Temporal changes in calcium-binding proteins in the medial geniculate nucleus of the monkey Sapajus apella

The subdivisions of the medial geniculate complex can be distinguished based on the immunostaining of calcium-binding proteins and by the properties of the neurons within each subdivision. The possibility of changes in neurochemistry in this and other central auditory areas are important aspects to understand the basis that contributing to functional variations determined by environmental cycles or the animal's cycles of activity and rest. This study investigated, for the first time, day/night differences in the amounts of parvalbumin-, calretinin- and calbindin-containing neurons in the thalamic auditory center of a non-human primate, Sapajus apella. The immunoreactivity of the PV-IR, CB-IR and CR-IR neurons demonstrated different distribution patterns among the subdivisions of the medial geniculate. Moreover, a high number of CB- and CR-IR neurons were found during day, whereas PV-IR was predominant at night. We conclude that in addition to the chemical heterogeneity of the medial geniculate nucleus with respect to the expression of calcium-binding proteins, expression also varied relative to periods of light and darkness, which may be important for a possible functional adaptation of central auditory areas to environmental changes and thus ensure the survival and development of several related functions.

Importance of the central nucleus of the amygdala on sodium intake caused by deactivation of lateral parabrachial nucleus

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Sodium intake, brain c-Fos protein and gastric emptying in cell-dehydrated rats treated with methysergide into the lateral parabrachial nucleus

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Role of alfa2-adrenoceptors in the lateral parabrachial nucleus in the control of body fluid homeostasis

Central α2-adrenoceptors and the pontine lateral parabrachial nucleus (LPBN) are involved in the control of sodium and water intake. Bilateral injections of moxonidine (α2-adrenergic/imidazoline receptor agonist) or noradrenaline into the LPBN strongly increases 0.3 M NaCl intake induced by a combined treatment of furosemide plus captopril. Injection of moxonidine into the LPBN also increases hypertonic NaCl and water intake and reduces oxytocin secretion, urinary sodium, and water excreted by cell-dehydrated rats, causing a positive sodium and water balance, which suggests that moxonidine injected into the LPBN deactivates mechanisms that restrain body fluid volume expansion. Pretreatment with specific α2-adrenoceptor antagonists injected into the LPBN abolishes the behavioral and renal effects of moxonidine or noradrenaline injected into the same area, suggesting that these effects depend on activation of LPBN α2-adrenoceptors. In fluid-depleted rats, the palatability of sodium is reduced by ingestion of hypertonic NaCl, limiting intake. However, in rats treated with moxonidine injected into the LPBN, the NaCl palatability remains high, even after ingestion of significant amounts of 0.3 M NaCl. The changes in behavioral and renal responses produced by activation of α2-adrenoceptors in the LPBN are probably a consequence of reduction of oxytocin secretion and blockade of inhibitory signals that affect sodium palatability. In this review, a model is proposed to show how activation of α2-adrenoceptors in the LPBN may affect palatability and, consequently, ingestion of sodium as well as renal sodium excretion.

Moxonidine into the lateral parabrachial nucleus reduces renal and hormonal responses to cell dehydration

The deactivation of the inhibitory mechanisms with injections of moxonidine (alpha(2)-adrenoceptor/imidazoline receptor agonist) into the lateral parabrachial nucleus (LPBN) increases hypertonic NaCl intake by intra- or extracellular dehydrated rats. In the present study, we investigated the changes in the urinary sodium and volume, sodium balance, and plasma vasopressin and oxytocin in rats treated with intragastric (i.g.) 2 M NaCl load (2 ml/rat) combined with injections of moxonidine into the LPBN. Male Holtzman rats (n=5-12/group) with stainless steel cannulas implanted bilaterally into LPBN were used. Bilateral injections of moxonidine (0.5 nmol/0.2 mu l) into the LPBN decreased i.g. 2 M NaCIinduced diuresis (4.6 +/- 0.7 vs. vehicle: 7.4 +/- 0.6 ml/120 min) and natriuresis (1.65 +/- 0.29 vs. vehicle: 2.53 +/- 0.17 mEq/120 min), whereas the previous injection of the alpha(2)-adrenoceptor antagonist RX 821002 (10 nmol/0.2 mu l) into the LPBN abolished the effects of moxonidline. Moxonidine injected into the LPBN reduced i.g. 2 M NaCl-induced increase in plasma oxytocin and vasopressin (14.6 +/- 2.8 and 2.2 +/- 0.3 vs. vehicle: 25.7 +/- 7 and 4.3 +/- 0.7 pg/ml, respectively). Moxonidine injected into the LPBN combined with i.g. 2 M NaCl also increased 0.3 M NaCl intake (7.5 +/- 1.7 vs. vehicle: 0.5 +/- 0.2 mEq/2 h) and produced positive sodium balance (2.3 +/- 1.4 vs. vehicle: -1.2 +/- 0.4 mEq/2 h) in rats that had access to water and NaCl. The present results show that LPBN alpha(2)-adrenoceptor activation reduces renal and hormonal responses to intracellular dehydration and increases sodium and water intake, which facilitates sodium retention and body fluid volume expansion. (C) 2012 IBRO. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Retinal projections and neurochemical characterization of the pregeniculate nucleus of the common marmoset (Callithrix jacchus)

