Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

La stabilité des réponses physiologiques face au stress psychologique telle qu’étudiée sur une période de trois ans

Le stress augmente le risque de développer des maladies cardiovasculaires (CV) ainsi que de mourir de ces maladies. Selon certaines hypothèses, ce phénomène se produirait par le biais de réponses répétés de réactivité physiologique élevée ou de récupération physiologique prolongée, suite à un épisode de stress. La stabilité à long terme des réponses physiologiques face au stress a reçu peu d’attention. Objectifs: (1) Évaluer la stabilité temporelle de la réactivité et de la récupération physiologique suite au stress, à travers l’évaluation des systèmes cardiovasculaires et nerveux autonome, et ce sur un intervalle de 3 ans. (2) Déterminer si le sexe et l'âge agissent comme des variables modératrices. Méthodologie: Un total de 134 hommes et femmes en santé ont été recrutés au sein de la communauté et ont pris part à 2 séances en laboratoire. Quatre tâches, d’une durée de 5 minutes chacune et composée d’un élément de stress interpersonnel différent, ont été administrées. Chaque tâche était suivie d’une période de récupération de 5 min. Des mesures de la fréquence cardiaque (FC), de la pression artérielle (PA) et de la variabilité de la fréquence cardiaque (VFC : HF, LF et VLF) ont été obtenues. Des corrélations de Spearman et des régressions linéaires ont été effectuées. Résultats: Des corrélations test-retest significatives ont été obtenues pour toutes les mesures physiologiques, sauf pour la PA diastolique et la VLF, lors de la période de récupération. Aucune différence significative quant à la stabilité des réponses face au stress en fonction du sexe ou de l’âge des participants, n’a été trouvée. Conclusion: Les réponses physiologiques face au stress représentent des caractéristiques individuelles stables sur trois ans, peu affectées par le sexe et l’âge.

Étude de la cinétique des pesticides pyréthrinoïdes en conditions contrôlées et en milieu de travail dans un objectif de biosurveillance

Les pyréthrinoïdes sont des insecticides largement utilisés. La population générale y est exposée par l’alimentation tandis que les travailleurs agricoles y sont exposés lors de tâches diverses en champs. Leurs effets neurotoxiques, immunitaires et endocriniens potentiels en font des composés à surveiller pour assurer la santé de la population. La mesure de biomarqueurs d’exposition, qui consiste à quantifier la concentration dans l’organisme d’une substance ou de ses métabolites, permet d’estimer les doses absorbées. Les biomarqueurs peuvent également être des molécules répondant à un stress physiologique, identifiées comme des biomarqueurs d’effets. Pour raffiner les stratégies de biosurveillance de l’exposition, on se doit de bien connaître la toxicocinétique d’un xénobiotique; actuellement, les études de biosurveillance considèrent rarement la variabilité temporelle, intra-invidivuelle et inter-individuelle, qui pourrait influencer l’estimation de l’exposition. L’objectif de la thèse est donc d’appliquer une approche cinétique pour l’évaluation de l’exposition aux pyréthrinoïdes en conditions contrôlées et en milieu de travail. Dans un volet exploratoire, l’effet de cette exposition sur des changements métaboliques précoces a également évalué. Trois métabolites finaux (cis-DCCA, trans-DCCA et 3-PBA) de deux pyréthrinoïdes les plus utilisés, soient la perméthrine et la cyperméthrine, ont été mesurés dans le plasma et l’urine de six volontaires oralement exposés à une dose équivalente à la dose de référence. Une demi-vie moyenne (t½) d’élimination apparente du trans-DCCA, cis-DCCA et 3-PBA dans le plasma de 5,1, 6,9 et 9,2 h, respectivement, a été obtenue après exposition orale à la cyperméthrine, comparativement à 7,1, 6,2 et 6,5 h après exposition à la perméthrine. Dans l’urine, la demi-vie d'élimination apparente (t½) était de 6,3, 6,4 et 6,4 h pour le trans-DCCA, cis-DCCA et 3-PBA, respectivement, après administration de la cyperméthrine comparé à 5,4, 4,5 et 5,7 h après administration de la perméthrine. Les profils temporels étaient semblables suite à l’exposition à la cyperméthrine et perméthrine. Ensuite, une étude en milieu agricole a été réalisée avec la participation de travailleurs pour évaluer leur exposition et raffiner les stratégies de biosurveillance. La variabilité intra-individuelle dans les niveaux de biomarqueurs d’exposition chez plusieurs travailleurs était plus importante que la variabilité inter-individuelle. Les échantillons urinaires ont également été utilisés pour identifier des modifications du métabolome pouvant fournir de nouveaux biomarqueurs d’effets précoces. Chez les travailleurs, une augmentation de l'hippurate urinaire (p <0,0001) a été observée après exposition aux pyréthrinoïdes, un biomarqueur de la conjugaison de l’acide benzoïque. En conclusion, cette étude a permis de mieux documenter la cinétique de biomarqueurs d’exposition aux pyréthrinoïdes dans des conditions contrôlées et réelles afin de raffiner les stratégies de biosurveillance. Elle a aussi contribué à renseigner sur les niveaux d’exposition agricole québécois et sur les paramètres professionnels associés à une plus forte exposition. Ce projet s’insère dans une démarche d’analyse de risque en santé au travail.

