Estrous cycle and stress: influence of progesterone on the female brain

The female brain operates in a constantly changing chemical milieu caused by cyclical changes in gonadal hormones during the estrous cycle (menstrual cycle in women). Such hormones are highly lipophilic and pass readily from the plasma to the brain where they can influence neuronal function. It is becoming clear that the rapid reduction in peripheral circulating progesterone, which occurs during the late diestrous phase of the cycle, can trigger a withdrawal-like response, in which changes in GABA A receptor expression render hyper-responsive certain brain areas involved in processing responses to stressful stimuli. The periaqueductal gray matter (PAG) is recognised as an important region for integrating anxiety/defence responses. Withdrawal from progesterone, via actions of its neuroactive metabolite allopregnanolone, triggers up-regulation of extrasynaptic GABA A receptors on GABAergic neurons in the PAG. As a consequence, ongoing GABAergic tone on the output cells decreases, leading to an increase in functional excitability of the circuitry and enhanced responsiveness to stressful stimuli during the late diestrous phase. These changes during late diestrus could be prevented by short-term neurosteroid administration, timed to produce a more gradual fall in the peripheral concentration of allopregnanolone than the rapid decrease that occurs naturally, thus removing the trigger for the central withdrawal response.

VP22 herpes simplex virus protein can transduce proteins into stem cells

The type I herpes simplex virus VP22 tegument protein is abundant and well known for its ability to translocate proteins from one cell to the other. In spite of some reports questioning its ability to translocate proteins by attributing the results observed to fixation artifacts or simple attachment to the cell membrane, VP22 has been used to deliver several proteins into different cell types, triggering the expected cell response. However, the question of the ability of VP22 to enter stem cells has not been addressed. We investigated whether VP22 could be used as a tool to be applied in stem cell research and differentiation due to its capacity to internalize other proteins without altering the cell genome. We generated a VP22.eGFP construct to evaluate whether VP22 could be internalized and carry another protein with it into two different types of stem cells, namely adult human dental pulp stem cells and mouse embryonic stem cells. We generated a VP22.eGFP fusion protein and demonstrated that, in fact, it enters stem cells. Therefore, this system may be used as a tool to deliver various proteins into stem cells, allowing stem cell research, differentiation and the generation of induced pluripotent stem cells in the absence of genome alterations.

Short-term and long-term antibody response by mice after immunization against Neisseria meningitidis B or diphtheria toxoid

Serogroup B Neisseria meningitidis (MenB) is a major cause of invasive disease in early childhood worldwide. The only MenB vaccine available in Brazil was produced in Cuba and has shown unsatisfactory efficacy when used to immunize millions of children in Brazil. In the present study, we compared the specific functional antibody responses evoked by the Cuban MenB vaccine with a standard vaccine against diphtheria (DTP: diphtheria, tetanus, pertussis) after primary immunization and boosting of mice. The peak of bactericidal and opsonic antibody titers to MenB and of neutralizing antibodies to diphtheria toxoid (DT) was reached after triple immunization with the MenB vaccine or DTP vaccine, respectively. However, 4 months after immunization, protective DT antibody levels were present in all DTP-vaccinated mice but in only 20% of the mice immunized against MenB. After 6 months of primary immunization, about 70% of animals still had protective neutralizing DT antibodies, but none had significant bactericidal antibodies to MenB. The booster doses of DTP or MenB vaccines produced a significant antibody recall response, suggesting that both vaccines were able to generate and maintain memory B cells during the period studied (6 months post-triple immunization). Therefore, due to the short duration of serological memory induced by the MenB vaccine (VA-MENGOC-BC® vaccine), its use should be restricted to outbreaks of meningococcal disease.

The epigenetic modifiers 5-aza-2'-deoxycytidine and trichostatin A influence adipocyte differentiation in human mesenchymal stem cells

