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.

Le rôle de la barrière hémato-encéphalique dans la pathogénèse de l'oedème chez des rats souffrant d'insuffisance hépatique chronique

L’œdème cérébral est une complication associée à l’encéphalopathie hépatique (EH) lors d’une insuffisance hépatique chronique (cirrhose du foie). Présentement, l’origine de sa pathogenèse, vasogénique (rupture de la barrière hémato-encéphalique (BHE)) ou cytotoxique (prise anormale d’ions), n’a pas encore été déterminée. Il a été démontré que le co-transporteur Na-K-Cl (NKCC1) du côté luminal des microvaisseaux sanguins cérébraux (CMV) joue un rôle dans le développement de l’œdème cérébral dans des modèles d’ischémie où la bumetanide, un inhibiteur de NKCC, atténue l’œdème cérébral. Deux modèles d’EH ont été utilisés pour cette étude i) la ligature de la voie biliaire (BDL) qui présente l’hyperammoniémie chronique, l’œdème cérébral et le stress oxydatif systémique ; ii) l’anastomose portocave (PCA) qui présente de l’hyperammoniémie chronique seulement. Les buts du projet étaient de: i) définir l’origine du développement de l’œdème chez les rats BDL en étudiant l’extravasation de macromolécules, les jonctions serrées et l’activation des métalloprotéinases matricielles de la BHE; ii) observer les effets de l’hyperammoniémie chronique indépendamment sur la BHE chez les rats PCA; iii) évaluer le rôle de l’hyperammoniémie et du stress oxydatif et iv) étudier le rôle du NKCC1 dans les CMV dans la pathogenèse de l’œdème cérébral. Les résultats du projet démontrent que l’œdème est d’origine cytotoxique chez les rats BDL et que l’intégrité de la BHE est conservée chez les rats PCA malgré l’hyperammoniémie. L’expression génique du NKCC1 est associée à l’œdème mais pas son expression protéique et sa phosphorylation. Enfin, l’étude démontre que l’hyperammoniémie et le stress oxydatif indépendant ne jouent pas un rôle dans la pathogenèse de l’œdème mais suggère qu’ils y aient un effet synergique.

An fMRI study of emotional episodic memory in schizophrenia : effects of diagnosis and sex

