Localization of visual stimuli after striate cortex damage in monkeys: parallels with human blindsight.

Blindsight is a phenomenon in which human patients with damage to striate cortex deny any visual sensation in the resultant visual field defect but can nonetheless detect and localize stimuli when persuaded to guess. Although monkeys with striate lesions have also been shown to exhibit some residual vision, it is not yet clear to what extent the residual capacities in monkeys parallel the phenomenon of human blindsight. To clarify this issue, we trained two monkeys with unilateral lesions of striate cortex to make saccadic eye movements to visual targets in both hemifields under two conditions. In the condition analogous to clinical perimetry, they failed to initiate saccades to targets presented in the contralateral hemifield and thus appeared "blind." Only in the condition where the fixation point was turned off simultaneously with the onset of the target--signaling the animal to respond at the appropriate time--were monkeys able to localize targets contralateral to the striate lesion. These results indicate that the conditions under which residual vision is demonstrable are similar for monkeys with striate cortex damage and humans with blindsight.

Illusory contours activate specific regions in human visual cortex: evidence from functional magnetic resonance imaging.

The neural basis for perceptual grouping operations in the human visual system, including the processes which generate illusory contours, is fundamental to understanding human vision. We have employed functional magnetic resonance imaging to investigate these processes noninvasively. Images were acquired on a GE Signa 1.5T scanner equipped for echo planar imaging with an in-plane resolution of 1.5 x 1.5 mm and slice thicknesses of 3.0 or 5.0 mm. Visual stimuli included nonaligned inducers (pacmen) that created no perceptual contours, similar inducers at the corners of a Kanizsa square that created illusory contours, and a real square formed by continuous contours. Multiple contiguous axial slices were acquired during baseline, visual stimulation, and poststimulation periods. Activated regions were identified by a multistage statistical analysis of the activation for each volume element sampled and were compared across conditions. Specific brain regions were activated in extrastriate cortex when the illusory contours were perceived but not during conditions when the illusory contours were absent. These unique regions were found primarily in the right hemisphere for all four subjects and demonstrate that specific brain regions are activated during the kind of perceptual grouping operations involved in illusory contour perception.

Functional activation of the human ventrolateral frontal cortex during mnemonic retrieval of verbal information.

Regional cerebral blood flow was measured with positron emission tomography during the performance of a verbal free recall task, a verbal paired associate task, and tasks that required the production of verbal responses either by speaking or writing. Examination of the differences in regional cerebral blood flow between these conditions demonstrated that the left ventrolateral frontal cortical area 45 is involved in the recall of verbal information from long-term memory, in addition to its contribution to speech. The act of writing activated a network of areas involving posterior parietal cortex and sensorimotor areas but not ventrolateral frontal cortex.

Inhibitory influence of frontal cortex on locus coeruleus neurons.

The functional influence of the frontal cortex (FC) on the noradrenergic nucleus locus coeruleus (LC) was studied in the rat under ketamine anesthesia. The FC was inactivated by local infusion of lidocaine or ice-cold Ringer's solution while recording neuronal activity simultaneously in FC and LC. Lidocaine produced a transient increase in activity in FC, accompanied by a decrease in LC unit and multiunit activity. This was followed by a total inactivation of FC and a sustained increase in firing rate of LC neurons. Subsequent experiments revealed antidromic responses in the FC when stimulation was applied to the LC region. The antidromic responses in FC were found in a population of neurons (about 8%) restricted to the dorsomedial area, FR2. The results indicate that there is a strong inhibitory influence of FC on the tonic activity of LC neurons. The antidromic responses in FC to stimulation of the LC region suggest that this influence is locally mediated, perhaps through interneurons within the nucleus or neighboring the LC.

Parameters affecting conscious versus unconscious visual discrimination with damage to the visual cortex (V1).

When the visual (striate) cortex (V1) is damaged in human subjects, cortical blindness results in the contralateral visual half field. Nevertheless, under some experimental conditions, subjects demonstrate a capacity to make visual discriminations in the blind hemifield (blindsight), even though they have no phenomenal experience of seeing. This capacity must, therefore, be mediated by parallel projections to other brain areas. It is also the case that some subjects have conscious residual vision in response to fast moving stimuli or sudden changes in light flux level presented to the blind hemifield, characterized by a contentless kind of awareness, a feeling of something happening, albeit not normal seeing. The relationship between these two modes of discrimination has never been studied systematically. We examine, in the same experiment, both the unconscious discrimination and the conscious visual awareness of moving stimuli in a subject with unilateral damage to V1. The results demonstrate an excellent capacity to discriminate motion direction and orientation in the absence of acknowledged perceptual awareness. Discrimination of the stimulus parameters for acknowledged awareness apparently follows a different functional relationship with respect to stimulus speed, displacement, and stimulus contrast. As performance in the two modes can be quantitatively matched, the findings suggest that it should be possible to image brain activity and to identify the active areas involved in the same subject performing the same discrimination task, both with and without conscious awareness, and hence to determine whether any structures contribute uniquely to conscious perception.