In mammals, the suprachiasmatic nucleus (SCN) and the intergeniculate leaflet (IGL) are the main components of the circadian timing system. The SCN is the site of the endogenous biological clock that generates rhythms and synchronizes them to environmental cues. The IGL is a key structure that modulates SCN activity and is responsible for the transmission of non-photic information to the SCN, thus participating in the integration between photic and non-photic stimuli. Both the SCN and IGL receive projections of retinal ganglion cells and the IGL is connected to the SCN through the geniculohypothalamic tract. Little is known about these structures in the primate brain and the pregeniculate nucleus (PGN) has been suggested to be the primate equivalent of the rodent IGL. The aim of this study was to characterize the PGN of a primate, the common marmoset (Callithrix jacchus), and to analyze its retinal afferents. Here, the marmoset PGN was found to be organized into three subsectors based on neuronal size, pattern of retinal projections, and the distribution of neuropeptide Y-, GAD-, serotonin-, enkephalin- and substance P-labeled terminals. This pattern indicates that the marmoset PGN is equivalent to the IGL. This detailed description contributes to the understanding of the circadian timing system in this primate species considering the importance of the IGL within the context of circadian regulation. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Facilitation of sodium intake by combining noradrenaline into the lateral parabrachial nucleus with prazosin peripherally

Injections of noradrenaline into the lateral parabrachial nucleus (LPBN) increase arterial pressure and 1.8% NaCl intake and decrease water intake in rats treated with the diuretic furosemide (FURO) combined with a low dose of the angiotensin converting enzyme inhibitor captopril (CAP). In the present study, we investigated the influence of the pressor response elicited by noradrenaline injected into the LPBN on FURO+CAP-induced water and 1.8% NaCl intake. Male Holtzman rats with bilateral stainless steel guide-cannulas implanted into LPBN were used. Bilateral injections of noradrenaline (40 nmol/0.2 μl) into the LPBN increased FURO+CAP-induced 1.8% NaCl intake (12.2±3.5, vs., saline: 4.2±0.8 ml/180 min), reduced water intake and strongly increased arterial pressure (50±7, vs. saline: 1±1 mmHg). The blockade of the α1 adrenoceptors with the prazosin injected intraperitoneally abolished the pressor response and increased 1.8% NaCl and water intake in rats treated with FURO+CAP combined with noradrenaline injected into the LPBN. The deactivation of baro and perhaps volume receptors due to the cardiovascular effects of prazosin is a mechanism that may facilitate water and NaCl intake in rats treated with FURO+CAP combined with noradrenaline injected into the LPBN. Therefore, the activation of α2 adrenoceptors with noradrenaline injected into the LPBN, at least in dose tested, may not completely remove the inhibitory signals produced by the activation of the cardiovascular receptors, particularly the signals that result from the extra activation of these receptors with the increase of arterial pressure.