La schizophrénie est une psychopathologie largement hétérogène caractérisée entre autres par d’importantes défaillances dans le fonctionnement cognitif et émotionnel. En effet, par rapport à la population générale, forte proportion de ces individus présentent une mémoire déficitaire pour les événements émotionnels. À ce jour, le peu d’études qui se sont penchées sur la mémoire émotionnelle épisodique dans la schizophrénie, ont uniquement mis l’emphase sur l'effet de la valence des stimuli (c’est-à-dire le caractère agréable ou désagréable du stimulus). Toutefois, aucune n’a investigué spécifiquement l’intensité de la réaction aux stimuli (c’est-à-dire une faible par rapport à une forte réaction) malgré quantité de preuves faisant montre, dans la population générale, de différents processus de mémoire émotionnelle pour des stimuli suscitant une forte réaction par rapport à ceux évoquant une faible réponse. Ce manque est d’autant plus flagrant étant donné le nombre d’études ayant rapporté un traitement et un encodage atypiques des émotions spécifiquement au niveau de l’intensité de la réponse subjective chez des patients atteints de schizophrénie. Autre fait important, il est étonnant de constater l’absence de recherches sur les différences de sexe dans la mémoire émotionnelle étant donné l’ensemble des divergences entre hommes et femmes atteints de schizophrénie au niveau de la prévalence, de l’âge de diagnostic, de la manifestation clinique, de l’évolution de la maladie, de la réponse au traitement et des structures cérébrales. Pour pallier à ces lacunes, ce mémoire a évalué : (1) l’effet de la valence des stimuli et de l'intensité de la réaction émotionnelle au niveau des fonctions cérébrales correspondant à la mémoire émotionnelle chez des patients atteints de schizophrénie comparativement à des participants sains; et (2) les possibles différences de sexe dans les processus cérébraux impliqués dans la mémoire émotionnelle chez des patients atteints de schizophrénie par rapport à des volontaires sains. Ainsi, la première étude a comparé les activations cérébrales de patients atteints de schizophrénie par rapport à des participants sains au cours d’une tâche de mémoire émotionnelle dont les stimuli variaient à la fois au niveau de la valence et de l'intensité de la réaction subjective. 37 patients atteints de schizophrénie ainsi que 37 participants en bonne santé ont effectué cette tâche de mémoire émotionnelle lors d’une session d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Pour toutes les conditions étudiées (images négatives, positives, de faible et de forte intensité), le groupe atteint de schizophrénie a performé significativement moins bien que les volontaires sains. Comparativement aux sujets sains, ils ont montré moins d’activations cérébrales dans les régions limbiques et préfrontales lors de la reconnaissance des images négatives, mais ont présenté un patron d'activations similaire à celui des participants sains lors de la reconnaissance des images chargées positivement (activations observées dans le cervelet, le cortex temporal et préfrontal). Enfin, indépendamment de la valence des stimuli, les deux groupes ont démontré une augmentation des activations cérébrales pour les images de forte intensité par rapport à celles de plus faible intensité. La seconde étude a quant à elle exploré les différences de sexe potentielles au niveau des activations cérébrales associées à la mémoire émotionnelle dans la schizophrénie et dans la population en général. Nous avons comparé 41 patients atteints de schizophrénie (20 femmes) à 41 participants en bonne santé (19 femmes) alors qu’ils effectuaient la même tâche de mémoire émotionnelle mentionnée plus haut. Or, pour cette étude, nous nous sommes concentrés sur les conditions suivantes : la reconnaissance d’images positives, négatives et neutres. Nous n'avons pas observé de différences entre les hommes et les femmes au niveau des performances à la tâche de mémoire pour aucune des conditions. En ce qui a trait aux données de neuroimagerie, comparativement aux femmes en bonne santé, celles atteintes de schizophrénie ont montré une diminution des activations cérébrales dans les régions corticales du système limbique (p. ex. cortex cingulaire moyen) et dans les régions sous-corticales (p. ex. amygdale) lors de la reconnaissance d'images négatives. Pour ce qui est de la condition positive, elles ont présenté, comparativement au groupe de femmes saines, des diminutions d’activations spécifiquement dans le cervelet ainsi que dans le gyrus frontal inférieur et moyen. Les hommes atteints de schizophrénie, eux, ont montré une augmentation d’activations par rapport aux hommes sains dans le gyrus préfrontal médian lors de la reconnaissance des stimuli négatifs ; ainsi que dans les régions pariétales, temporales et limbiques lors de la reconnaissance des stimuli positifs. Dans un autre ordre d’idées, notre analyse corrélationnelle a mis en évidence, chez les femmes, un lien significatif entre l’activité cérébrale et les symptômes au cours de la mémoire des stimuli positifs, alors que chez les hommes atteints schizophrénie, ce lien a été observé au cours de la mémoire des stimuli négatifs. Bref, l’ensemble de nos résultats suggère, chez les patients atteints de schizophrénie, un fonctionnement cérébral atypique spécifiquement lors de la reconnaissance d’images négatives, mais un fonctionnement intact lors de la reconnaissance de stimuli positifs. De plus, nous avons mis en évidence la présence de différences de sexe dans les activations cérébrales associées à la mémoire épisodique émotionnelle soulignant ainsi l'importance d’étudier séparément les hommes et les femmes atteints de schizophrénie dans le cadre de recherches sur les plans cognitif et émotionnel.