South-West Monsoon Rainfall of Kerala and Its Variability

This study focuses on the south –west monsoon rainfall over Kerala and its variability both on the spatial and temporal scales. The main objectives of the study are, interanual, long-term and decadal variabilities in MRF(monsoon rain fall),relationship between antecedent global circulation parameters, diurnal variability using data of a large number of stations in Kerala and the spatial distribution of rainfall under two large scale synoptic. Kerala gets nearly 190cm of rainfall during the south-west monsoon season 1st June to 30th September. This is more than twice the monsoon rainfall of India. A good part of kerala’s rainfall is caused by the orography of the Western Ghats Mountain ranges. The state receives 286cm of annual rainfall of which 68%is during the south-west monsoon season. The summer monsoon rainfall of Kerala shows a decreasing trend of 12.0%in 96 years. The study shows that the Intra Seasonal Oscillations(ISO) of the monsoon season has large interanual variability,some years having long period and other years having short period ISO. It is seen that Western Ghats has a strong control on the east west profile on the monsoon rainfall.

Studies on the Vertical Structure of Horizontal Wind Variability in the Surface Boundary Layer Over Sriharikota

The present study on the vertical structure of horizontal wind variability in the surface boundary layer over Sriharikota. Based on clock wind speed and direction measuring meteorological tower facility from seven levels in the 100 m layer. The study on wind variability and elliptical approximation of wind hodographs investigated for this tropical coastal station established that Sriharikota is of meso-scale weather entity. Wind variability ratio increases from lower levels to upper levels. In South West monsoon months the station is of high ratio values and it gets affected with meso-scale weather features like thunderstorms. Average total shears are observed greater values than scalar shears. Scalar shears are high in the lowest shear levels compared to upper levels. Semi diurnal types of oscillation in average total shears are found in south west monsoon months. During cyclonic storm passage it is observed that there can be significant difference in mean wind speed from 10 m to 100 m level, but it is not so for peak wind speeds. The variations in wind variability ratio in different months is clearly depicted its strong link to define meso-scale or synoptic –scale forcing domination for this station. Meso-scale forcing is characterized by diurnal wind variability and synoptic- scale forcing by interdiurnal wind variability.

Low Level Jet stream of Asian Summer Monsoon and its Variability

The main objective of the of present study are to study the intraseasonal variability of LLJ and its relation with convective heating of the atmosphere, to establish whether LLJ splits into two branches over the Arabian sea as widely believed, the role of horizonatal wind shear of LLJ in the episodes of intense rainfall events observed over the west coast of India, to perform atmospheric modeling work to test whether small (meso) scale vortices form during intense rainfall events along the west coast; and to study the relation between LLJ and monsoon depression genesis. The results of a study on the evolution of Low Level Jetstream (LLJ) prior to the formation of monsoon depressions are presented. A synoptic model of the temporal evolution of monsoon depression has been produced. There is a systematic temporal evolution of the field of deep convection strength and position of the LLJ axis leading to the genesis of monsoon depression. One of the significant outcomes of the present thesis is that the LLJ plays an important role in the intraseasonal and the interannual variability of Indian monsoon activity. Convection and rainfall are dependent mainly on the cyclonic vorticity in the boundary layer associated with LLJ. Monsoon depression genesis and the episodes of very heavy rainfall along the west coast of India are closely related to the cyclonic shear of the LLJ in the boundary layer and the associated deep convection. Case studies by a mesoscale numerical model (MM5) have shown that the heavy rainfall episodes along the west coast of India are associated with generation of mesoscale cyclonic vortices in the boundary layer.