Wavelet correlation between subjects: A time-scale data driven analysis for brain mapping using fMRI

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) based on BOLD signal has been used to indirectly measure the local neural activity induced by cognitive tasks or stimulation. Most fMRI data analysis is carried out using the general linear model (GLM), a statistical approach which predicts the changes in the observed BOLD response based on an expected hemodynamic response function (HRF). In cases when the task is cognitively complex or in cases of diseases, variations in shape and/or delay may reduce the reliability of results. A novel exploratory method using fMRI data, which attempts to discriminate between neurophysiological signals induced by the stimulation protocol from artifacts or other confounding factors, is introduced in this paper. This new method is based on the fusion between correlation analysis and the discrete wavelet transform, to identify similarities in the time course of the BOLD signal in a group of volunteers. We illustrate the usefulness of this approach by analyzing fMRI data from normal subjects presented with standardized human face pictures expressing different degrees of sadness. The results show that the proposed wavelet correlation analysis has greater statistical power than conventional GLM or time domain intersubject correlation analysis. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Sample size and statistical power in the hierarchical analysis of variance: applications in morphometry of the nervous system.

Analysis of variance is commonly used in morphometry in order to ascertain differences in parameters between several populations. Failure to detect significant differences between populations (type II error) may be due to suboptimal sampling and lead to erroneous conclusions; the concept of statistical power allows one to avoid such failures by means of an adequate sampling. Several examples are given in the morphometry of the nervous system, showing the use of the power of a hierarchical analysis of variance test for the choice of appropriate sample and subsample sizes. In the first case chosen, neuronal densities in the human visual cortex, we find the number of observations to be of little effect. For dendritic spine densities in the visual cortex of mice and humans, the effect is somewhat larger. A substantial effect is shown in our last example, dendritic segmental lengths in monkey lateral geniculate nucleus. It is in the nature of the hierarchical model that sample size is always more important than subsample size. The relative weight to be attributed to subsample size thus depends on the relative magnitude of the between observations variance compared to the between individuals variance.

Frequent occurrence of nicotinic acetylcholine receptors in GABAergic neurons of the chick visual system

Double-labeling immunohistochemical methods were used to investigate the occurrence of the alpha8 and alpha5 nicotinic receptor subunits in presumptive GABAergic neurons of the chick nervous system. Nicotinic receptor immunoreactivity was often found in cells exhibiting GABA-like immunoreactivity, especially in the visual system. The alpha8 subunit appeared to be present in presumptive GABAergic cells of the ventral lateral geniculate nucleus, nucleus of the basal optic root of the accessory optic system, and the optic tectum, among several other structures. The alpha5 subunit was also found in GABA-positive neurons, as observed in the lentiform nucleus of the mesencephalon and other pretectal nuclei. The numbers of alpha8- and alpha5-positive neurons that were also GABA-positive represented high percentages of the total number of neurons containing nicotinic receptor labeling in several brain areas, which indicates that most of the alpha8 and alpha5 nicotinic receptor subunits are present in GABAergic cells. Taken together with data from other studies, our results indicate an important role of the nicotinic acetylcholine receptors in the functional organization of GABAergic circuits in the visual system.

Plasticité intermodale chez le hamster énucléé à la naissance : Études de la distribution des interneurones CaBPir dans les cortex visuel et auditif primaires.