Epigenetic mechanisms such as DNA methylation and histone modification are important in stem cell differentiation. Methylation is principally associated with transcriptional repression, and histone acetylation is correlated with an active chromatin state. We determined the effects of these epigenetic mechanisms on adipocyte differentiation in mesenchymal stem cells (MSCs) derived from bone marrow (BM-MSCs) and adipose tissue (ADSCs) using the chromatin-modifying agents trichostatin A (TSA), a histone deacetylase inhibitor, and 5-aza-2′-deoxycytidine (5azadC), a demethylating agent. Subconfluent MSC cultures were treated with 5, 50, or 500 nM TSA or with 1, 10, or 100 µM 5azadC for 2 days before the initiation of adipogenesis. The differentiation was quantified and expression of the adipocyte genes PPARG and FABP4 and of the anti-adipocyte gene GATA2 was evaluated. TSA decreased adipogenesis, except in BM-MSCs treated with 5 nM TSA. Only treatment with 500 nM TSA decreased cell proliferation. 5azadC treatment decreased proliferation and adipocyte differentiation in all conditions evaluated, resulting in the downregulation of PPARG and FABP4 and the upregulation of GATA2. The response to treatment was stronger in ADSCs than in BM-MSCs, suggesting that epigenetic memories may differ between cells of different origins. As epigenetic signatures affect differentiation, it should be possible to direct the use of MSCs in cell therapies to improve process efficiency by considering the various sources available.

CTLA4 enhances the osteogenic differentiation of allogeneic human mesenchymal stem cells in a model of immune activation

Allogeneic mesenchymal stem cells (allo-MSCs) have recently garnered increasing interest for their broad clinical therapy applications. Despite this, many studies have shown that allo-MSCs are associated with a high rate of graft rejection unless immunosuppressive therapy is administered to control allo-immune responses. Cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4 (CTLA4) is a co-inhibitory molecule expressed on T cells that mediates the inhibition of T-cell function. Here, we investigated the osteogenic differentiation potency of allo-MSCs in an activated immune system that mimics the in vivo allo-MSC grafting microenvironment and explored the immunomodulatory role of the helper T cell receptorCTLA4 in this process. We found that MSC osteogenic differentiation was inhibited in the presence of the activated immune response and that overexpression of CTLA4 in allo-MSCs suppressed the immune response and promoted osteogenic differentiation. Our results support the application of CTLA4-overexpressing allo-MSCs in bone tissue engineering.

Transplantation and survival of mouse inner ear progenitor/stem cells in the organ of Corti after cochleostomy of hearing-impaired guinea pigs: preliminary results

In mammals, damage to sensory receptor cells (hair cells) of the inner ear results in permanent sensorineural hearing loss. Here, we investigated whether postnatal mouse inner ear progenitor/stem cells (mIESCs) are viable after transplantation into the basal turns of neomycin-injured guinea pig cochleas. We also examined the effects of mIESC transplantation on auditory functions. Eight adult female Cavia porcellus guinea pigs (250-350g) were deafened by intratympanic neomycin delivery. After 7 days, the animals were randomly divided in two groups. The study group (n=4) received transplantation of LacZ-positive mIESCs in culture medium into the scala tympani. The control group (n=4) received culture medium only. At 2 weeks after transplantation, functional analyses were performed by auditory brainstem response measurement, and the animals were sacrificed. The presence of mIESCs was evaluated by immunohistochemistry of sections of the cochlea from the study group. Non-parametric tests were used for statistical analysis of the data. Intratympanic neomycin delivery damaged hair cells and increased auditory thresholds prior to cell transplantation. There were no significant differences between auditory brainstem thresholds before and after transplantation in individual guinea pigs. Some mIESCs were observed in all scalae of the basal turns of the injured cochleas, and a proportion of these cells expressed the hair cell marker myosin VIIa. Some transplanted mIESCs engrafted in the cochlear basilar membrane. Our study demonstrates that transplanted cells survived and engrafted in the organ of Corti after cochleostomy.

ERP and cardiovascular correlates of source memory discrimination in older and younger adults /

