parameter of the demography of human and other animal populations, yet the causes of variation in ASR, how individuals respond to this variation, and how their response feeds back into population dynamics remain poorly understood. A prevalent hypothesis is that ASR is regulated by intrasexual competition, which would cause more mortality or emigration in the sex of increasing frequency. Our experimental manipulation of populations of the common lizard (Lacerta vivipara) shows the opposite effect. Male mortality and emigration are not higher under male-biased ASR. Rather, an excess of adult males begets aggression toward adult females, whose survival and fecundity drop, along with their emigration rate. The ensuing prediction that adult male skew should be amplified and total population size should decline is supported by long-term data. Numerical projections show that this amplifying effect causes a major risk of population extinction. In general, such an "evolutionary trap" toward extinction threatens populations in which there is a substantial mating cost for females, and environmental changes or management practices skew the ASR toward males.

Sex- and melanism-specific variations in the oxidative status of adult tawny owls in response to manipulated reproductive effort.

Oxidative stress, determined by the balance between the production of damaging reactive oxygen species (ROS) and antioxidant defences, is hypothesized to play an important role in shaping the cost of reproduction and life history trade-offs. To test this hypothesis, we manipulated reproductive effort in 94 breeding pairs of tawny owls (Strix aluco) to investigate the sex- and melanism-specific effects on markers of oxidative stress in red blood cells (RBCs). This colour polymorphic bird species shows sex-specific division of labour and melanism-specific history strategies. Brood sizes at hatching were experimentally enlarged or reduced to increase or decrease reproductive effort, respectively. We obtained an integrative measure of the oxidative balance by measuring ROS production by RBCs, intracellular antioxidant glutathione levels and membrane resistance to ROS. We found that light melanic males (the sex undertaking offspring food provisioning) produced more ROS than darker conspecifics, but only when rearing an enlarged brood. In both sexes, light melanic individuals had also a larger pool of intracellular antioxidant glutathione than darker owls under relaxed reproductive conditions (i.e. reduced brood), but not when investing substantial effort in current reproduction (enlarged brood). Finally, resistance to oxidative stress was differently affected by the brood size manipulation experiment in males and females independently of their plumage coloration. Altogether, our results support the hypothesis that reproductive effort can alter the oxidative balance in a sex- and colour-specific way. This further emphasizes the close link between melanin-based coloration and life history strategies.

Single Heartstring aortotomy for multiple off-pump venous bypass grafts.

Off-pump coronary bypass grafting may decrease the rate of stroke, due to minimal aortic manipulation. For venous grafts, clampless hemostasis when performing the proximal anastomosis can be achieved using the Heartstring device. We describe a technique using a single device to suture two veins to one aortotomy. This technique requires less space and could be advantageous in very short, small, and calcified aortas. In to our experience, this technique is rapid, simple, easy to reproduce, and cost-saving.

Environmentally induced changes in carotenoid-based coloration of female lizards: a comment on Vercken et al.

Colouration may either reflect a discrete polymorphism potentially related to life-history strategies, a continuous signal related to individual quality or a combination of both. Recently, Vercken et al. [J. Evol. Biol. (2007) 221] proposed three discrete ventral colour morphs in female common lizards, Lacerta vivipara, and suggested that they reflect alternative reproductive strategies. Here, we provide a quantitative assessment of the phenotypic distribution and determinants of the proposed colour polymorphism. Based on reflectance spectra, we found no evidence for three distinct visual colour classes, but observed continuous variation in colour from pale yellow to orange. Based on a 2-year experiment, we also provide evidence for reversible colour plasticity in response to a manipulation of the adult population sex ratio; yet, a significant portion of the colour variation was invariant throughout an adult female's life. Our results are thus in agreement with continuous colour variation in adults determined by environmental factors and potentially also by genetic factors.

