Molecular characterization of common carp (Cyprinus carpio) Sonic Hedgehog and discovery of its maternal expression

Sonic hedgehog (Shh), one of important homologous members of the hedgehog (Hh) family in vertebrates, encodes a signaling molecule that is involved in short- or long-range patterning processes during embryogenesis. In zebrafish, maternal activity of Hh was found to be contributing to the formation of primary motoneurons. However, we found that all of the known Hh members were not maternally expressed in zebrafish. In the present study, full-length cDNA of common carp (Cyprinus carpio) Shh (cShh) was gained by degenerate reverse-transcription PCR (RT-PCR) and rapid amplification of cDNA ends. Sequence comparison shows that cShh coding sequence shares 93.4% identity with zebrafish Shh coding sequence, and their corresponding protein sequences have 91.9% similarity. Comparative analysis of Shh genomic sequences and Hh protein sequences from different species revealed that the genomic structures of Hh are conserved from invertebrate to vertebrate. In contrast to zebrafish Shh, cShh transcripts were detectable from one-cell stage by RT-PCR analysis. Whole mount in situ hybridization verified the maternal expression of Shh in common carp, which is, to our knowledge, the first report of that in vertebrates, suggesting that Shh might be responsible for the maternal Hh activity in common carp.

Neural Dynamics of Saccadic and Smooth Pursuit Eye Movement Coordination during Visual Tracking of Unpredictably Moving Targets

How does the brain use eye movements to track objects that move in unpredictable directions and speeds? Saccadic eye movements rapidly foveate peripheral visual or auditory targets and smooth pursuit eye movements keep the fovea pointed toward an attended moving target. Analyses of tracking data in monkeys and humans reveal systematic deviations from predictions of the simplest model of saccade-pursuit interactions, which would use no interactions other than common target selection and recruitment of shared motoneurons. Instead, saccadic and smooth pursuit movements cooperate to cancel errors of gaze position and velocity, and thus to maximize target visibility through time. How are these two systems coordinated to promote visual localization and identification of moving targets? How are saccades calibrated to correctly foveate a target despite its continued motion during the saccade? A neural model proposes answers to such questions. The modeled interactions encompass motion processing areas MT, MST, FPA, DLPN and NRTP; saccade planning and execution areas FEF and SC; the saccadic generator in the brain stem; and the cerebellum. Simulations illustrate the model’s ability to functionally explain and quantitatively simulate anatomical, neurophysiological and behavioral data about SAC-SPEM tracking.

Target Selection by Frontal Cortex During Coordinated Saccadic and Smooth Pursuit Eye Movement

Oculomotor tracking of moving objects is an important component of visually based cognition and planning. Such tracking is achieved by a combination of saccades and smooth pursuit eye movements. In particular, the saccadic and smooth pursuit systems interact to often choose the same target, and to maximize its visibility through time. How do multiple brain regions interact, including frontal cortical areas, to decide the choice of a target among several competing moving stimuli? How is target selection information that is created by a bias (e.g., electrical stimulation) transferred from one movement system to another? These saccade-pursuit interactions are clarified by a new computational neural model, which describes interactions among motion processing areas MT, MST, FPA, DLPN; saccade specification, selection, and planning areas LIP, FEF, SNr, SC; the saccadic generator in the brain stem; and the cerebellum. Model simulations explain a broad range of neuroanatomical and neurophysiological data. These results are in contrast with the simplest parallel model with no interactions between saccades and pursuit than common-target selection and recruitment of shared motoneurons. Actual tracking episodes in primates reveal multiple systematic deviations from predictions of the simplest parallel model, which are explained by the current model.

What the brain stem tells the frontal cortex. II. Role of the SC-MD-FEF pathway in corollary discharge.