There is much evidence to support an age-related decline in source memory ability. However, the underlying mechanisms responsible for this decline are not well understood. The current study was carried out to determine the electrophysiological correlates of source memory discrimination in younger and older adults. Event-related potentials (ERPs) and continuous electrocardiographic (ECG) data were collected from younger (M= 21 years) and older (M= 71 years) adults during a source memory task. Older adults were more likely to make source memory errors for recently repeated, non-target words than were younger adults. Moreover, their ERP records for correct trials showed an increased amplitude in the late positive (LP) component (400-800 msec) for the most recently presented, non-target stimuli relative to the LP noted for target items. Younger adults showed an opposite pattern, with a large LP component for target items, and a much smaller LP component for the recently repeated non-target items. Computation of parasympathetic activity in the vagus nerve was performed on the ECG data (Porges, 1985). The resulting measure, vagal tone, was used as an index of physiological responsivity. The vagal tone index of physiological responsivity was negatively related to the LP amplitude for the most recently repeated, non-target words in both groups, after accounting for age effects. The ERP data support the hypothesis that the tendency to make source memory errors on the part of older adults is related to the ability to selectively control attentional processes during task performance. Furthermore, the relationship between vagal tone and ERP reactivity suggests that there is a physiological basis to the heightened reactivity measured in the LP response to recently repeated non-target items such that, under decreased physiological resources, there is an impairment in the ability to selectively inhibit bottom-up, stimulus based properties in favour of task-related goals in older adults. The inconsistency of these results with other explanatory models of source memory deficits is discussed. It is concluded that the data are consistent with a physiological reactivity model requiring inhibition of reactivity to irrelevant, but perceptually-fluent, stimuli.

A dose-response investigation of the attentional blink during sleep restriction /

Recent dose-response sleep restriction studies, in which nightly sleep is curtailed to varying degrees (e.g., 3-, 5-, 7-hours), have found cumulative, dose-dependent changes in sleepiness, mood, and reaction time. However, brain activity has typically not been measured, and attentionbased tests employed tend to be simple (e.g., reaction time). One task addressing the behavioural and electrophysiological aspects of a specific attention mechanism is the Attentional Blink (AB), which shows that the report accuracy of a second target (T2) is impaired when it is presented soon after a first target (Tl). The aim of the present study was to examine behavioural and electrophysioiogical responses to the AB task to elucidate how sleep restriction impacts attentional capacity. Thirty-six young-adults spent four consecutive days and nights in a sleep laboratory where sleep, food, and activity were controlled. Nightly sleep began with a baseline sleep (8 hours), followed by two nights of sleep restriction (3,5 or 8 hours of sleep), and a recovery sleep (8 hours). An AB task was administered each day at 11 am. Results from a basic battery oftests (e.g., sleepiness, mood, reaction time) confirmed the effectiveness of the sleep restriction manipulation. In terms of the AB, baseline performance was typical (Le., T2 accuracy impaired when presented soon after Tl); however, no changes in any AB behavioural measures were observed following sleep restriction for the 3- or 5-hour groups. The only statistically significant electrophysiological result was a decrease in P300 amplitude (for Tl) from baseline to the second sleep restriction night for the 3-hour group. Therefore, following a brief, two night sleep restriction paradigm, brain functioning was impaired for the TI of the AB in the absence of behavioural deficit. Study limitations and future directions are discussed.

Age-related changes in ERPs associated with context-based and response-based interference

Age-related differences in information processing have often been explained through deficits in older adults' ability to ignore irrelevant stimuli and suppress inappropriate responses through inhibitory control processes. Functional imaging work on young adults by Nelson and colleagues (2003) has indicated that inferior frontal and anterior cingulate cortex playa key role in resolving interference effects during a delay-to-match memory task. Specifically, inferior frontal cortex appeared to be recruited under conditions of context interference while the anterior cingulate was associated with interference resolution at the stage of response selection. Related work has shown that specific neural activities related to interference resolution are not preserved in older adults, supporting the notion of age-related declines in inhibitory control (Jonides et aI., 2000, West et aI., 2004b). In this study the time course and nature of these inhibition-related processes were investigated in young and old adults using high-density ERPs collected during a modified Sternberg task. Participants were presented with four target letters followed by a probe that either did or did not match one of the target letters held in working memory. Inhibitory processes were evoked by manipulating the nature of cognitive conflict in a particular trial. Conflict in working memory was elicited through the presentation of a probe letter in immediately previous target sets. Response-based conflict was produced by presenting a negative probe that had just been viewed as a positive probe on the previous trial. Younger adults displayed a larger orienting response (P3a and P3b) to positive probes relative to a non-target baseline. Older adults produced the orienting P3a and 3 P3b waveforms but their responses did not differentiate between target and non-target stimuli. This age-related change in response to targetness is discussed in terms of "early selection/late correction" models of cognitive ageing. Younger adults also showed a sensitivity in their N450 response to different levels of interference. Source analysis of the N450 responses to the conflict trials of younger adults indicated an initial dipole in inferior frontal cortex and a subsequent dipole in anterior cingulate cortex, suggesting that inferior prefrontal regions may recruit the anterior cingulate to exert cognitive control functions. Individual older adults did show some evidence of an N450 response to conflict; however, this response was attenuated by a co-occurring positive deflection in the N450 time window. It is suggested that this positivity may reflect a form of compensatory activity in older adults to adapt to their decline in inhibitory control.