La période postnatale et l’expérience sensorielle sont critiques pour le développement du système visuel. Les interneurones inhibiteurs exprimant l’acide γ-aminobutyrique (GABA) jouent un rôle important dans le contrôle de l’activité neuronale, le raffinement et le traitement de l’information sensorielle qui parvient au cortex cérébral. Durant le développement, lorsque le cortex cérébral est très susceptible aux influences extrinsèques, le GABA agit dans la formation des périodes critiques de sensibilité ainsi que dans la plasticité dépendante de l’expérience. Ainsi, ce système inhibiteur servirait à ajuster le fonctionnement des aires sensorielles primaires selon les conditions spécifiques d’activité en provenance du milieu, des afférences corticales (thalamiques et autres) et de l’expérience sensorielle. Certaines études montrent que des différences dans la densité et la distribution de ces neurones inhibiteurs corticaux reflètent les caractéristiques fonctionnelles distinctes entre les différentes aires corticales. La Parvalbumine (PV), la Calretinine (CR) et la Calbindine (CB) sont des protéines chélatrices du calcium (calcium binding proteins ou CaBPs) localisées dans différentes sous-populations d’interneurones GABAergiques corticaux. Ces protéines tamponnent le calcium intracellulaire de sorte qu’elles peuvent moduler différemment plusieurs fonctions neuronales, notamment l’aspect temporel des potentiels d’action, la transmission synaptique et la potentialisation à long terme. Plusieurs études récentes montrent que les interneurones immunoréactifs (ir) aux CaBPs sont également très sensibles à l’expérience et à l’activité sensorielle durant le développement et chez l’adulte. Ainsi, ces neurones pourraient avoir un rôle crucial à jouer dans le phénomène de compensation ou de plasticité intermodale entre les cortex sensoriels primaires. Chez le hamster (Mesocricetus auratus), l’énucléation à la naissance fait en sorte que le cortex visuel primaire peut être recruté par les autres modalités sensorielles, telles que le toucher et l’audition. Suite à cette privation oculaire, il y a établissement de projections ectopiques permanentes entre les collicules inférieurs (CI) et le corps genouillé latéral (CGL). Ceci a pour effet d’acheminer l’information auditive vers le cortex visuel primaire (V1) durant le développement postnatal. À l’aide de ce modèle, l’objectif général de ce projet de thèse est d’étudier l’influence et le rôle de l’activité sensorielle sur la distribution et l’organisation des interneurones corticaux immunoréactifs aux CaBPs dans les aires sensorielles visuelle et auditive primaires du hamster adulte. Les changements dans l’expression des CaBPs ont été déterminés d’une manière quantitative en évaluant les profils de distribution laminaire de ces neurones révélés par immunohistochimie. Dans une première expérience, nous avons étudié la distribution laminaire des CaBPs dans les aires visuelle (V1) et auditive (A1) primaires chez le hamster normal adulte. Les neurones immunoréactifs à la PV et la CB, mais non à la CR, sont distribués différemment dans ces deux cortex primaires dédiés à une modalité sensorielle différente. Dans une deuxième étude, une comparaison a été effectuée entre des animaux contrôles et des hamsters énucléés à la naissance. Cette étude montre que le cortex visuel primaire de ces animaux adopte une chimioarchitecture en PV similaire à celle du cortex auditif. Nos recherches montrent donc qu’une suppression de l’activité visuelle à la naissance peut influencer l’expression des CaBPs dans l’aire V1 du hamster adulte. Ceci suggère également que le type d’activité des afférences en provenance d’autres modalités sensorielles peut moduler, en partie, une circuiterie corticale en CaBPs qui lui est propre dans le cortex hôte ou recruté. Ainsi, nos travaux appuient l’hypothèse selon laquelle il serait possible que certaines de ces sous-populations d’interneurones GABAergiques jouent un rôle crucial dans le phénomène de la plasticité intermodale.

Effets de l’alcoolisme fœtal sur le développement du corps genouillé latéral du singe

L’exposition du fœtus à l’éthanol est reconnue comme étant la principale cause de maladies évitables lors du développement. Une forte exposition à l’alcool durant la gestation peut occasionner des dysmorphies cranio-faciales et des retards mentaux, ainsi que des troubles d’apprentissages et du comportement. Le développement du système visuel est également perturbé chez une grande majorité d’enfants qui ont été exposés à l’alcool. Lorsque les doses prises sont élevées, le système visuel peut présenter une panoplie de symptômes comme une augmentation de la tortuosité des vaisseaux rétiniens, de la myopie, de l’hypermétropie, du strabisme et une hypoplasie du nerf optique. Cependant, très peu d’études se sont penchées sur les effets de plus faibles doses sur le développement du système visuel du primate. Le singe est un excellent modèle pour étudier le système visuel car il possède plusieurs similitudes avec l’humain tant au niveau développemental qu’au niveau structurel. De plus, le singe utilisé, le Chlrocebus aethiops sabeus, possède l’avantage que des individus de cette espèce ont une consommation naturelle et volontaire à l’alcool. Une étude (Clarren et al., 1990) a suggéré qu’une faible exposition à l’alcool du fœtus du primate non humain occasionnait une diminution du nombre de cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). Étant donné que le corps genouillé latéral dorsal (CGLd) reçoit la plupart de ses intrants de la rétine, il est raisonnable d’assumer que les couches rétino-récipientes du CGLd devraient être aussi affectées. Nous avons alors émis l’hypothèse que le CGLd devrait également subir une diminution du nombre de neurones. Pour la première fois, nous avons utilisé une méthode stéréologique pour quantifier le nombre de cellules dans les couches parvo- (P) et magnocellulaires (M) du CGLd. Contrairement à notre hypothèse de départ, nous n’avons pas observé de diminution dans le nombre global de neurones dans le CGLd des animaux exposés à l’alcool par rapport à des sujets contrôles, ni une diminution de son volume. Nous avons toutefois observé une diminution de la taille du corps cellulaire seulement dans la population M du CGLd. Ces résultats suggèrent que le système visuel est affecté par une faible exposition à l’alcool durant son développement qui devrait se traduire sur le comportement par des déficits dans les fonctions de la voie M.