One way we keep track of our movements is by monitoring corollary discharges or internal copies of movement commands. This study tested a hypothesis that the pathway from superior colliculus (SC) to mediodorsal thalamus (MD) to frontal eye field (FEF) carries a corollary discharge about saccades made into the contralateral visual field. We inactivated the MD relay node with muscimol in monkeys and measured corollary discharge deficits using a double-step task: two sequential saccades were made to the locations of briefly flashed targets. To make second saccades correctly, monkeys had to internally monitor their first saccades; therefore deficits in the corollary discharge representation of first saccades should disrupt second saccades. We found, first, that monkeys seemed to misjudge the amplitudes of their first saccades; this was revealed by systematic shifts in second saccade end points. Thus corollary discharge accuracy was impaired. Second, monkeys were less able to detect trial-by-trial variations in their first saccades; this was revealed by reduced compensatory changes in second saccade angles. Thus corollary discharge precision also was impaired. Both deficits occurred only when first saccades went into the contralateral visual field. Single-saccade generation was unaffected. Additional deficits occurred in reaction time and overall performance, but these were bilateral. We conclude that the SC-MD-FEF pathway conveys a corollary discharge used for coordinating sequential saccades and possibly for stabilizing vision across saccades. This pathway is the first elucidated in what may be a multilevel chain of corollary discharge circuits extending from the extraocular motoneurons up into cerebral cortex.

Neural adaptations to resistance training - Implications for movement control

It has long been believed that resistance training is accompanied by changes within the nervous system that play an important role in the development of strength. Many elements of the nervous system exhibit the potential for adaptation in response to resistance training, including supraspinal centres, descending neural tracts, spinal circuitry and the motor end plate connections between motoneurons and muscle fibres. Yet the specific sites of adaptation along the neuraxis have seldom been identified experimentally, and much of the evidence for neural adaptations following resistance training remains indirect. As a consequence of this current lack of knowledge, there exists uncertainty regarding the manner in which resistance training impacts upon the control and execution of functional movements. We aim to demonstrate that resistance training is likely to cause adaptations to many neural elements that are involved in the control of movement, and is therefore likely to affect movement execution during a wide range of tasks.

Urotensin II in the central nervous system of the frog Rana ridibunda: Immunohistochemical localization and biochemical characterization

Urotensin II (UII) is traditionally regarded as a product of the neurosecretory cells in the caudal portion of the spinal cord of jawed fishes. A peptide related to UII has been recently isolated from the frog brain, thereby providing the first evidence that UII is also present in the central nervous system of a tetrapod. In the present study, we have investigated the distribution of UII-immunoreactive elements in the brain and spinal cord of the frog Rana ridibunda by immunofluorescence using an antiserum directed against the conserved cyclic region of the peptide. Two distinct populations of UII-immunoreactive perikarya were visualized. The first group of positive neurons was found in the nucleus hypoglossus of the medulla oblongata, which controls two striated muscles of the tongue. The second population of immunoreactive cell bodies was represented by a subset of motoneurons that were particularly abundant in the caudal region of the cord (34% of the motoneuron population). The telencephalon, diencephalon, mesencephalon, and metencephalon were totally devoid of UII-containing cell bodies but displayed dense networks of UII-immunoreactive fibers, notably in the thalamus, the tectum, the tegmentum, and the granular layer of the cerebellum. In addition, a dense bundle of long varicose processes projecting rostrocaudally was observed coursing along the ventral surface of the brain from the midtelencephalon to the medulla oblongata. Reversed-phase high-performance liquid chromatography analysis of frog brain, medulla oblongata, and spinal cord extracts revealed that, in all three regions, UII-immunoreactive material eluted as a single peak which exhibited the same retention time as synthetic frog UII. Taken together, these data indicate that UII, in addition to its neuroendocrine functions in fish, is a potential regulatory peptide in the central nervous system of amphibians. (C) 1996 Wiley-Liss, Inc.