Mode of action of FMRFamide-like peptide on drosophila body wall muscle conractions

Neuropeptides are the largest group of signalling chemicals that can convey the information from the brain to the cells of all tissues. DPKQDFMRFamide, a member of one of the largest families of neuropeptides, FMRFamide-like peptides, has modulatory effects on nerve-evoked contractions of Drosophila body wall muscles (Hewes et aI.,1998) which are at least in part mediated by the ability of the peptide to enhance neurotransmitter release from the presynaptic terminal (Hewes et aI., 1998, Dunn & Mercier., 2005). However, DPKQDFMRFamide is also able to act directly on Drosophila body wall muscles by inducing contractions which require the influx of extracellular Ca 2+ (Clark et aI., 2008). The present study was aimed at identifying which proteins, including the membrane-bound receptor and second messenger molecules, are involved in mechanisms mediating this myotropic effect of the peptide. DPKQDFMRFamide induced contractions were reduced by 70% and 90%, respectively, in larvae in which FMRFamide G-protein coupled receptor gene (CG2114) was silenced either ubiquitously or specifically in muscle tissue, when compared to the response of the control larvae in which the expression of the same gene was not manipulated. Using an enzyme immunoassay (EIA) method, it was determined that at concentrations of 1 ~M- 0.01 ~M, the peptide failed to increase cAMP and cGMP levels in Drosophila body wall muscles. In addition, the physiological effect of DPKQDFMRFamide at a threshold dose was not potentiated by 3-lsobutyl-1-methylxanthine, a phosphodiesterase inhibitor, nor was the response to 1 ~M peptide blocked or reduced by inhibitors of cAMP-dependent or cGMP-dependent protein kinases. The response to DPKQDFMRFamide was not affected in the mutants of the phosholipase C-~ (PLC~) gene (norpA larvae) or IP3 receptor mutants, which suggested that the PLC-IP3 pathway is not involved in mediat ing the peptide's effects. Alatransgenic flies lacking activity of calcium/calmodul in-dependent protein kinase (CamKII showed an increase in muscle tonus following the application of 1 JlM DPKQDFMRFamide similar to the control larvae. Heat shock treatment potentiated the response to DPKQDFMRFamide in both ala1 and control flies by approximately 150 and 100 % from a non heat-shocked larvae, respectively. Furthermore, a CaMKII inhibitor, KN-93, did not affect the ability of peptide to increase muscle tonus. Thus, al though DPKQDFMRFamide acts through a G-protein coupled FMRFamide receptor, it does not appear to act via cAMP, cGMP, IP3, PLC or CaMKl1. The mechanism through which the FMRFamide receptor acts remains to be determined.

Sleep and information processing in individuals who have sustained a traumatic brain injury

Individuals who have sustained a traumatic brain injury (TBI) often complain of t roubl e sleeping and daytime fatigue but little is known about the neurophysiological underpinnings of the s e sleep difficulties. The fragile sleep of thos e with a TBI was predicted to be characterized by impairments in gating, hyperarousal and a breakdown in sleep homeostatic mechanisms. To test these hypotheses, 20 individuals with a TBI (18- 64 years old, 10 men) and 20 age-matched controls (18-61 years old, 9 men) took part in a comprehensive investigation of their sleep. While TBI participants were not recruited based on sleep complaint, the fmal sample was comprised of individuals with a variety of sleep complaints, across a range of injury severities. Rigorous screening procedures were used to reduce potential confounds (e.g., medication). Sleep and waking data were recorded with a 20-channel montage on three consecutive nights. Results showed dysregulation in sleep/wake mechanisms. The sleep of individuals with a TBI was less efficient than that of controls, as measured by sleep architecture variables. There was a clear breakdown in both spontaneous and evoked K-complexes in those with a TBI. Greater injury severities were associated with reductions in spindle density, though sleep spindles in slow wave sleep were longer for individuals with TBI than controls. Quantitative EEG revealed an impairment in sleep homeostatic mechanisms during sleep in the TBI group. As well, results showed the presence of hyper arousal based on quantitative EEG during sleep. In wakefulness, quantitative EEG showed a clear dissociation in arousal level between TBls with complaints of insomnia and TBls with daytime fatigue. In addition, ERPs indicated that the experience of hyper arousal in persons with a TBI was supported by neural evidence, particularly in wakefulness and Stage 2 sleep, and especially for those with insomnia symptoms. ERPs during sleep suggested that individuals with a TBI experienced impairments in information processing and sensory gating. Whereas neuropsychological testing and subjective data confirmed predicted deficits in the waking function of those with a TBI, particularly for those with more severe injuries, there were few group differences on laboratory computer-based tasks. Finally, the use of correlation analyses confirmed distinct sleep-wake relationships for each group. In sum, the mechanisms contributing to sleep disruption in TBI are particular to this condition, and unique neurobiological mechanisms predict the experience of insomnia versus daytime fatigue following a TBI. An understanding of how sleep becomes disrupted after a TBI is important to directing future research and neurorehabilitation.