Identification of new transformation products during enzymatic treatment of tetracycline and erythromycin antibiotics at laboratory scale by an on-line turbulent flow liquid-chromatography coupled to a high resolution mass spectrometer LTQ-Orbitrap

This work describes the formation of transformation products (TPs) by the enzymatic degradation at laboratory scale of two highly consumed antibiotics: tetracycline (Tc) and erythromycin (ERY). The analysis of the samples was carried out by a fast and simple method based on the novel configuration of the on-line turbulent flow system coupled to a hybrid linear ion trap – high resolution mass spectrometer. The method was optimized and validated for the complete analysis of ERY, Tc and their transformation products within 10 min without any other sample manipulation. Furthermore, the applicability of the on-line procedure was evaluated for 25 additional antibiotics, covering a wide range of chemical classes in different environmental waters with satisfactory quality parameters. Degradation rates obtained for Tc by laccase enzyme and ERY by EreB esterase enzyme without the presence of mediators were ∼78% and ∼50%, respectively. Concerning the identification of TPs, three suspected compounds for Tc and five of ERY have been proposed. In the case of Tc, the tentative molecular formulas with errors mass within 2 ppm have been based on the hypothesis of dehydroxylation, (bi)demethylation and oxidation of the rings A and C as major reactions. In contrast, the major TP detected for ERY has been identified as the “dehydration ERY-A”, with the same molecular formula of its parent compound. In addition, the evaluation of the antibiotic activity of the samples along the enzymatic treatments showed a decrease around 100% in both cases

Influence of PTPN2 and pre-existing immunity on the generation of effector and memory CD8 T cells