Mechanisms of long-term modulation of synaptic transmission in crayfish

Please consult the paper edition of this thesis to read. It is available on the 5th Floor of the Library at Call Number: Z 9999 B56 M68 2007

Sleep bruxism is associated with a rise in blood pressure

Objectifs : Le bruxisme survenant au cours du sommeil est un trouble du mouvement caractérisé par du grincement de dents et l’activité rythmique des muscles masticateurs (ARMM). Le bruxisme/ARMM est souvent associé à des mouvements du corps et des à éveils corticaux. Une séquence d’activation précède le ARMM/bruxisme. Ces événements incluent une augmentation des variables suivants : l’activité sympathique (-4 minutes), les activités encéphalographique (-4 second), le fréquence cardiaque, l’amplitude de la respiration (-1 second) et l’activité des muscle suprahyoïdiens (-0.8 second). La présente étude a examiné l’association entre le bruxisme et les changements de la pression artérielle. Méthodes: Dix sujets avec le bruxisme (5 hommes, 5 femmes, âge moyen = 26 ± 1,8) ont complétés 3 nuits de polysomnographie qui comprenait l'enregistrement non invasive de la pression artérielle. La première nuit a servi de dépistage et d’habituation au laboratoire. L'analyse a été réalisée sur les deuxièmes et troisièmes nuits enregistrements. Seuls les épisodes de bruxisme isolés survenant au cours du stade 2 du sommeil ont été utilisés pour l’analyse, pour un total de 65 épisodes. Les mesures des pressions systolique et diastolique ont été prises 20 battements avant et 23 battements après l'apparition de chaque épisode bruxisme lors du sommeil. Les épisodes de bruxisme ont été classés comme suit: 1) bruxisme avec éveil cortical; 2) bruxisme avec mouvement du corps (MC), 3) bruxisme avec éveil cortical et MC. Une quatrième catégorie, bruxisme seul, a également été analysée, mais utilisée comme donnée préliminaire puisque la catégorie se composait de seulement 4 épisodes de bruxisme. Résultats: Les deux pressions systolique et diastolique ont augmenté avec les épisodes de bruxisme. Cette augmentation a été statistiquement significative pour la pression systolique et diastolique pour les épisodes de bruxisme avec éveil cortical et/ou MC (p ≤ 0,05). L’augmentation moyenne de la pression (systolique / diastolique ± SE) a été : 28,4 ± 2,4/13,2 ± 1,5 mm Hg pour le bruxisme avec éveil cortical; 30,7 ± 1,6/19.4 ± 2.3 mm Hg pour bruxisme avec MC; 26.4 ± 2,8 / 14,6 ± 2.0mm Hg pour bruxisme avec éveil cortical et MC; 22,9 ± 5,2/12,4 ± 3,3mm Hg pour les épisodes de bruxisme seuls. Conclusion: Le bruxisme du sommeil est associé à des hausses de la pression artérielle pendant le sommeil. Cette hausse est supérieure dans les épisodes de bruxisme associés à un éveil cortical et / ou MC, qui sont souvent associés avec les événements bruxisme. Ces résultats sont en accord avec nos observations antérieures, où le bruxisme est précédé par une augmentation de l'activité sympathique et de la tachycardie sinusale.

Modulation de la neurogénèse par la glycine

Les vertébrés, du poisson à l'homme, possèdent un potentiel membranaire médié en partie par les ions chlorure (Cl-). L’une des premières formes d’activité neuronale lors du développement est la dépolarisation médiée par les ions chlorures extrudés par les canaux glycinergiques (GlyR) et GABAergiques. Cette dépolarisation est rendu possible grâce à l’expression retardée du co-transporteur d’ions chlorure et de potassium KCC2 lors du développement qui génère un gradient hyperpolarisant postnatalement chez les mammifères. Le rôle de cette dépolarisation précoce paradoxale durant le développement est inconnu. En injectant l’ARNm de KCC2 dans des embryons de poissons zébrés nouvellement fertilisé, nous avons devancé l’expression de ce co-transporteur rendant ainsi la glycine hyperpolarisante dans tous les neurones dès les premières phases du développement. Nous avons aussi ciblé le récepteur glycinergique directement en bloquant son activité et son expression à l’aide d’une drogue spécifique, la strychnine et d’un morpholino antisens (Knockdown). Dans les trois cas (KCC2, strychnine et GlyR KD), les perturbations de l’activité neuronale ont provoqués des erreurs dans la neurogenèse, en particulier une diminution du nombre d’interneurones sans avoir d’effets sur les motoneurones et les neurones sensoriels. De plus, en bloquant les canaux calciques activés à bas voltage dans le développement avec la drogue nifedipine, il y a des erreurs dans la neurogénèse semblables à celles remarquées dans les trois conditions précédentes. Nous concluons que la dépolarisation précoce par la glycine permet l’entrée du calcium et l’activation de la neurogénèse chez les interneurones.