Rôle du tissu adipeux dans l’effet cardioprotecteur du EP 80317, un ligand sélectif du récepteur CD36

Le récepteur CD36 est impliqué dans le transport des acides gras libres non estérifiés (AGNE) au niveau des tissus cardiaque et périphériques. Les dommages tissulaires et la dysfonction cardiaque observés après une ischémie-reperfusion (I/R) du myocarde sont en partie liés à l’internalisation et au métabolisme oxydatif accrus des AGNE dont la concentration sanguine augmente transitoirement après un infarctus du myocarde, contrairement à ce qui est observé chez des souris déficientes en CD36. Nous avons émis l’hypothèse selon laquelle le EP 80317, un ligand synthétique du récepteur CD36, exercerait un effet cardioprotecteur contre les dommages induits par une ischémie transitoire du myocarde. Nos objectifs étaient 1) de vérifier l’effet cardioprotecteur du EP 80317 et 2) de définir son mécanisme, plus précisément de documenter l’effet du traitement sur le métabolisme lipidique. À cette fin, des souris de type sauvage ont été traitées par le EP 80317 (289 nmol/kg) par voie sous-cutanée pendant 14 jours avant d’être soumises à 30 minutes d’ischémie suivant la ligature de l’artère coronaire gauche descendante et de sa reperfusion pendant une période de 6 ou 48 heures. Le cœur et les tissus périphériques (foie, muscle squelettique et dépôts adipeux) ont été prélevés pour déterminer le profil de certains gènes impliqués dans la régulation du métabolisme lipidique. Nos travaux ont montré que l’effet cardioprotecteur d’un traitement préventif par le EP 80317 est associé à une augmentation transitoire du stockage des triglycérides et d’une réduction des AGNE circulants.

Conditionnement de l’endothélium de l’artère pulmonaire par thérapie d’inhalation avant la circulation extracorporelle

La circulation extracorporelle (CEC) déclenche une réaction inflammatoire systémique, un dommage d’ischémie-reperfusion (I-R) et une dysfonction de l’endothélium dans la circulation pulmonaire. L’hypertension pulmonaire (HTP) est la conséquence de cette cascade de réactions. Cette HTP augmente le travail du ventricule droit et peut causer sa dysfonction, un sevrage difficile de la CEC et une augmentation des besoins de vasopresseurs après la chirurgie cardiaque. L’administration de milrinone et d’époprosténol inhalés a démontré une réduction de la dysfonction endothéliale dans l’artère pulmonaire. Le but de ce travail est d’évaluer différents types de nébulisateur pour l’administration de la milrinone et d’évaluer l’effet du traitement préventif de la combinaison de milrinone et époprosténol inhalés sur les résultats postopératoires en chirurgie cardiaque. Deux études ont été conduites. Dans la première, trois groupes de porcelets ont été comparés : (1) groupe milrinone avec nébulisateur ultrasonique ; CEC et reperfusion précédées par 2,5 mg de milrinone inhalée, (2) goupe milrinone avec nébulisateur à simple jet ; CEC et reperfusion précédées par 2,5 mg de milrinone inhalée et (3) groupe contrôle ; CEC et reperfusion sans traitement. Durant la procédure, les paramètres hémodynamiques, biochimiques et hématologiques ont été mesurés. Après sacrifice, la relaxation endothélium dépendante de l’artère pulmonaire à l’acétylcholine et à la bradykinine a été étudiée en chambres d’organe. Nous avons noté une amélioration de la relaxation de l’endothélium à la bradykinine et à l’acétylcholine dans le groupe avec inhalation de milrinone avec le nébulisateur ultrasonique. Dans la deuxième étude, une analyse rétrospective de 60 patients à haut risque chirurgical atteints d’HTP et opérés à l’Institut de Cardiologie de Montréal à été effectuée. Deux groupes ont été comparés : (1) 40 patients ayant reçu la combinaison de milrinone et d’époprosténol inhalés avant la CEC (groupe traitement) et (2) 20 patients avec des caractéristiques préopératoires n’ayant reçu aucun traitement inhalé avant la CEC (groupe contrôle). Nous avons observé que les besoins en support pharmacologique vasoactif était réduit à 12 heures et à 24 heures postopératoires dans le groupe traitement. L’utilisation de la nébulisation ultrasonique a un impact favorable sur l’endothélium de l’artère pulmonaire après la CEC lorsque comparée à la nébulisation standard à simple jet. Le traitement préventif des patients atteints d’HTP avec la combinaison de milrinone et d’époprosténol inhalés avant la CEC est associé avec une diminution importante des besoins de support vasoactif aux soins intensifs dans les 24 premières heures après la chirurgie.