Notre système immunitaire joue un rôle important pour la protection envers les maladies infectieuses. Au cours d'une réponse à une infection primaire, des cellules B et des cellules T spécifiques, dirigées contre le pathogène en question, sont générées et certaines d'entre elles deviennent des cellules dites mémoires. Leur fonction est de nous protéger contre une nouvelle infection avec le même pathogène, une infection secondaire. Dans certaines situations, comme c'est par exemple le cas avec la grippe, les pathogènes ne sont pas toujours complètement identiques et les cellules mémoires ne sont pas à même d'assurer leur rôle protecteur et d'empêcher une réinfection. Pourtant, on ne sait à l'heure actuelle que très peu comment une immunité acquise, mais non protectrice, influence le développement d'une réponse immunitaire ultérieure. Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié comment les cellules T mémoires cytotoxiques altèrent la réponse de cellules T cytotoxiques nouvellement induites. Au cours d'une réaction immunitaire dirigée contre une infection primaire, un vaste répertoire de lymphocytes T est créé, constitué de cellules T possédant divers degrés d'affinité pour le pathogène. Lors d'une infection secondaire, seules les cellules T ayant une forte affinité pour le pathogène participent à la réponse. Nous avons pu démontrer que ce phénomène de restriction du répertoire des cellules T est principalement causé par les cellules T mémoires qui sont à même de reconnaître un antigène pathogénique présent dans les deux infections. Dans un deuxième projet, nous avons étudié comment l'absence de PTPN2 influence la réponse des cellules T. Chez l'homme, une mutation dans le gène de PTPN2 est associée à des maladies auto-immunes et résulte en une activité réduite de cette phosphatase dans les lymphocytes T. Nous avons montré que la baisse d'activité de la phosphatase PTNP2 conduit à une meilleure expansion des cellules T ayant une qualité comparable à des cellules T auto-antigène spécifiques. De plus, nous avons observé que la survie de ces cellules T effectues ayant une phosphatase diminuée est nettement améliorée. Cela peut conduire à une réponse immunitaire plus efficace ou, éventuellement, à une pathologie auto-immune plus grave. En outre, nos résultats montrent qu'en manipulant l'activité de cette phosphatase, il est possible d'augmenter l'efficacité du transfert des cellules T dans un hôte receveur. Un tel transfert de cellules T est pratiqué chez des patients atteints de tumeurs. Nos travaux suggèrent que la manipulation de la phosphatase PTPN2 pourrait donc représenter une approche thérapeutique novatrice et prometteuse. -- Notre système immunitaire joue un rôle important pour la protection contre les maladies. Les cellules T CD8+ ont une importance primordiale pour le contrôle d'infections primaires causées par des virus ou bactéries, mais également contre certaines tumeurs. Par conséquent, mieux comprendre les exigences nécessaires à l'induction de bonnes réponses des cellules T CD8 pourrait nous permettre de construire des vaccins contre les pathogènes contre lesquels nous n'avons pour l'instant pas de vaccins mais aussi d'améliorer les réactions immunitaires dirigées anti-tumorales. Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié l'influence qu'une immunité préexistante a sur la réponse des cellules T CD8. Nous sommes souvent exposés à des pathogènes qui sont similaires mais pas identiques à ceux que nous avons rencontrés auparavant. De telles infections hétérologues ne sont pas l'objet de beaucoup d'études et certains exemples indiquent même qu'une immunité préexistante partielle peut mener à une aggravation de la maladie. Nous avons étudié le répertoire des lymphocytes T CD8 qui sont générés lors d'une rencontre avec un nouvel antigène, et ce en comparant infection primaire et secondaire. En utilisant le modèle expérimental d'infections à Listeria monocytogenes, nous avons pu montrer que lors d'une infection primaire, un répertoire diversifié comprenant des cellules T CD8 de forte et faible affinité est constitué. Au contraire, dans le cas d'une infection secondaire, le répertoire des cellules T est fortement limité et seulement les lymphocytes T de forte affinité sont impliqués dans la réponse immunitaire. Nous avons pu démontrer que ces Rangements sont provoqués par des cellules T CD8 mémoires capables de reconnaître un antigène présent dans les deux infections. Cette augmentation du seuil d'activation des cellules effectrices est majoritairement causée par les lymphocytes T CD8 mémoires non transférables. Ces observations indiquent que les vaccins visant à induire des cellules T anti-tumorales de faible affinité seraient inefficaces si le vaccin contient des épitopes contre lesquels il existe une mémoire immunologique. Les réponses immunitaires conduites par les cellules T contre les antigènes tumoraux dépendent des cellules T CD8 de faible réactivité contre les antigènes tumoraux puisque les cellules à forte réactivité sont éliminées par les mécanismes de tolérance. Nous basant sur l'existence dans la littérature de preuves indiquant que PTPN2 influence la réponse des cellules T de faible affinité, nous nous