Lesion-induced reorganization in the brainstem is not completely expressed in somatosensory cortex.

Electrophysiological and neuroanatomical methods were used to determine the extent to which neonatal forelimb removal altered the organization of the cuneate nucleus and representations of the fore- and hindlimbs in the primary somatosensory cortex of adult rats. Neonatal forelimb removal resulted in invasion of the cuneate nucleus by sciatic nerve primary afferents and development of cuneothalamic projection neurons with split receptive fields that included both the hindlimb and forelimb stump. Mapping in the primary somatosensory cortex of the neonatally manipulated adult rats demonstrated abnormalities, but the major change observed in the cuneate nucleus was demonstrable at only a few (5%) cortical recording sites in the remaining stump representation and there were none at all in the hindlimb representation. These results suggest that lesion-induced brainstem reorganization may be functionally suppressed at either the thalamic or cortical level.

Theory of orientation tuning in visual cortex.

The role of intrinsic cortical connections in processing sensory input and in generating behavioral output is poorly understood. We have examined this issue in the context of the tuning of neuronal responses in cortex to the orientation of a visual stimulus. We analytically study a simple network model that incorporates both orientation-selective input from the lateral geniculate nucleus and orientation-specific cortical interactions. Depending on the model parameters, the network exhibits orientation selectivity that originates from within the cortex, by a symmetry-breaking mechanism. In this case, the width of the orientation tuning can be sharp even if the lateral geniculate nucleus inputs are only weakly anisotropic. By using our model, several experimental consequences of this cortical mechanism of orientation tuning are derived. The tuning width is relatively independent of the contrast and angular anisotropy of the visual stimulus. The transient population response to changing of the stimulus orientation exhibits a slow "virtual rotation." Neuronal cross-correlations exhibit long time tails, the sign of which depends on the preferred orientations of the cells and the stimulus orientation.

Pleasant sweeping grooming touch in rhesus monkey: effects on autonomic nervous system and its codification in posterior insular and secondary somatosensory cortex