Expression des cotransporteurs cation-chlorure KCC2 et NKCC1 au cours du développement de la moelle épinière de l’opossum Monodelphis domestica

L’inhibition est nécessaire à la génération d’outputs coordonnés entre muscles antagonistes lors de la locomotion. Une baisse de la concentration neuronale en ions chlorure au cours du développement des mammifères conduit à l’émergence de l’inhibition. Cette baisse repose sur l’équilibre entre deux cotransporteurs cation-chlorure, KCC2 et NKCC1. KCC2 expulse Cl- de la cellule alors que NKCC1 pompe Cl- dans la cellule. L’opossum Monodelphis domestica naît dans un état très immature. Le seul comportement locomoteur qu’il présente à la naissance consiste en des mouvements rythmiques et alternés des membres antérieurs pour grimper le long du ventre de la mère vers une tétine. Les membres postérieurs sont des bourgeons immobiles dont le développement est en grande partie postnatal. Pour cette raison, cette espèce constitue un modèle idéal pour l’étude du développement locomoteur. Afin d’étudier les mécanismes conduisant à l’émergence de l’inhibition durant le développement moteur, nous avons décrit l’expression développementale de KCC2 et NKCC1 chez l’opossum postnatal par immunohistochimie au niveau des renflements spinaux. Les motoneurones et afférences primaires ont été identifiés en utilisant un marquage rétrograde au TRDA. Le marquage pour KCC2 et NKCC1 est détecté dans la moelle épinière ventrale dans la matière grise et blanche présomptive dès la naissance, ce qui suggère que l’inhibition serait déjà mise en place avant la naissance, permettant subséquemment l’alternance des membres antérieurs observée chez les nouveau-nés. L’expression développementale de KCC2 et NKCC1 suit des gradients ventrodorsal et médiolatéral, tels qu’observés chez les rongeurs (rats et souris). Le patron mature d’expression de ces cotransporteurs est observé aux alentours de la 5ème semaine postnatale lorsque la locomotion de l’opossum est mature. Enfin, entre la naissance et P5, les dendrites exprimant KCC2 au niveau de la corne dorsale sont retrouvées en apposition aux afférences primaires ce qui suggère un rôle de KCC2 dans la formation des circuits sensori-moteurs.

Caractérisation spatiale des syncytia formés par le couplage des astrocytes du noyau sensoriel principal du nerf trijumeau en fonction de la concentration de calcium extracellulaire.

Le mouvement masticatoire est généré et coordonné par un générateur de patron central (GPC) situé au niveau du pont. Plusieurs résultats antérieurs de notre laboratoire soutiennent que le réseau de neurones à l’origine de la rythmogénèse est situé dans le noyau sensoriel principal du nerf trijumeau (NVsnpr). Ces mêmes expériences révèlent que des diminutions de la concentration calcique extracellulaire ([Ca2+]e) tiennent une place importante dans la génération des bouffées de décharges des neurones de cette région. Notre laboratoire tente de vérifier si la contribution des astrocytes à l’homéostasie de la concentration calcique extracellulaire est impliquée dans la genèse du rythme. Cette étude a pour but la caractérisation spatiale du syncytium astrocytaire au sein du NVsnpr dorsal et l’étude de l’effet de la [Ca2+]e sur les propriétés astrocytaires électrophysiologiques et de connectivité. Nous avons utilisés pour ce faire la technique d’enregistrement par patch-clamp sur une préparation en tranche de tronc cérébral de rat. Nous démontrons ici que la diminution de la [Ca2+]e n’affecte pas les propriétés électrophysiologiques astrocytaires, mais induit une augmentation de la taille du syncytium. De plus, nous établissons l’existence au sein du NVsnpr dorsal d’une organisation anatomofonctionnelle du réseau astrocytaire calquée sur l’organisation neuronale.