sommes intéressés à comprendre comment PTPN2 impacte les réponses des cellules T CD8 en général. Nous avons remarqué que des cellules T CD8 déficientes en PTPN2 exhibent une meilleure capacité à proliférer suite à une faible ou courte stimulation du récepteur des lymphocytes T. La phase effectrice est prolongée et la contraction retardée résultant ainsi à globalement plus de cellules effectrices. Ce phénomène est également accompagné d'une meilleure survie des cellules effectrices de différentiation terminale. Une fois transférées dans un nouvel hôte receveur, les cellules effectrices terminales KLRG1+CD127- déficientes en phosphatase PTPN2 peuvent survivre et se transformer en cellules mémoires CD127+ fonctionnelles. De façon inattendue, nous avons découvert que l'élimination de PTPN2 améliore l'efficacité du transfert et la formation des cellules mémoires ainsi que leur capacité protectrice. Manipuler l'activité de cette phosphatase apparaît donc comme une approche intéressante et prometteuse pour la thérapie cellulaire par transfert adoptif de lymphocytes T. Nos observations montrent que la manipulation d'un facteur intrinsèque, l'absence de PTPN2, peut, dans certaines circonstances, améliorer la réponse des cellules T. Une meilleure connaissance des mécanismes contrôlant la réponse des lymphocytes T CD8 pourrait donc permettre la manipulation de ces derniers et conduire à des réponses immunitaires plus vigoureuses. Si ces réponses sont déclenchées par l'utilisation de vaccins, il est nécessaire de considérer l'historique d'une exposition préalable à des agents pathogènes ou à des vaccins puisque celle-ci peut, comme nous l'avons démontré, influencer le répertoire des cellules T recrutées dans la réponse immunitaire et, par conséquent, modifier l'aptitude de notre système immunitaire à faire face à une infection. -- Our immune system plays an important role in the protection from disease. CD8 T cells are critical for the control of primary infections with most viruses and certain bacteria as well as against some tumors. Therefore, better knowledge of CD8 T cell responses might enable us to generate vaccines against pathogens for which currently no vaccines are available or to improve anti-tumor immune responses. In the first part of this thesis we addressed the issue how previously acquired immunity impacts on the response of CD8 T cells. We are often exposed to pathogens that are related but not identical to the previously encountered ones. Such heterologous infections are not well studied and there are some indications that partial pre-existing immunity may in some cases even lead to an enhancement of disease. We specifically studied the T cell repertoire of CD8 T cells that are responding to a newly encountered antigen in secondary compared to primary infections. Using the experimental model of Listeria monocytogenes infections, we showed that in primary infections a wide repertoire including high and low affinity CD8 T cells is recruited into the immune response. In contrast to this, in secondary infections, the T cell repertoire is severely restricted and only T cells of high affinity are responding. We were able to pinpoint this difference to the presence of memory CD8 T cells that recognize an antigen that is shared between the two subsequent infections. This increase in the activation threshold was most effectively mediated via non-transferable memory CD8 T cells. This would argue that vaccines targeting low affinity tumor-specific T cells would fail if the vaccine contains previously encountered CD8 T cell epitopes. T cell mediated immune responses to tumor antigen rely often on T cells which weakly react to tumor antigen as high affinity T cells are eliminated by tolerance mechanisms. Following indication in the literature that PTPN2 impacts on the response of such weakly antigen-reactive T cells, we investigated how PTPN2 impacts in general the response of CD8 T cells. We observed that CD8 T cells lacking PTPN2 show an enhanced expansion following weak or short-term T cell receptor stimulation. The effector phase is prolonged and contraction delayed thus resulting in overall more effector cells. This is accompanied by a better survival of terminal effector cells. When transferred into new recipients, KLRG1+CD127- terminal effector cells lacking PTPN2 can survive and convert into CD127+ functional memory cells. Surprisingly, we discovered that elimination of PTPN2 enhances the transfer efficacy and formation of memory cells as well as the protective capacity. Targeting PTPN2 might thus be a promising approach for adoptive T cell therapy. Our observations show how the manipulation of an intrinsic factor, the absence of PTPN2, can enhance T cell responses under certain circumstances. A better understanding of underlying mechanisms for the control of CDS T cell responses might enable the manipulation of these and allow for more powerful responses. If these responses are induced through vaccines it is imperative that the previous history of exposure to pathogens or vaccines is considered as it can, as we have shown in this thesis, influence the recruited T cell repertoire and thus possibly the ability to handle the infection.