Visual information processing during conscious and non-conscious face perception

Les stimuli naturels projetés sur nos rétines nous fournissent de l’information visuelle riche. Cette information varie le long de propriétés de « bas niveau » telles que la luminance, le contraste, et les fréquences spatiales. Alors qu’une partie de cette information atteint notre conscience, une autre partie est traitée dans le cerveau sans que nous en soyons conscients. Les propriétés de l’information influençant l’activité cérébrale et le comportement de manière consciente versus non-consciente demeurent toutefois peu connues. Cette question a été examinée dans les deux derniers articles de la présente thèse, en exploitant les techniques psychophysiques développées dans les deux premiers articles. Le premier article présente la boîte à outils SHINE (spectrum, histogram, and intensity normalization and equalization), développée afin de permettre le contrôle des propriétés de bas niveau de l'image dans MATLAB. Le deuxième article décrit et valide la technique dite des bulles fréquentielles, qui a été utilisée tout au long des études de cette thèse pour révéler les fréquences spatiales utilisées dans diverses tâches de perception des visages. Cette technique offre les avantages d’une haute résolution au niveau des fréquences spatiales ainsi que d’un faible biais expérimental. Le troisième et le quatrième article portent sur le traitement des fréquences spatiales en fonction de la conscience. Dans le premier cas, la méthode des bulles fréquentielles a été utilisée avec l'amorçage par répétition masquée dans le but d’identifier les fréquences spatiales corrélées avec les réponses comportementales des observateurs lors de la perception du genre de visages présentés de façon consciente versus non-consciente. Les résultats montrent que les mêmes fréquences spatiales influencent de façon significative les temps de réponse dans les deux conditions de conscience, mais dans des sens opposés. Dans le dernier article, la méthode des bulles fréquentielles a été combinée à des enregistrements intracrâniens et au Continuous Flash Suppression (Tsuchiya & Koch, 2005), dans le but de cartographier les fréquences spatiales qui modulent l'activation de structures spécifiques du cerveau (l'insula et l'amygdale) lors de la perception consciente versus non-consciente des expressions faciales émotionnelles. Dans les deux régions, les résultats montrent que la perception non-consciente s'effectue plus rapidement et s’appuie davantage sur les basses fréquences spatiales que la perception consciente. La contribution de cette thèse est donc double. D’une part, des contributions méthodologiques à la recherche en perception visuelle sont apportées par l'introduction de la boîte à outils SHINE ainsi que de la technique des bulles fréquentielles. D’autre part, des indications sur les « corrélats de la conscience » sont fournies à l’aide de deux approches différentes.

Selective alterations of brain osmolytes in acute liver failure: protective effect of mild hypothermia.

The principal cause of mortality in patients with acute liver failure (ALF) is brain herniation resulting from intracranial hypertension caused by a progressive increase of brain water. In the present study, ex vivo high-resolution 1H-NMR spectroscopy was used to investigate the effects of ALF, with or without superimposed hypothermia, on brain organic osmolyte concentrations in relation to the severity of encephalopathy and brain edema in rats with ALF due to hepatic devascularization. In normothermic ALF rats, glutamine concentrations in frontal cortex increased more than fourfold at precoma stages, i.e. prior to the onset of severe encephalopathy, but showed no further increase at coma stages. In parallel with glutamine accumulation, the brain organic osmolytes myo-inositol and taurine were significantly decreased in frontal cortex to 63\% and 67\% of control values, respectively, at precoma stages (p<0.01), and to 58\% and 67\%, respectively, at coma stages of encephalopathy (p<0.01). Hypothermia, which prevented brain edema and encephalopathy in ALF rats, significantly attenuated the depletion of myo-inositol and taurine. Brain glutamine concentrations, on the other hand, did not respond to hypothermia. These findings demonstrate that experimental ALF results in selective changes in brain organic osmolytes as a function of the degree of encephalopathy which are associated with brain edema, and provides a further rationale for the continued use of hypothermia in the management of this condition.