A domain-general perspective on medial frontal brain activity during performance monitoring

Activity of the medial frontal cortex (MFC) has been implicated in attention regulation and performance monitoring. The MFC is thought to generate several event-related potential (ERPs) components, known as medial frontal negativities (MFNs), that are elicited when a behavioural response becomes difficult to control (e.g., following an error or shifting from a frequently executed response). The functional significance of MFNs has traditionally been interpreted in the context of the paradigm used to elicit a specific response, such as errors. In a series of studies, we consider the functional similarity of multiple MFC brain responses by designing novel performance monitoring tasks and exploiting advanced methods for electroencephalography (EEG) signal processing and robust estimation statistics for hypothesis testing. In study 1, we designed a response cueing task and used Independent Component Analysis (ICA) to show that the latent factors describing a MFN to stimuli that cued the potential need to inhibit a response on upcoming trials also accounted for medial frontal brain responses that occurred when individuals made a mistake or inhibited an incorrect response. It was also found that increases in theta occurred to each of these task events, and that the effects were evident at the group level and in single cases. In study 2, we replicated our method of classifying MFC activity to cues in our response task and showed again, using additional tasks, that error commission, response inhibition, and, to a lesser extent, the processing of performance feedback all elicited similar changes across MFNs and theta power. In the final study, we converted our response cueing paradigm into a saccade cueing task in order to examine the oscillatory dynamics of response preparation. We found that, compared to easy pro-saccades, successfully preparing a difficult anti-saccadic response was characterized by an increase in MFC theta and the suppression of posterior alpha power prior to executing the eye movement. These findings align with a large body of literature on performance monitoring and ERPs, and indicate that MFNs, along with their signature in theta power, reflects the general process of controlling attention and adapting behaviour without the need to induce error commission, the inhibition of responses, or the presentation of negative feedback.