Construcció d'un equip per a la producció de cervesa artesana

Catalunya és un dels territoris on hi ha hagut més auge del sector de la cervesa artesana, i són molt nombroses les microcerveseries i les botigues especialitzades on es poden trobar els recursos materials necessaris, a més de ser centres difusió de coneixements relacionats. Així, doncs, aquest projecte està emmarcat en un context que permet el desenvolupament de tècniques d’elaboració de cervesa artesana. Aquest projecte es basa en la construcció d’un equip amb materials reutilitzats i amb un pressupost limitat que permet reproduir a petita escala els processos d’elaboració que es duen a terme en les microcerveseries artesanes actuals. El projecte s’ha assentat sobre la comprensió dels fonaments teòrics i pràctics del procés d’elaboració de cervesa, i amb l’experiència inicial d’elaboració de cervesa amb un equip bàsic de tipus homebrewer. Per minimintzar costos els tancs s’han construït a partir de barrils de cervesa i les parts sobrants s’han aprofitat per a altres elements. S’han emprat elements quotidians com una olla a pressió i s’ha construït un sistema regulador de pressió (per al tanc de fermentació cilindrocònic isobàric construït) en lloc d’adquirir-lo. S’ha posat l’èmfasi en minimitzar la necessitat de manipulació manual durant l’elaboració. Per tant, s’han instal·lat els components de l’equip formant un circuit tancat amb sistema de bombeig, i s’ha incorporat un sistema que permet el control i la lectura de les temperatures de cada procés. Altres elements són el sistema de filtres amb mecanisme de tub en forma d’ela (que permet l’extracció del most dels tanc de maceració i de cocció d’una manera efectiva i sense necessitat de manipulació) i el sistema de dutxa (que permet automatitzar el procés de rentat i filtrat). Un element que distingeix aquest equip d’altres equips emprats en algunes microcerveseries artesanes és el tanc de fermentació cilindrocònic isobàric amb vàlvula controladora de pressió, que permet prescindir de la doble fermentació en ampolla, ja que permet aprofitar el gas carbònic produït durant la fermentació per la carbonatació de la cervesa. Es pot concloure que gràcies a les seves característiques, l’equip permet realitzar successives elaboracions obtenint el mateix producte amb les mateixes característiques organolèptiques, principalement gràcies a la cambra de fermentació, que permet realitzar les etapes de fermentació, maduració i clarificació controlant la temperatura desitjada; al tanc de maceració amb aïllament, que permet realitzar el procés a temperatura constant sense pèrdues tèrmiques i al sistema de control de temperatura de totes les etapes. L’únic inconvenient és que, degut a la manca pressupostària, ha estat impossible l’adquisició d’un sistema d’embotellament isobàric que permeti realitzar l’embotellament sense pèrdues del gas carbònic. Per tant, el producte final pot embotellar-se amb una lleugera pèrdua de gas o es pot emmagatzemar en el mateix fermentador cilindrocònic per al seu consum directe, a l’estil d’alguns brewpubs.