Effects of hypothermia on brain glucose metabolism in acute liver failure: a H/C-nuclear magnetic resonance study.

Mild hypothermia has a protective effect on brain edema and encephalopathy in both experimental and human acute liver failure. The goals of the present study were to examine the effects of mild hypothermia (35°C) on brain metabolic pathways using combined 1H and 13C-Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy, a technique which allows the study not only of metabolite concentrations but also their de novo synthesis via cell-specific pathways in the brain. :1H and 13C NMR spectroscopy using [1-13C] glucose was performed on extracts of frontal cortex obtained from groups of rats with acute liver failure induced by hepatic devascularization whose body temperature was maintained either at 37°C (normothermic) or 35°C (hypothermic), and appropriate sham-operated controls. At coma stages of encephalopathy in the normothermic acute liver failure animals, glutamine concentrations in frontal cortex increased 3.5-fold compared to sham-operated controls (P < 0.001). Comparable increases of brain glutamine were observed in hypothermic animals despite the absence of severe encephalopathy (coma). Brain glutamate and aspartate concentrations were respectively decreased to 60.9% ± 7.7% and 42.2% ± 5.9% (P < 0.01) in normothermic animals with acute liver failure compared to control and were restored to normal values by mild hypothermia. Concentrations of lactate and alanine in frontal cortex were increased to 169.2% ± 15.6% and 267.3% ± 34.0% (P < 0.01) respectively in normothermic rats compared to controls. Furthermore, de novo synthesis of lactate and alanine increased to 446.5% ± 48.7% and 707.9% ± 65.7% (P < 0.001), of control respectively, resulting in increased fractional 13C-enrichments in these cytosolic metabolites. Again, these changes of lactate and alanine concentrations were prevented by mild hypothermia. Mild hypothermia (35°C) prevents the encephalopathy and brain edema resulting from hepatic devascularization, selectively normalizes lactate and alanine synthesis from glucose, and prevents the impairment of oxidative metabolism associated with this model of ALF, but has no significant effect on brain glutamine. These findings suggest that a deficit in brain glucose metabolism rather than glutamine accumulation is the major cause of the cerebral complications of acute liver failure.

Mild hypothermia prevents cerebral edema and CSF lactate accumulation in acute liver failure.

Evidence from both clinical and experimental studies demonstrates that mild hypothermia prevents encephalopathy and brain edema in acute liver failure (ALF). As part of a series of studies to elucidate the mechanism(s) involved in this protective effect, groups of rats with ALF resulting from hepatic devascularization were maintained at either 37°C (normothermic) or 35°C (hypothermic), and neurological status was monitored in relation to cerebrospinal fluid (CSF) concentrations of ammonia and lactate. CSF was removed via implanted cisterna magna catheters. Mild hypothermia resulted in a delay in onset of encephalopathy and prevention of brain edema; CSF concentrations of ammonia and lactate were concomitantly decreased. Blood ammonia concentrations, on the other hand, were not affected by hypothermia in ALF rats. These findings suggest that brain edema and encephalopathy in ALF are the consequence of ammonia-induced impairment of brain energy metabolism and open the way for magnetic resonance spectroscopic monitoring of cerebral function in ALF. Mild hypothermia could be beneficial in the prevention of severe encephalopathy and brain edema in patients with ALF awaiting liver transplantation.