Spatial and Temporal Variability of some Meteorological Parameters over Tropical Indian Ocean

The objective of the present study is to understand the spatial and temporal variability of sea surface temperature(SST), precipitable water, zonal and meridional components of wind stress over the tropical Indian Ocean to understand the different scales of variability of these features of Indian Ocean. Empirical Orthogonal Function (EOF) and wavelet analysis techniques are utilized to understand the standing oscillations and multi scale oscillations respectively. The study has been carried out over Indian Ocean and South Indian Ocean. For the present study, NCEP/NCAR(National Center for Environmental Prediction National Center for Atmospheric Research) reanalyzed daily fields of sea surface temperature, zonal and meridional surface wind components and precipitable water amount during 1960-1998 are used. The principle of EOF analysis and the methodology used for the analysis of spatial and temporal variance modes.

Generation of Variability for Salt Tolerance in Rice Using Tissue Culture Techniques

The study deals with the generation of variability for salt tolerance in rice using tissue culture techniques. Rice is the staple food of more than half of the world’s population. The management of drought, salinity and acidity in soils are all energy intensive agricultural practices. The Genetic variability is the basis of crop improvement. Somaclonal and androclonal variation can be effectively used for this purpose. In the present study, eight isozymes were studied and esterase and isocitric dehydrogenase was found to have varietal specific, developmental stage specific and stress specific banding pattern in rice. Under salt stress thickness of bands and enzyme activity showed changes. Pokkali, a moderately salt tolerant variety, had a specific band 7, which was present only in this variety and showed slight changes under stress. This band was faint in tillering and flowering stage .Based on the results obtained in the present study it is suggested that esterase could possibly be used as an isozyme marker for salt tolerance in rice. Varietal differences and stage specific variations could be detected using esterase and isocitric dehydrogenase . Moreover somaclonal and androclonal variation could be effectively detected using isozyme markers.

Studies on the Role of Tropospheric Biennial Oscillation in the Interannual Variability of Indian Summer Monsoon

The present study illustrates the biennial oscillation in different ocean-atmosphere parameters associated with interannual variability of Indian summer monsoon rainfall.It also accounts the role of different processes like ENSO, IOD, QBO and ISO in the monsoon variability during the TBO years.

Interannual Variability of Upwelling Indices in the Southeastern Arabian Sea: A Satellite Based Study

Increase in sea surface temperature with global warming has an impact on coastal upwelling. Past two decades (1988 to 2007) of satellite observed sea surface temperatures and space borne scatterometer measured winds have provided an insight into the dynamics of coastal upwelling in the southeastern Arabian Sea, in the global warming scenario. These high resolution data products have shown inconsistent variability with a rapid rise in sea surface temperature between 1992 and 1998 and again from 2004 to 2007. The upwelling indices derived from both sea surface temperature and wind have shown that there is an increase in the intensity of upwelling during the period 1998 to 2004 than the previous decade. These indices have been modulated by the extreme climatic events like El–Nino and Indian Ocean Dipole that happened during 1991–92 and 1997–98. A considerable drop in the intensity of upwelling was observed concurrent with these events. Apart from the impact of global warming on the upwelling, the present study also provides an insight into spatial variability of upwelling along the coast. Noticeable fact is that the intensity of offshore Ekman transport off 8oN during the winter monsoon is as high as that during the usual upwelling season in summer monsoon. A drop in the meridional wind speed during the years 2005, 2006 and 2007 has resulted in extreme decrease in upwelling though the zonal wind and the total wind magnitude are a notch higher than the previous years. This decrease in upwelling strength has resulted in reduced productivity too.