Reciprocal preening and food sharing in colour-polymorphic nestling barn owls.

Barn owl (Tyto alba) siblings preen and offer food items to one another, behaviours that can be considered prosocial because they benefit a conspecific by relieving distress or need. In experimental broods, we analysed whether such behaviours were reciprocated, preferentially exchanged between specific phenotypes, performed to avoid harassment and food theft or signals of hierarchy status. Three of the results are consistent with the hypothesis of direct reciprocity. First, food sharing was reciprocated in three-chick broods but not in pairs of siblings, that is when nestlings could choose a partner with whom to develop a reciprocating interaction. Second, a nestling was more likely to give a prey item to its sibling if the latter individual had preened the former. Third, siblings matched their investment in preening each other. Manipulation of age hierarchy showed that food stealing was directed towards older siblings but was not performed to compensate for a low level of cooperation received. Social behaviours were related to melanin-based coloration, suggesting that animals may signal their propensity to interact socially. The most prosocial phenotype (darker reddish) was also the phenotype that stole more food, and the effect of coloration on prosocial behaviour depended upon rank and sex, suggesting that colour-related prosociality is state dependent.

Redox dysregulation in schizophrenia : effect on myelination of cortical structures and connectivity

Cette thèse traite du rôle qu'un facteur de risque génétique développé chez les patients souffrant de schizophrénie, à savoir un déficit de la synthèse du glutathion, peut jouer dans les anomalies de la connectivité cérébrale trouvées chez ces patients. L'essentiel du travail a été consacré à évaluer la structure de la substance blanche dans l'ensemble du cerveau chez un modèle animal par une méthode similaire à celle utilisée en recherche clinique avec l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cette approche de translation inverse chez la souris knock-out de glutamate-cystéine ligase modulateur sous-unité (Gclm KO), avait l'objectif d'étudier l'effet des défenses redox déficientes sur le développement des connexions cérébrales, tout en excluant celui des facteurs non liés au génotype. Après avoir établi le protocole de recherche, l'influence d'une manipulation environnementale a également été étudiée. Pour effectuer une analyse statistique fiable des données d'IRM obtenues, nous .avons d'abord créé un atlas du cerveau de la souris afin de l'utiliser comme modèle pour une segmentation précise des différentes régions du cerveau sur les images IRM obtenues in vivo. Les données provenant de chaque région d'intérêt ont ensuite été étudiées séparément. La qualité de cette méthode a été évaluée dans une expérience de simulation pour déduire la puissance statistique réalisable dans chaque région en fonction du nombre d'animaux utilisés. Ces outils d'analyse nous ont permis d'évaluer l'intégrité de la substance blanche dans le cerveau des souris durant le développement grâce à une expérience longitudinale, en utilisant l'imagerie du tenseur de diffusion (DTI). Nous avons ainsi observé des anomalies dans les paramètres dérivés du tenseur (diffusivité et anisotropie) dans la Commissure Antérieure et le Fimbria/Fornix des souris Gclm KO, par rapport aux animaux contrôles. Ces résultats suggèrent une substance blanche endommagée dans ces régions. Dans une expérience électrophysiologique, Pascal Steullet a montré que ces anomalies ont des conséquences fonctionnelles caractérisées par une réduction de la vitesse de conduction dans les fibres nerveuses. Ces données renforcent les conclusions des analyses d'imagerie. Le mécanisme par lequel une dérégulation redox affecte la structure de la substance blanche reste encore à définir, car une analyse immunohistochimique des protéines constituantes de la couche de myéline des fibres concernées n'a pas donné de résultats concluants. Nous avons également constaté un élargissement des ventricules dans les jeunes souris Gclm KO, mais pas chez les adultes et des anomalies neurochimiques déjà connues chez ces animaux (Duarte et al. 2011), à savoir une réduction du Glutathion et une augmentation de l'acide N-acétylaspartique, de l'Alanine et du ratio Glutamine/Glutamate. Nous avons ensuite testé l'effet d'un stress environnemental supplémentaire, l'élevage en isolement social, sur le phénotype. Ce stress n'a eu aucun effet sur la structure de la substance blanche évaluée par DTI, mais a réduit la concentration de myo-Inositol et augmenté le ratio de Glutamine/Glutamate dans le cortex frontal. Nous avons aussi reproduit dans ce groupe indépendant d'animaux les effets du génotype sur le profil neurochimique, sur la taille des ventricules et aussi sur les paramètres dérivés du tenseur de diffusion dans le Fimbria/Fornix, mais pas dans la Commissure Antérieure. Nos résultats montrent qu'une dérégulation redox d'origine génétique perturbe la structure et la fonction de la substance blanche dans des régions spécifiques, causant ainsi l'élargissement des ventricules. Ces phénotypes rassemblent certaines caractéristiques neuro-anatomiques de la schizophrénie, mais les mécanismes qui en sont responsables demeurent encore inconnus. L'isolement social n'a pas d'effet sur la structure de la substance blanche évaluée par DTI, alors qu'il est prouvé qu'il affecte la maturation des oligodendrocytes. La neurochimie corticale et en particulier le rapport Glutamine/Glutamate a été affecté par le dérèglement redox ainsi que par l'isolement social. En conséquence, ce ratio représente un indice prometteur dans la recherche sur l'interaction du stress environnemental avec le déséquilibre redox dans le domaine de la schizophrénie. -- The present doctoral thesis is concerned with the role that a genetic risk factor for the development of schizophrenia, namely a deficit in Glutathione synthesis, may play in the anomalies of brain connectivity found in patients. Most of the effort was devoted to perform a whole-brain assessment of white matter structure in the Glutamate-Cysteine ligase modulatory knockout mouse model (Gclm KO) using Magnetic Resonance Imaging (MRI) techniques similar to those used in state-of-the-art clinical research. Such reverse translational approach taking brain imaging from the bedside to the bench aimed to investigate the role that deficient redox defenses may play in the development of brain connections while excluding all influencing factors beside the genotype. After establishing the protocol, the influence of further environmental manipulations was also studied. Analysis of MRI images acquired in vivo was one of the main challenges of the project. Our strategy consisted in creating an atlas of the mouse brain to use as segmentation guide and then analyze the data from each region of interest separately. The quality of the method was assessed in a simulation experiment by calculating the statistical power achievable in each brain region at different sample sizes. This analysis tool enabled us to assess white matter integrity in the mouse brain along development in a longitudinal experiment using Diffusion Tensor Imaging (DTI). We discovered anomalies in diffusivity parameters derived from the tensor in the Anterior Commissure and Fimbria/Fornix of Gclm KO mice when compared to wild-type animals, which suggest that the structure of these tracts is compromised in the KO mice. In an elegant electrophysiological experiment, Pascal Steullet has provided evidence that these anomalies have functional consequences in form of reduced conduction velocity in the concerned tracts, thus supporting the DTI findings. The mechanism by which redox dysregulation affects WM structure remains unknown, for the immunohistochemical analysis of myelin constituent proteins in the concerned tracts produced inconclusive results. Our experiments also detected an enlargement of the lateral ventricles in young but not adult Gclm KO mice and confirmed neurochemical anomalies already known to affect this animals (Duarte et al. 2011), namely a reduction in Glutathione and an increase in Glutamine/Glutamate ratio, N-acetylaspartate and Alanine. Using the same methods, we tested the effect of an additional environmental stress on the observed phenotype: rearing in social isolation had no effect on white matter structure as assessed by DTI, but it reduced the concentration of myo-Inositol and increased the Glutamine/Glutamate ratio in the frontal cortex. We could also replicate in this separate group of animals the effects of genotype on the frontal neurochemical profile, ventricular size and diffusivity parameters in the Fimbria/Fornix but not in the Anterior Commissure. Our data show that a redox dysregulation of genetic origin may disrupt white matter structure and function in specific tracts and cause a ventricular enlargement, phenotypes that resemble some neuroanatomical features of schizophrenia. The mechanism responsible remains however unknown. We have also demonstrated that environmental stress in form of social isolation does not affect white matter structure as assessed by DTI even though it is known to affect oligodendrocyte maturation. Cortical neurochemistry, and specifically the Glutamine to Glutamate balance was affected both by redox dysregulation and social isolation, and is thus a good target for further research on the interaction of redox imbalance and environmental stress in schizophrenia.