Increased brain lactate is central to the development of brain edema in rats with chronic liver disease

The pathogenesis of brain edema in patients with chronic liver disease (CLD) and minimal hepatic encephalopathy (HE) remains undefined. This study evaluated the role of brain lactate, glutamine and organic osmolytes, including myo-inositol and taurine, in the development of brain edema in a rat model of cirrhosis.Six-week bile-duct ligated (BDL) rats were injected with (13)C-glucose and de novo synthesis of lactate, and glutamine in the brain was quantified using (13)C nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR). Total brain lactate, glutamine, and osmolytes were measured using (1)H NMR or high performance liquid chromatography. To further define the interplay between lactate, glutamine and brain edema, BDL rats were treated with AST-120 (engineered activated carbon microspheres) and dichloroacetate (DCA: lactate synthesis inhibitor).Significant increases in de novo synthesis of lactate (1.6-fold, p<0.001) and glutamine (2.2-fold, p<0.01) were demonstrated in the brains of BDL rats vs. SHAM-operated controls. Moreover, a decrease in cerebral myo-inositol (p<0.001), with no change in taurine, was found in the presence of brain edema in BDL rats vs. controls. BDL rats treated with either AST-120 or DCA showed attenuation in brain edema and brain lactate. These two treatments did not lead to similar reductions in brain glutamine.Increased brain lactate, and not glutamine, is a primary player in the pathogenesis of brain edema in CLD. In addition, alterations in the osmoregulatory response may also be contributing factors. Our results suggest that inhibiting lactate synthesis is a new potential target for the treatment of HE.

DOPAMINE D2 RECEPTOR FUNCTIONAL REGULATION : cAMP AND IP3 ROLE IN PANCREATIC REGENERATION

The present study deals with the differential regulation of Dopamine content in pancreas and functional regulation of Dopamine D2 receptor in brain regions such as hypothalamus, brain stem, cerebral cortex and corpus striatum play an important role during pancreatic islets cell proliferation and insulin secretion. Though may reports are there implicating the functional interaction between DA receptor and pancreatic islets cell insulin secretion, the involvement of specific DA D2 receptors and changes in second messenger system during insulin secretion and pancreatic islets cell proliferation were not given emphasis. Down regulation of DA content in brain regions and pancreatic islets were observed during pancreatic regeneration. Up regulation of DA content in plasma and adrenals down regulated sympathetic activity in pancreas which cause an increase in insulin secretion and pancreatic islets cell proliferation during pancreatic regeneration. There was a differential regulation of DA D2 receptor in brain regions. The pancreatic islets DA D2 receptors were lip regulated during pancreatic regeneration. DA D2 receptor activation at specific concentration has accounted for increased pancreatic islets cell proliferation. In vitro experiments have proved the differential regulation of DA on insulin synthesis and pancreatic islets cell proliferation. Inhibitory effect of DA on cAMP and stimulatory effect of DA on IP3 through DA D2 receptors were observed in in vitro cell culture system. These effects are correlating with the DA, cAMP and IP3 content during pancreatic regeneration and islets cell proliferation. Up regulation of intracellular Ca2+ was also observed at 10-8 M DA, a specific concentration of DA which showed maximum increase of IP3 content in pancreatic islets through DA D2 receptor activation in in vitro culture. These in vitro data was highly correlating with the changes in DA, cAMP and IP3 content in pancreas during pancreatic regeneration and insulin secretion. Thus we conclude that there is a differential functional regulation of DA and DA D2 receptors in brain and pancreas during pancreatic regeneration. In vitro studies confirmed a concentration depend functional regulation of DA through DA D2 receptors on pancreatic islets cell proliferation and insulin secretion mediated through increased cAMP, IP3 and intracellular Ca2+ level. This will have immense clinical significance in the management in diabetes mellitus.