Corrélats neuronaux de l'expertise auditive

La voix humaine constitue la partie dominante de notre environnement auditif. Non seulement les humains utilisent-ils la voix pour la parole, mais ils sont tout aussi habiles pour en extraire une multitude d’informations pertinentes sur le locuteur. Cette expertise universelle pour la voix humaine se reflète dans la présence d’aires préférentielles à celle-ci le long des sillons temporaux supérieurs. À ce jour, peu de données nous informent sur la nature et le développement de cette réponse sélective à la voix. Dans le domaine visuel, une vaste littérature aborde une problématique semblable en ce qui a trait à la perception des visages. L’étude d’experts visuels a permis de dégager les processus et régions impliqués dans leur expertise et a démontré une forte ressemblance avec ceux utilisés pour les visages. Dans le domaine auditif, très peu d’études se sont penchées sur la comparaison entre l’expertise pour la voix et d’autres catégories auditives, alors que ces comparaisons pourraient contribuer à une meilleure compréhension de la perception vocale et auditive. La présente thèse a pour dessein de préciser la spécificité des processus et régions impliqués dans le traitement de la voix. Pour ce faire, le recrutement de différents types d’experts ainsi que l’utilisation de différentes méthodes expérimentales ont été préconisés. La première étude a évalué l’influence d’une expertise musicale sur le traitement de la voix humaine, à l’aide de tâches comportementales de discrimination de voix et d’instruments de musique. Les résultats ont démontré que les musiciens amateurs étaient meilleurs que les non-musiciens pour discriminer des timbres d’instruments de musique mais aussi les voix humaines, suggérant une généralisation des apprentissages perceptifs causés par la pratique musicale. La seconde étude avait pour but de comparer les potentiels évoqués auditifs liés aux chants d’oiseaux entre des ornithologues amateurs et des participants novices. L’observation d’une distribution topographique différente chez les ornithologues à la présentation des trois catégories sonores (voix, chants d’oiseaux, sons de l’environnement) a rendu les résultats difficiles à interpréter. Dans la troisième étude, il était question de préciser le rôle des aires temporales de la voix dans le traitement de catégories d’expertise chez deux groupes d’experts auditifs, soit des ornithologues amateurs et des luthiers. Les données comportementales ont démontré une interaction entre les deux groupes d’experts et leur catégorie d’expertise respective pour des tâches de discrimination et de mémorisation. Les résultats obtenus en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ont démontré une interaction du même type dans le sillon temporal supérieur gauche et le gyrus cingulaire postérieur gauche. Ainsi, les aires de la voix sont impliquées dans le traitement de stimuli d’expertise dans deux groupes d’experts auditifs différents. Ce résultat suggère que la sélectivité à la voix humaine, telle que retrouvée dans les sillons temporaux supérieurs, pourrait être expliquée par une exposition prolongée à ces stimuli. Les données présentées démontrent plusieurs similitudes comportementales et anatomo-fonctionnelles entre le traitement de la voix et d’autres catégories d’expertise. Ces aspects communs sont explicables par une organisation à la fois fonctionnelle et économique du cerveau. Par conséquent, le traitement de la voix et d’autres catégories sonores se baserait sur les mêmes réseaux neuronaux, sauf en cas de traitement plus poussé. Cette interprétation s’avère particulièrement importante pour proposer une approche intégrative quant à la spécificité du traitement de la voix.

The roles of the somatosensory cortices in the perception of noxious and innocuous stimuli

Résumé Les premières études électrophysiologiques et anatomiques ont établi le rôle crucial du cortex somatosensoriel primaire et secondaire (SI et SII) dans le traitement de l'information somatosensorielle. Toutefois, les récentes avancées en techniques d’imagerie cérébrale ont mis en question leur rôle dans la perception somatosensorielle. La réorganisation du cortex somatosensoriel est un phénomène qui a été proposé comme cause de la douleur du membre fantôme chez les individus amputés. Comme la plupart des études se sont concentrées sur le rôle du SI, une étude plus approfondie est nécessaire. La présente série d'expériences implique une exploration du rôle des régions somatosensorielles dans la perception des stimuli douleureux et non-douleureux chez des volontaires sains et patients avec des douleurs de membre fantôme. La première étude expérimentale présentée dans le chapitre 3 est une méta-analyse des études de neuro-imagerie employant des stimuli nociceptifs chez des volontaires sains. En comparaison aux précédentes, la présente étude permet la génération de cartes quantitatives probabilistes permettant la localisation des régions activées en réponse à des stimuli nociceptifs. Le rôle du cortex somatosensoriel dans la perception consciente de stimuli chauds a été étudié dans le chapitre 4 grâce à une étude d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, dans laquelle des stimuli thermiques douloureux et non-douloureux ont été administrés de manière contrebalancée. Grâce à cette procédure, la perception de la chaleur fut atténuée par les stimuli douloureux, ce qui permit la comparaison des stimuli consciemment perçus avec ceux qui ne le furent pas. Les résultats ont montrés que les stimulations chaudes perçues ont engendré l’activation de l’aire SI controlatérale, ainsi que de la région SII. Grâce à l’évaluation clinique de patients amputés présentant une altération de leurs perceptions somatosensorielles, il est également possible de dessiner un aperçu des régions corticales qui sous-tendent ces modifications perceptuelles. Dans le chapitre 5 nous avons émis l'hypothèse proposant que les sensations du membre fantôme représentent un corrélat perceptuel de la réorganisation somatotopique des représentations sensorielles corticales. En effet, la réorganisation des sensations peut donner des indices sur les régions impliquées dans la genèse des sensations référées. Ainsi, un protocole d’évaluation sensoriel a été administré à un groupe de patients affligés de douleur au niveau du membre fantôme. Les résultats ont montré que, contrairement aux études précédentes, les sensations diffèrent grandement selon le type et l'intensité des stimuli tactiles, sans évidence de la présence d’un modèle spatialement localisé. Toutefois, les résultats actuels suggèrent que les régions corticales à champs récepteurs bilatéraux présentent également des modifications en réponse à une déafférentation. Ces études présentent une nouvelle image des régions corticales impliquées dans la perception des stimuli somatosensoriels, lesquelles comprennent les aires SI et SII, ainsi que l'insula. Les résultats sont pertinents à notre compréhension des corrélats neurologiques de la perception somatosensorielle consciente.