Génération de lignées de poissons zébrés exprimant le gène muté TARDBP

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative due à une dégénérescence des motoneurones. Plus de 40 mutations du gène TARDBP ont été identifiées chez des patients SLA. Les défauts biochimiques de ces mutations étant encore inconnus, les modèles animaux sont présentement la seule mesure possible d’un phénotype. Pour étudier les conséquences physiopathologiques d’une de ces mutations, nous avons développé deux lignées transgéniques de poisson zébré, exprimant le gène humain TARDBP soit de type sauvage, soit avec la mutation G348C liée à la SLA, sous le contrôle d’un promoteur de choc thermique. Ces lignées ont été étudiées sur trois générations, après avoir établi un protocole de choc thermique induisant une expression ubiquitaire du transgène. Les embryons transgéniques de la génération F2 de la lignée exprimant la mutation développent un phénotype moteur suite à un choc thermique de 38.5°C pendant 30 minutes lorsque les embryons sont à 18 heures post-fertilisation. 60% des embryons ont une réponse anormale au toucher. De plus, une réduction de 28% de la longueur de pré-branchement des axones des motoneurones est observée. Ces résultats indiquent que notre lignée exprimant la protéine mutante TDP-43 est un modèle génétique de la SLA prometteur, qui ouvre des perspectives pour la compréhension de la physiopathologie de la maladie et la découverte de molécules thérapeutiques.

Organisation et modulation du réseau neuronal de la respiration chez la lamproie.

Les mécanismes neuronaux contrôlant la respiration sont présentement explorés à l’aide de plusieurs modèles animaux incluant le rat et la grenouille. Nous avons utilisé la lamproie comme modèle animal nous permettant de caractériser les réseaux de neurones du tronc cérébral qui génèrent et modulent le rythme respiratoire. Nous avons d’abord caractérisé une nouvelle population de neurones, dans le groupe respiratoire paratrigéminal (pTRG), une région du tronc cérébral essentielle à la genèse du rythme respiratoire chez la lamproie. Les neurones de cette région sont actifs en phase avec le rythme respiratoire. Nous avons montré que ces neurones possèdent une arborisation axonale complexe, incluant des projections bilatérales vers les groupes de motoneurones du tronc cérébral qui activent les branchies ainsi que des connexions reliant les pTRG de chaque côté du tronc cérébral. Ces résultats montrent que le pTRG contient un groupe de cellules qui active les motoneurones respiratoires des deux côtés et qui pourrait être impliqué dans la synchronisation bilatérale du rythme respiratoire. Nous avons ensuite étudié les mécanismes neuronaux par lesquels le rythme respiratoire est augmenté en lien avec l’effort physique. Nous avons montré que la région locomotrice du mésencéphale (MLR), en plus de son rôle dans la locomotion, active les centres respiratoires pendant la nage, et même en anticipation. Les neurones de la MLR projetant vers les centres locomoteurs et respiratoires sont ségrégés anatomiquement, les neurones localisés plus dorsalement étant ceux qui possèdent des projections vers les centres respiratoires. Nous avons aboli la contribution de la partie dorsale de la MLR aux changements respiratoires en injectant des bloqueurs des récepteurs glutamatergiques localement, sur des préparations semi-intactes. Nous avons montré que lors d’épisodes de nage, une majeure partie de l’effet respiratoire est abolie par ces injections, suggérant un rôle prépondérant des neurones de cette région dans l’augmentation respiratoire pendant la locomotion. Nos résultats confirment que le rythme respiratoire est généré par une région rostrolatérale du pons de la lamproie et montrent que des connexions des centres locomoteurs arrivent directement à cette région et pourraient être impliquées dans l’augmentation respiratoire reliée à l’effort physique.