Keeping the balance? Management of oxidative stress, body mass and reproduction under energetic constraints by dispersing and philopatric collared flycatchers.

Dispersal, i.e. individual movement between breeding sites, is a key process for metapopulation dynamics and gene flow. Its success can be modulated by phenotypic differences between dispersing and philopatric individuals, or dispersal syndromes. However, the environmental (external) and physiological (internal) constraints underlying such syndromes remain poorly known. This project aimed at clarifying the impact of environmental variation and oxidative constraints, linked to the reactive oxygen species produced during respiration, on phenotypes associated to dispersal in a passerine bird, the collared flycatcher Ficedula albicollis. Energetic demand was experimentally (i) increased through a wing load manipulation or (ii) relieved through food supplementation. The oxidative balance of breeding flycatchers was influenced by complex interactions of dispersal status and extrinsic factors (breeding density, year, experimental treatments). Interestingly, antioxidant capacity was influenced both by permanent individual differences and by food availability, whereas measures of pro-oxidants were highly variables within individuals. Environmental variation and energetic constraints also modulated the differences in reproduction associated with dispersal: dispersing and philopatric birds differ in their management of the oxidative balance when it is competing with reproductive investment. This thesis highlights that reaction norms, rather than fixed differences, often shape traits associated to dispersal. ----- Le déplacement d'un individu entre sites de reproduction, ou dispersion, est un processus clé pour la dynamique des métapopulations et les flux de gènes. Son succès peut être modulé par des différences de phénotype, ou syndromes de dispersion. Cependant, les contraintes environnementales et physiologiques qui sous-tendent ces syndromes restent mal connues. Ce projet vise à clarifier l'impact des variations environnementales et des contraintes oxydatives (liées aux espèces réactives de l'oxygène produites durant la respiration) sur les phénotypes associés à la dispersion chez un passereau, le gobemouche à collier Ficedula albicollis. La demande énergétique a été expérimentalement (i) augmentée en manipulant la surface alaire ou (ii) diminuée par une supplémentation en nourriture. L'équilibre oxydo-réducteur des gobemouches en reproduction est influencé par des interactions complexes entre statut de dispersion et facteurs extrinsèques (densité de couples reproducteurs, année, traitement expérimental). La capacité antioxydante dépend principalement de différences permanentes entre individus, alors que les pro-oxydants présentent de grandes variations intra-individu. Environnement et contraintes énergétiques modulent aussi les différences de reproduction liées à la dispersion : les oiseaux dispersants et philopatriques diffèrent dans leur gestion de l'équilibre oxydo-réducteur lorsqu'il est en compétition avec l'investissement reproducteur. Ce travail souligne que les traits associés à la dispersion sont souvent déterminés par des normes de réaction à l'environnement et non des différences fixées entre individus.

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