Studies on the exaggerated inflammatory response caused by streptococcus suis at systemic and central nervous system levels

Streptococcus suis de type 2 est un microorganisme pathogène d’importance chez le porc. Il est la cause de différentes pathologies ayant comme caractéristique commune la méningite. C’est également un agent émergeant de zoonose : des cas cliniques humains ont récemment été rapportés en Asie. Cependant, la pathogénèse de S. suis n’est pas encore complètement élucidée. Jusqu’à présent, la réponse pro-inflammatoire initiée par S. suis n’a été étudiée qu’in vitro. L’étude du choc septique et de la méningite requiert toujours des modèles expérimentaux appropriés. Au cours de cette étude, nous avons développé un modèle in vivo d’infection chez la souris qui utilise la voie d’inoculation intra-péritonéale. Ce modèle a servi à l’étude de la réponse pro-inflammatoire associée à ce pathogène, tant au niveau systémique qu’au niveau du système nerveux central (SNC). Il nous a également permis de déterminer si la sensibilité aux infections à S. suis pouvait être influencée par des prédispositions génétiques de l’hôte. Le modèle d’infection par S. suis a été mis au point sur des souris de lignée CD1. Les résultats ont démontré une bactériémie élevée pendant les trois jours suivant l’infection. Celle-ci était accompagnée d’une libération rapide et importante de différentes cytokines pro-inflammatoires (TNF-α, IL-6, IL-12p40/p70, IFN-ɣ) et de chémokines (KC, MCP-1 and RANTES), qui ont entraîné un choc septique et la mort de 20 % des animaux. Ensuite, pour confirmer le rôle de l’inflammation sur la mortalité et pour déterminer si les caractéristiques génétiques de l’hôte pouvaient influencer la réponse inflammatoire et l’issue de la maladie, le modèle d’infection a été étendu à deux lignées murines consanguines différentes considérées comme résistante : la lignée C57BL/6 (B6), et sensible : la lignée A/J. Les résultats ont démontré une importante différence de sensibilité entre les souris A/J et les souris B6, avec un taux de mortalité atteignant 100 % à 20 h post-infection (p.i.) pour la première lignée et de seulement 16 % à 36 h p.i. pour la seconde. La quantité de bactéries dans le sang et dans les organes internes était similaire pour les deux lignées. Donc, tout comme dans la lignée CD1, la bactériémie ne semblait pas être liée à la mort des souris. La différence entre les taux de mortalité a été attribuée à un choc septique non contrôlé chez les souris A/J infectées par S. suis. Les souris A/J présentaient des taux exceptionnellement élevés de TNF-α, IL-12p40/p70, IL-1β and IFN- γ, significativement supérieurs à ceux retrouvés dans la lignée B6. Par contre, les niveaux de chémokines étaient similaires entre les lignées, ce qui suggère que leur influence est limitée dans le développement du choc septique dû à S. suis. Les souris B6 avaient une production plus élevée d’IL-10, une cytokine anti-inflammatoire, ce qui suppose que la cascade cytokinaire pro-inflammatoire était mieux contrôlée, entraînant un meilleur taux de survie. Le rôle bénéfique potentiel de l’IL-10 chez les souris infectées par S. suis a été confirmé par deux approches : d’une part en bloquant chez les souris B6 le récepteur cellulaire à l’IL-10 (IL-10R) par un anticorps monoclonal anti-IL-10R de souris et d’autre part en complémentant les souris A/J avec de l’IL-10 de souris recombinante. Les souris B6 ayant reçu le anticorps monoclonal anti-IL-10R avant d’être infectées par S. suis ont développé des signes cliniques aigus similaires à ceux observés chez les souris A/J, avec une mortalité rapide et élevée et des taux de TNF-α plus élevés que les souris infectées non traitées. Chez les souris A/J infectées par S. suis, le traitement avec l’IL-10 de souris recombinante a significativement retardé l’apparition du choc septique. Ces résultats montrent que la survie au choc septique dû à S. suis implique un contrôle très précis des mécanismes pro- et anti-inflammatoires