Effet de l’expansion palatine sur le bruxisme du sommeil chez des enfants en comparant des appareils d’expansion palatine rapide collé ou bagué

Introduction : Le bruxisme du sommeil est un désordre du mouvement décrit comme un mouvement involontaire de la mastication durant le sommeil. Cette parafonction est observée dans 14-38% de la population pédiatrique. Un lien a été trouvé entre les événements respiratoires et les épisodes de bruxisme. L’expansion palatine rapide (EPR) est un traitement orthopédique effectué chez les enfants en croissance pour régler un manque transverse squelettique du maxillaire supérieur. Quelques études ont observé que l’apnée obstructive du sommeil a été diminuée par un traitement d’expansion palatine rapide. Objectifs : Étant donné que le bruxisme est en lien avec des événements respiratoires et que l’expansion palatine rapide augmente la dimension des cavités nasales, l’objectif de la présente étude est d’évaluer la possible réduction du bruxisme après le traitement d’expansion rapide. Méthodes : Ce projet pilote est une étude clinique randomisée contrôlée de patients consécutifs qui a inclus 27 enfants (8-14 ans, 8 garçons et 19 filles) avec ou sans bruxisme du sommeil. Tous ces patients sont venus à la clinique d’orthodontie de l’Université de Montréal et présentaient un manque transverse du maxillaire supérieur (au moins 5 mm). Dans le cadre de l’étude, les patients devaient passer un enregistrement polysomnographique ambulatoire avant le traitement d’expansion palatine (T0) et après l’activation de l’appareil d’expansion (T1). Résultats : Les résultats démontrent une diminution du bruxisme chez 60% (9 patients) de nos patients bruxeurs. L’interaction entre le traitement et les groupes (Br et Ctl) s’est avérée significative (p=0,05 ANOVA mesures répétées), et démontre une diminution du bruxisme chez les bruxeurs (p=0,04, t-test paire). Les médianes (min, max) du groupe avec bruxisme sont passées de 3,11 (2,06; 7,68) à 2,85 (0,00; 9,51). Les paramètres de sommeil sont restés stables (Stade N1/N2/N3, REM, efficacité du sommeil), ainsi que les paramètres respiratoires et le ronflement. Conclusion : Une réduction du bruxisme a été observée lors de cette étude, mais un échantillonnage plus grand est nécessaire pour conclure.

Role of corticospinal influences in post-stroke spasticity

Chez les personnes post-AVC (Accident Vasculaire Cérébral), spasticité, faiblesse et toute autre coactivation anormale proviennent de limitations dans la régulation de la gamme des seuils des réflexes d'étirement. Nous avons voulu savoir si les déficits dans les influences corticospinales résiduelles contribuaient à la limitation de la gamme des seuils et au développement de la spasticité chez les patients post-AVC. La stimulation magnétique transcranienne (SMT) a été appliquée à un site du cortex moteur où se trouvent les motoneurones agissant sur les fléchisseurs et extenseurs du coude. Des potentiels évoqués moteurs (PEM) ont été enregistrés en position de flexion et d'extension du coude. Afin d'exclure l'influence provenant de l'excitabilité motoneuronale sur l'évaluation des influences corticospinales, les PEM ont été suscités lors de la période silencieuse des signaux électromyographiques (EMG) correspondant à un bref raccourcissement musculaire juste avant l'enclenchement de la SMT. Chez les sujets contrôles, il y avait un patron réciproque d'influences corticospinales (PEM supérieurs en position d'extension dans les extenseurs et vice-versa pour les fléchisseurs). Quant à la plupart des sujets post-AVC ayant un niveau clinique élevé de spasticité, la facilitation corticospinale dans les motoneurones des fléchisseurs et extenseurs était supérieure en position de flexion (patron de co-facilitation). Les résultats démontrent que la spasticité est associée à des changements substantiels des influences corticospinales sur les motoneurones des fléchisseurs et des extenseurs du coude.