Il tatto assume un'importanza fondamentale nella vita quotidiana, in quanto ci permette di discriminare le caratteristiche fisiche di un oggetto specifico, di identificarlo e di eventualmente integrare le suddette informazioni tattili con informazioni provenienti da altri canali sensoriali. Questa è la componente sensoriale-discriminativa del tatto. Tuttavia quotidianamente il tatto assume un ruolo fondamentale durante le diverse interazioni sociali, positive, come quando abbracciamo o accarezziamo una persona con cui abbiamo un rapporto affettivo e negative, per esempio quando allontaniamo una persona estranea dal nostro spazio peri-personale. Questa componente è la cosiddetta dimensione affettiva-motivazionale, la quale determina la codifica della valenza emotiva che l'interazione assume. Questa componente ci permette di creare, mantenere o distruggere i legami sociali in relazione al significato che il tocco assume durante l'interazione. Se per esempio riceviamo una carezza da un familiare, questa verrà percepita come piacevole e assumerà un significato affiliativo. Questo tipo di tocco è comunente definito come Tocco Sociale (Social Touch). Gli aspetti discriminativi del tatto sono stati ben caratterizzati, in quanto storicamente, il ruolo del tatto è stato considerato quello di discriminare le caratteristiche di ciò che viene toccato, mentre gli aspetti affettivi sono stati solo recentemente indagati considerando la loro importanza nelle interazioni sociali. Il tocco statico responsabile dell'aspetto discriminante attiva a livello della pelle le grandi fibre mieliniche (Aβ), modulando a livello del sistema nervoso centrale le cortecce sensoriali, sia primarie che secondarie. Questo permette la codifica a livello del sistema nervoso centrale delle caratteristiche fisiche oggettive degli oggetti toccati. Studi riguardanti le caratteristiche del tocco affiliativo sociale hanno messo in evidenza che suddetta stimolazione tattile 1) è un particolare tocco dinamico che avviene sul lato peloso delle pelle con una velocità di 1-10 cm/sec; 2) attiva le fibre amieliniche (fibre CT o C-LTMRs); 3) induce positivi effetti autonomici, ad esempio la diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca; e 4) determina la modulazione di regioni cerebrali coinvolte nella codifica del significato affiliativo dello stimolo sensoriale periferico, in particolare la corteccia insulare. Il senso del tatto, con le sue due dimensioni discriminativa e affiliativa, è quotidianamente usato non solo negli esseri umani, ma anche tra i primati non umani. Infatti, tutti i primati non umani utilizzano la componente discriminativa del tatto per identificare gli oggetti e il cibo e l'aspetto emotivo durante le interazioni sociali, sia negative come durante un combattimento, che positive, come durante i comportamenti affiliativi tra cui il grooming. I meccanismi di codifica della componente discriminativa dei primati non umani sono simili a quelli umani. Tuttavia, si conosce ben poco dei meccanismi alla base della codifica del tocco piacevole affiliativo. Pur essendo ben noto che i meccanorecettori amilienici C-LTMRs sono presenti anche sul lato peloso della pelle dei primati non umani, attualmente non ci sono studi riguardanti la correlazione tra il tocco piacevole e la loro modulazione, come invece è stato ampiamente dimostrato nell'uomo. Recentemente è stato ipotizzato (Dunbar, 2010) il ruolo delle fibre C-LTMRs durante il grooming, in particolare durante il cosiddetto swepping. Il grooming è costituito da due azioni motorie, lo sweeping e il picking che vengono eseguite in modo ritmico. Durante lo sweeping la scimmia agente muove il pelo della scimmia ricevente con un movimento a mano aperta, per poter vedere il preciso punto della pelle dove eseguire il picking, ovvero dove prendere la pelle a livello della radice del pelo con le unghie dell'indice e del pollice e tirare per rimuovere parassiti o uova di parassiti e ciò che è rimasto incastrato nel pelo. Oltre il noto ruolo igenico, il grooming sembra avere anche una importante funzione sociale affiliativa. Come la carezza nella società umana, cosi il grooming tra i primati non umani è considerato un comportamento. Secondo l'ipotesi di Dunbar l'attivazione delle C-LTMRs avverrebbe durante lo sweeping e questo porta a supporre che lo sweeping, come la carezza umana, costituisca una componente affiliativa del grooming, determinando quindi a contribuire alla sua codifica come comportamento sociale. Fino ad ora non vi è però alcuna prova diretta a sostegno di questa ipotesi. In particolare, 1) la velocità cui viene eseguito lo sweeping è compatibile con la velocità di attivazione delle fibre CT nell'uomo e quindi con la velocità tipica della carezza piacevole di carattere sociale affiliativo (1-10 cm/sec)?; 2) lo sweeping induce la stessa modulazione del sistema nervoso autonomo in direzione della modulazione del sistema vagale, come il tocco piacevole nell'uomo, attraverso l'attivazione delle fibre CT?; 3) lo sweeping modula la corteccia insulare, cosi come il tocco piacevole viene codificato come affiliativo nell'uomo mediante le proiezioni delle fibre CT a livello dell'insula posteriore? Lo scopo del presente lavoro è quella di testare l'ipotesi di Dunbar sopra citata, cercando quindi di rispondere alle suddette domande. Le risposte potrebbero consentire di ipotizzare la somiglianza tra lo sweeping, caratteristico del comportamento affiliativo di grooming tra i primati non umani e la carezza. In particolare, abbiamo eseguito 4 studi pilota. Nello Studio 1 abbiamo valutato la velocità con cui viene eseguito lo sweeping tra scimmie