et que la réponse anti-inflammatoire doit être activée simultanément ou très rapidement après le début de la réponse pro-inflammatoire. Grâce à ces expériences, nous avons donc fait un premier pas dans l’identification de gènes associés à la résistance envers S. suis chez l’hôte. Une des réussites les plus importantes du modèle d’infection de la souris décrit dans ce projet est le fait que les souris CD1 ayant survécu à la septicémie présentaient dès 4 jours p.i. des signes cliniques neurologiques clairs et un syndrome vestibulaire relativement similaires à ceux observés lors de méningite à S. suis chez le porc et chez l’homme. L’analyse par hybridation in situ combinée à de l’immunohistochimie des cerveaux des souris CD1 infectées a montré que la réponse inflammatoire du SNC débutait avec une augmentation significative de la transcription du Toll-like receptor (TLR)2 et du CD14 dans les microvaisseaux cérébraux et dans les plexus choroïdes, ce qui suggère que S. suis pourrait se servir de ces structures comme portes d’entrée vers le cerveau. Aussi, le NF-κB (suivi par le système rapporteur de l’activation transcriptionnelle de IκBα), le TNF-α, l’IL-1β et le MCP-1 ont été activés, principalement dans des cellules identifiées comme de la microglie et dans une moindre mesure comme des astrocytes. Cette activation a également été observée dans différentes structures du cerveau, principalement le cortex cérébral, le corps calleux, l’hippocampe, les plexus choroïdes, le thalamus, l’hypothalamus et les méninges. Partout, cette réaction pro-inflammatoire était accompagnée de zones extensives d’inflammation et de nécrose, de démyélinisation sévère et de la présence d’antigènes de S. suis dans la microglie. Nous avons mené ensuite des études in vitro pour mieux comprendre l’interaction entre S. suis et la microglie. Pour cela, nous avons infecté des cellules microgliales de souris avec la souche sauvage virulente (WT) de S. suis, ainsi qu’avec deux mutants isogéniques, un pour la capsule (CPS) et un autre pour la production d’hémolysine (suilysine). Nos résultats ont montré que la capsule était un important mécanisme de résistance à la phagocytose pour S. suis et qu’elle modulait la réponse inflammatoire, en dissimulant les composants pro-inflammatoires de la paroi bactérienne. Par contre, l’absence d’hémolysine, qui est un facteur cytotoxique potentiel, n’a pas eu d’impact majeur sur l’interaction de S. suis avec la microglie. Ces études sur les cellules microgliales ont permis de confirmer les résultats obtenus précédemment in vivo. La souche WT a induit une régulation à la hausse du TLR2 ainsi que la production de plusieurs médiateurs pro-inflammatoires, dont le TNF-α et le MCP-1. S. suis a induit la translocation du NF-kB. Cet effet était plus rapide dans les cellules stimulées par le mutant déficient en CPS, ce qui suggère que les composants de la paroi cellulaire représentent de puissants inducteurs du NF-kB. De plus, la souche S. suis WT a stimulé l’expression de la phosphotyrosine, de la PKC et de différentes cascades liées à l’enzyme mitogen-activated protein kinase (MAPK). Cependant, les cellules microgliales infectées par le mutant déficient en CPS ont montré des profils de phosphorylation plus forts et plus soutenus que celles infectées par le WT. Finalement, la capsule a aussi modulé l’expression de l’oxyde nitrique synthétase inductible (iNOS) induite par S. suis et par la production subséquente d’oxyde nitrique par la microglie. Ceci pourrait être lié in vivo à la neurotoxicité et à la vasodilatation. Nous pensons que ces résultats contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes sous-tendant l’induction de l’inflammation par S. suis, ce qui devrait permettre, d’établir éventuellement des stratégies plus efficaces de lutte contre la septicémie et la méningite. Enfin, nous pensons que ce modèle expérimental d’infection chez la souris pourra être utilisé dans l’étude de la pathogénèse d’autres bactéries ayant le SNC pour cible.