Le rôle des récepteurs aux cannabinoïdes CB1 et CB2 dans le guidage axonal

Au cours du développement, les axones des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) voyagent sur de longues distances pour établir des connexions avec leurs cellules cibles. La navigation des cônes de croissance est guidée par différentes molécules chimiotropiques présentes dans leur environnement. Les endocannabinoïdes (eCB) sont d’importants neuromodulateurs qui régulent de manière rétrograde la fonction de nombreuses synapses du cerveau. Ils agissent principalement par le biais de leurs récepteurs liés à une protéine Gi/o CB1 (CB1R) et CB2 (CB2R). La présence des eCBs durant le stade fœtal et la période postnatale suggère leur implication dans des événements régulant le développement du système nerveux. Cette thèse confirme l’expression des récepteurs aux cannabinoïdes CB1 et CB2 ainsi que l’enzyme dégradant les eCBs lors du développement embryonnaire et perinatal des CGRs et de la voie rétinothalamique in vivo. La manipulation pharmacologique de l’activité de CB1R et CB2R réorganise la morphologie du cône de croissance des CGRs et des neurones corticaux in vitro. De plus, la stimulation locale avec un agoniste de CB1R ou de CB2R modifie le comportement du cône de croissance entraînant sa répulsion. CB1R et CB2R modulent par le biais de la voie de signalisation AMPc/PKA, la mobilisation de DCC à la membrane plasmique. Par ailleurs, les résultats de cette recherche démontrent également l’implication de CB1R et CB2R dans la ségrégation des projections ipsi- et controlatérales et le développement de la voie rétinothalamique.

Modulation de l'activité de structures cérébrales sous-corticales par optogénétique

L’optogénétique est une technique prometteuse pour la modulation de l’activité neuronale. Par l’insertion d’une opsine microbienne dans la membrane plasmique de neurones et par son activation photonique, il devient possible de réguler l’activité neuronale avec une grande résolution temporelle et spatiale. Beaucoup de travaux ont été faits pour caractériser et synthétiser de nouvelles opsines. Ainsi, plusieurs variétés d’opsines sont désormais disponibles, chacune présentant des cinétiques et sensibilités à des longueurs d’onde différentes. En effet, il existe des constructions optogénétiques permettant de moduler à la hausse ou à la baisse l’activité neuronale, telles la channelrhodopsine-2 (ChR2) ou la halorhodopsine (NpHR), respectivement. Les promesses de cette technologie incluent le potentiel de stimuler une région restreinte du cerveau, et ce, de façon réversible. Toutefois, peu d’applications en ce sens ont été réalisées, cette technique étant limitée par l’absorption et la diffusion de la lumière dans les tissus. Ce mémoire présente la conception d’une fibre optique illuminant à un angle de 90° à sa sortie, capable de guider la lumière à des structures bien précises dans le système nerveux central. Nous avons conduit des tests in vivo dans le système visuel de souris transgéniques exprimant la ChR2 dans l’ensemble du système nerveux central. Dans le système visuel, les signaux rétiniens sont conduits au corps genouillé latéral (CGL) avant d’être relayés au cortex visuel primaire (V1). Pour valider la capacité de mon montage optogénétique à stimuler spécifiquement une sous-population de neurones, nous avons tiré profit de l’organisation rétinotopique existant dans le système visuel. En stimulant optogénétiquement le CGL et en tournant la fibre optique sur elle-même à l’aide d’un moteur, il devient possible de stimuler séquentiellement différentes portions de cette structure thalamique et conséquemment, différentes représentations du champ visuel. L’activation des projections thalamiques sera enregistrée au niveau de l’aire V1 à l’aide de l’imagerie optique intrinsèque, une technique qui permet d’imager les variations de la concentration d’oxygène et du volume sanguin dans le tissu neuronal, sur une grande surface corticale. Comme l’organisation rétinotopique est maintenue au niveau de l’aire V1, l’espace activé au niveau du cortex révèlera l’étendue spatiale de notre stimulation optogénétique du CGL. Les expériences in vivo démontrèrent qu’en déplaçant la fibre optique dans le CGL, il nous était possible de stimuler différents sous- ensembles de neurones dans cette structure thalamique. En conclusion, cette étude montre notre capacité à développer un système à base de fibre optique capable de stimuler optogénétiquement une population de neurone avec une grande précision spatiale.