Rhesus, mediante una analisi cinematica di video registrati tra un gruppo di scimmie Rhesus. Negli Studi 2 e 3 abbiamo valutato gli effetti sul sistema nervoso autonomo dello sweeping eseguito dallo sperimentatore su una scimmia Rhesus di sesso maschile in una tipica situazione sperimentale. La stimolazione tattile è stata eseguita a diverse velocità, in accordo con i risultati dello Studio 1 e degli studi umani che hanno dimostrato la velocità ottimale e non ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs. In particolare, nello Studio 2 abbiamo misurato la frequenza cardiaca e la variabilità di questa, come indice della modulatione vagale, mentre nello Studio 3 abbiamo valutato gli effetti dello sweeping sul sistema nervoso autonomo in termini di variazioni di temperatura del corpo, nello specifico a livello del muso della scimmia. Infine, nello Studio 4 abbiamo studiato il ruolo della corteccia somatosensoriale secondaria e insulare nella codifica dello sweeping. A questo scopo abbiamo eseguito registrazioni di singoli neuroni mentre la medesima scimmia soggetto sperimentale dello Studio 2 e 3, riceveva lo sweeping a due velocità, una ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs secondo gli studi umani e i risultati dei tre studi sopra citati, ed una non ottimale. I dati preliminari ottenuti, dimostrano che 1) (Studio 1) lo sweeping tra scimmie Rhesus viene eseguito con una velocità media di 9.31 cm/sec, all'interno dell'intervallo di attivazione delle fibre CT nell'uomo; 2) (Studio 2) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina una diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca se eseguito alla velocità di 5 e 10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 1 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina l'aumento della frequenza cardiaca e la diminuzione della variabilità di questa, quindi il decremento dell'attivazione del sistema nervoso parasimpatico; 3) (Studio 3) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina l'aumento della temperatura corporea a livello del muso della scimmia se eseguito alla velocità di 5-10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 5 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina la diminuzione della temperatura del muso; 4) (Studio 4) la corteccia somatosensoriale secondaria e la corteccia insulare posteriore presentano neuroni selettivamente modulati durante lo sweeping eseguito ad una velocità di 5-13 cm/sec ma non neuroni selettivi per la codifica della velocità dello sweeping minore di 5 cm/sec. Questi risultati supportano l'ipotesi di Dunbar relativa al coinvolgimento delle fibre CT durante lo sweeping. Infatti i dati mettono in luce che lo sweeping viene eseguito con una velocità (9.31 cm/sec), simile a quella di attivazione delle fibre CT nell'uomo (1-10 cm/sec), determina gli stessi effetti fisiologici positivi in termini di frequenza cardiaca (diminuzione) e variabilità della frequenza cardiaca (incremento) e la modulazione delle medesime aree a livello del sistema nervoso centrale (in particolare la corteccia insulare). Inoltre, abbiamo dimostrato per la prima volta che suddetta stimolazione tattile determina l'aumento della temperatura del muso della scimmia. Il presente studio rappresenta la prima prova indiretta dell'ipotesi relativa alla modulazione del sistema delle fibre C-LTMRs durante lo sweeping e quindi della codifica della stimolazione tattile piacevole affiliativa a livello del sistema nervoso centrale ed autonomo, nei primati non umani. I dati preliminari qui presentati evidenziano la somiglianza tra il sistema delle fibre CT dell'uomo e del sistema C-LTMRs nei primati non umano, riguardanti il Social Touch. Nonostante ciò abbiamo riscontrato alcune discrepanze tra i risultati da noi ottenuti e quelli invece ottenuti dagli studi umani. La velocità media dello sweeping è di 9.31 cm / sec, rasente il limite superiore dell’intervallo di velocità che attiva le fibre CT nell'uomo. Inoltre, gli effetti autonomici positivi, in termini di battito cardiaco, variabilità della frequenza cardiaca e temperatura a livello del muso, sono stati evidenziati durante lo sweeping eseguito con una velocità di 5 e 10 cm/sec, quindi al limite superiore dell’intervallo ottimale che attiva le fibre CT nell’uomo. Al contrario, lo sweeping eseguito con una velocità inferiore a 5 cm/sec e superiore a 10 cm/sec determina effetti fisiologici negativo. Infine, la corteccia insula sembra essere selettivamente modulata dallo stimolazione eseguita alla velocità di 5-13 cm/sec, ma non 1-5 cm/sec. Quindi, gli studi sul sistema delle fibre CT nell’uomo hanno dimostrato che la velocità ottimale è 1-10 cm/sec, mentre dai nostri risultati la velocità ottimale sembra essere 5-13 cm / sec. Quindi, nonostante l'omologia tra il sistema delle fibre CT nell'umano deputato alla codifica del tocco piacevole affiliativo ed il sistema delle fibre C-LTMRs nei primati non umani, ulteriori studi saranno necessari per definire con maggiore precisione la velocità ottimale di attivazione delle fibre C-LTMR e per dimostrare direttamente la loro attivazione durante lo sweeping, mediante la misurazione diretta della loro modulazione. Studi in questa direzione potranno confermare l'omologia tra lo sweeping in qualità di tocco affiliativo piacevole tra i primati non umani e la carezza tra gli uomini. Infine, il presente studio potrebbe essere un importante punto di partenza per esplorare il meccanismo evolutivo dietro la trasformazione dello sweeping tra primati non umani, azione utilitaria eseguita durante il grooming, a carezza, gesto puramente affiliativo tra gli uomini.