GABAA and GABAB Receptor Gene Expression and Functional Regulation During Pancreatic Regeneration and Insulin Secretion in Rats

The present study demonstrate the functional alterations of the GABAA and GABAB receptors and the gene expression during the regeneration of pancreas following partial pancreatectomy. The role of these receptors in insulin secretion and pancreatic DNA synthesis using the specific agonists and antagonists also are studied in vitro. The alterations of GABAA and GABAR receptor function and gene expression in the brain stem, crebellum and hypothalamus play an important role in the sympathetic regulation of insulin secretion during pancreatic regeneration. Previous studies have given much information linking functional interaction between GABA and the peripheral nervous system. The involvement of specific receptor subtypes functional regulation during pancreatic regeneration has not given emphasis and research in this area seems to be scarce. We have observed a decreased GABA content, down regulation of GABAA receptors and an up regulation of GABAB receptors in the cerebral cortex, brain stem and hypothalamus. Real Time-PCR analysis confirmed the receptor data in the brain regions. These alterations in the GABAA and GABAB receptors of the brain are suggested to govern the regenerative response and growth regulation of the pancreas through sympathetic innervation. In addition, receptor binding studies and Real Time-PCR analysis revealed that during pancreatic regeneration GABAA receptors were down regulated and GABAB receptors were up regulated in pancreatic islets. This suggests an inhibitory role for GABAA receptors in islet cell proliferation i.e., the down regulation of this receptor facilitates proliferation. Insulin secretion study during 1 hour showed GABA has inhibited the insulin secretion in a dose dependent manner in normal and hyperglycaemic conditions. Bicuculline did not antagonize this effect. GABAA agonist, muscimol inhibited glucose stimulated insulin secretion from pancreatic islets except in the lowest concentration of 1O-9M in presence of 4mM glucose.Musclmol enhanced insulin secretion at 10-7 and 10-4M muscimol in presence of 20mM glucose- 4mM glucose represents normal and 20mM represent hyperglycaemic conditions. GABAB agonist, baclofen also inhibited glucose induced insulin secretion and enhanced at the concentration of 1O-5M at 4mM glucose and at 10-9M baclofen in presence of 20mM glucose. This shows a differential control of the GABAA and GABAB receptors over insulin release from the pancreatic islets. During 24 hours in vitro insulin secretion study it showed that low concentration of GABA has inhibited glucose stimulated insulin secretion from pancreatic islets. Muscimol, the GABAA agonist, inhibited the insulin secretion but, gave an enhanced secretion of insulin in presence of 4mM glucose at 10-7 , 10-5 and 1O-4M muscimol. But in presence of 20mM glucose muscimol significantly inhibited the insulin secretion. GABAB agonist, baclofen also inhibited glucose induced insulin secretion in presence of both 4mM and 20mM glucose. This shows the inhibitory role of GABA and its specific receptor subtypes over insulin synthesis from pancreatic bete-islets. In vitro DNA synthesis studies showed that activation of GABAA receptor by adding muscimol, a specific agonist, inhibited islet DNA synthesis. Also, the addition of baclofen, a specific agonist of GABAB receptor resulted in the stimulation of DNA synthesis.Thus the brain and pancreatic GABAA and GABAB receptor gene expression differentially regulates pancreatic insulin secretion and islet cell proliferation during pancreatic regeneration. This will have immense clinical significance in therapeutic applications in the management of Diabetes mellitus.

Dopamine Receptor Subtypes,IP3, cAMP and cGMP Functional Regulation in Parkinsonism Induced by Unilateral Infusion of Rotenone in Rats: Recovery with Bone Marrow Cells,Serotonin and GABA Supplementation