Localization and function of the endocannabinoid system throughout the retinogeniculate pathway of vervet monkeys

Le système endocannabinoïde (eCB) est présent dans le système nerveux central (SNC) de mammifères, incluant la rétine, et est responsable de la régulation de nombreux processus physiologiques. Bien que la présence du récepteur cannabinoïde de type 1 (CB1R) a bien été documenté dans la rétine de rongeurs et primates, il y a encore une controverse quant à la présence du récepteur cannabinoïde de type 2 (CB2R) au niveau du SNC. En utilisant la microscopie confocale, nous sommes les premiers à signaler les patrons d’expression du CB2R dans la rétine de singe. Nos résultats démontrent que le CB2R est exprimé exclusivement dans les cellules de Müller de la rétine du singe. En outre, nous avons comparé les différents patrons d’expression du système eCB dans la rétine de la souris, du toupaye, ainsi que du singe vervet et macaque. Nous rapportons que les distributions de CB1R, FAAH (fatty acid amid hydrolase), MAGL (monoacylglycerol lipase) et DAGLα (diacylglycerol lipase alpha) sont hautement conservées parmi ces espèces alors que CB2R et NAPE-PLD (N-acyl phosphatidylethanolamine phospholipase D) présentent différents profils d'expression. CB2R n'a pas été détecté dans les cellules neuronales de la rétine des primates. L’immunoréactivité de NAPE-PLD est présente dans les couches de la rétine de souris et toupayes, mais a été limitée à la couche des photorécepteurs des singes vervet et macaque. Pour étudier les corrélats neuronaux et le rôle de la signalisation du système eCB dans la rétine, nous avons établi un protocole standard pour l'électrorétinographie (ERG), puis enregistré la réponse ERG de la rétine après le blocage des récepteurs avec des antagonistes spécifiques pour CB1R (AM251) et CB2R (AM630). Comparé au témoin, dans des conditions photopiques, et à certaines intensités faibles du stimulus, le blocage de CB1R diminue l'amplitude de l'onde-b, alors qu’à des intensités plus élevées, le blocage de CB2R augmente l'amplitude des deux-ondes a et b. De plus, le blocage des récepteurs cannabinoïdes provoque une augmentation de la latence des deux ondes a et b. Dans des conditions d’adaptation à l'obscurité, le blocage de CB1R et CB2R réduit l’amplitudes de l'onde a seulement à des intensités plus élevées et réduit l’onde b à intensités plus faibles. Des augmentations significatives de latence ont été observées dans les deux cas. Ces résultats indiquent que les récepteurs CB1 et CB2 chez les primates non humains sont impliqués dans la fonction rétinienne conditions photopiques. En outre, nous avons évalué le profil d'expression du CB1R, de FAAH et de NAPE-PLD au-delà de la rétine dans le corps géniculé latéral des singes et nous rapportons pour la première fois que CB1R et FAAH sont exprimés davantage dans les couches magnocellulaires. La NAPE-PLD a été localisée à travers les couches magno- et parvocellulaires. Aucune de ces composantes n’est exprimée dans les couches koniocellulaires. Ces résultats nous aident à mieux comprendre les effets des cannabinoïdes sur le système visuel qui pourraient nous mener à trouver éventuellement de nouvelles cibles thérapeutiques.