In the present study, the effects of 5-HT, GABA and Bone Marrow Cells infused intranigrally to substantia nigra individually and in combinations on unilateral rotenone infused Parkinsonism induced rats. Scatchard analysis of DA, DA D1 and D2 receptors in the corpus striatum, cerebral cortex, cerebellum, brain stem and hippocampus showed a significant increase in the Brain regions of rotenone infused rat compared to control. Real Time PCR amplification of DA D1, D2, Bax and ubiquitin carboxy-terminal hydrolase were up regulated in the brain regions of rotenone infused rats compared to control. Gene expression studies of -Synuclien, cGMP and Cyclic AMP response element-binding protein showed a significant down regulation in Rotenone infused rats compared to control. Behavioural studies were carried out to confirm the biochemical and molecular studies.Our study demonstrated that BMC administration alone cannot reverse the above said molecular changes occurring in PD rat. 5-HT and GABA acting through their specific receptors in combination with bone marrow cells play a crucial role in the functional recovery of PD rats. 5-HT, GABA and Bone marrow cells treated PD rats showed significant reversal to control in DA receptor binding and gene expression. 5-HT and GABA have co-mitogenic property. Proliferation and differentiation of cells re-establishing the connections in Parkinson's disease facilitates the functional recovery. Thus, it is evident that 5-HT and GABA along with BMC to rotenone infused rats renders protection against oxidative, related motor and cognitive deficits which makes them clinically significant for cellbased therapy. The BMC transformed to neurons when co-transplanted with 5-HT and GABA which was confirmed with PKH2GL and nestin. These newly formed neurons have functional significance in the therapeutic recovery of Parkinson’s disease.

Muscarinic M1 and M3 Receptors,IP3 and cGMP Functional Regulation in Streptozotocin Induced Diabetic Rats: Insulin and Somatotropin Induced Rejuvenation as a Function of Age

The present study describes that acetylcholine through muscarinic Ml and M3 receptors play an important role in the brain function during diabetes as a function of age. Cholinergic activity as indicated by acetylcholine esterase, a marker for cholinergic function, decreased in the brain regions - the cerebral cortex, brainstem and corpus striatum of old rats compared to young rats. in diabetic condition, it was increased in both young and old rats in cerebral cortex, and corpus striatum while in brainstem it was decreased. The functional changes in the muscarinic receptors were studied in the brain regions and it showed that muscarinic M I receptors of old rats were down regulated in cerebral cortex while in corpus striatum and brainstem it was up regulated. Muscarinic M3 receptors of old rats showed no significant change in cerebral cortex while in corpus striatum and brainstem muscarinic receptors were down regulated. During diabetes, muscarinic M I receptors were down regulated in cerebral cortex and brainstem of young rats while in corpus striatum they were up regulated. In old rats, M I receptors were up regulated in cerebral cortex, corpus striatum and in brainstem they were down regulated. Muscarinic M3 receptors were up regulated in cerebral cortex and brainstem of young rats while in corpus striatum they were down regulated. In old rats, muscarinic M l receptors were up regulated in cerebral cortex, corpus striatum and brainstem. In insulin treated diabetic rats the activity of the receptors were reversed to near control. Pancreatic muscarinic M3 receptor activity increased in the pancreas of both young and old rats during diabetes. In vitro studies using carbachol and antagonists for muscarinic Ml and M3 receptor subtypes confirmed the specific receptor mediated neurotransmitter changes during diabetes. Calcium imaging studies revealed muscarinic M I mediated Ca2 + release from the pancreatic islet cells of young and old rats. Electrophysiological studies using EEG recording in young and old rats showed a brain activity difference during diabetes. Long term low dose STH and INS treated rat brain tissues were used for gene expression of muscarinic Ml, M3, glutamate NMDARl, mGlu-5,alpha2A, beta2, GABAAa1 and GABAB, DAD2 and 5-HT 2C receptors to observe the neurotransmitter receptor functional interrelationship for integrating memory, cognition and rejuvenating brain functions in young and old. Studies on neurotransmitter receptor interaction pathways and gene expression regulation by second messengers like IP3 and cGMP in turn will lead to the development of therapeutic agents to manage diabetes and brain activity.From this study it is suggested that functional improvement of muscarinic Ml, M3, glutamate NMDAR1, mGlu-5, alpha2A, beta2, GABAAa1 and GABAB, DAD2 and 5-HT 2C receptors mediated through IP3 and cGMP will lead to therapeutic applications in the management of diabetes. Also, our results from long term low dose STH and INS treatment showed rejuvenation of the brain function which has clinical significance in maintaining healthy period of life as a function of age.