Role of the monkey ventrolateral prefrontal cortex in the integration of contextual information for the selection and understanding of goal-directed actions

Action selection and organization are very complex processes that need to exploit contextual information and the retrieval of previously memorized information, as well as the integration of these different types of data. On the basis of anatomical connection with premotor and parietal areas involved in action goal coding, and on the data about the literature it seems appropriate to suppose that one of the most candidate involved in the selection of neuronal pools for the selection and organization of intentional actions is the prefrontal cortex. We recorded single ventrolateral prefrontal (VLPF) neurons activity while monkeys performed simple and complex manipulative actions aimed at distinct final goals, by employing a modified and more strictly controlled version of the grasp-to-eat(a food pellet)/grasp-to-place(an object) paradigm used in previous studies on parietal (Fogassi et al., 2005) and premotor neurons (Bonini et al., 2010). With this task we have been able both to evaluate the processing and integration of distinct (visual and auditory) contextual sequentially presented information in order to select the forthcoming action to perform and to examine the possible presence of goal-related activity in this portion of cortex. Moreover, we performed an observation task to clarify the possible contribution of VLPF neurons to the understanding of others’ goal-directed actions. Simple Visuo Motor Task (sVMT). We found four main types of neurons: unimodal sensory-driven, motor-related, unimodal sensory-and-motor, and multisensory neurons. We found a substantial number of VLPF neurons showing both a motor-related discharge and a visual presentation response (sensory-and-motor neurons), with remarkable visuo-motor congruence for the preferred target. Interestingly the discharge of multisensory neurons reflected a behavioural decision independently from the sensory modality of the stimulus allowing the monkey to make it: some encoded a decision to act/refraining from acting (the majority), while others specified one among the four behavioural alternatives. Complex Visuo Motor Task (cVMT). The cVMT was similar to the sVMT, but included a further grasping motor act (grasping a lid in order to remove it, before grasping the target) and was run in two modalities: randomized and in blocks. Substantially, motor-related and sensory-and-motor neurons tested in the cVMTrandomized were activated already during the first grasping motor act, but the selectivity for one of the two graspable targets emerged only during the execution of the second grasping. In contrast, when the cVMT was run in block, almost all these neurons not only discharged during the first grasping motor act, but also displayed the same target selectivity showed in correspondence of the hand contact with the target. Observation Task (OT). A great part of the neurons active during the OT showed a firing rate modulation in correspondence with the action performed by the experimenter. Among them, we found neurons significantly activated during the observation of the experimenter’s action (action observation-related neurons) and neurons responding not only to the action observation, but also to the presented cue stimuli (sensory-and-action observation-related neurons. Among the neurons of the first set, almost the half displayed a target selectivity, with a not clear difference between the two presented targets; Concerning to the second neuronal set, sensory-and-action related neurons, we found a low target selectivity and a not strictly congruence between the selectivity exhibited in the visual response and in the action observation.

Estudo de alterações estruturais cerebrais em pacientes com esquizofrenia crônica e de primeiro episódio através de imagens por ressonância magnética com morfometria baseada no voxel

Introdução: Embora alterações estruturais cerebrais na esquizofrenia venham sendo repetidamente demonstradas em estudos de ressonância magnética (RM), ainda permanece incerto se tais alterações são estáticas ou progressivas. Enquanto estudos longitudinais são tradicionalmente utilizados na avaliação da questão da progressão, estudos transversais de neuroimagem comparando diretamente pacientes com esquizofrenia crônica e de primeiro episódio a controles saudáveis têm sido bastante raros até o presente. Com o recente interesse em meganálises combinando dados multicêntricos de RM visando-se a maior poder estatístico, o presente estudo multicêntrico de morfometria baseada no voxel (VBM) foi realizado para avaliar os padrões de alterações estruturais cerebrais segundo os diferentes estágios da doença, bem como para avaliar quais (se alguma) dessas alterações se correlacionariam especificamente a moderadores clínicos potenciais, tais como exposição cumulativa a antipsicóticos, tempo de doença e gravidade da doença. Métodos: Selecionou-se uma ampla amostra de pacientes com esquizofrenia (161, sendo 99 crônicos e 62 de primeiro episódio) e controles (151) a partir de quatro estudos prévios de RM (1,5T) realizados na mesma região do Brasil. O processamento e análise das imagens foi realizado usando-se o software Statistical Parametric Mapping (SPM8) com emprego do algoritmo DARTEL (diffeomorphic anatomical registration through exponentiated Lie algebra). Os efeitos de grupo sobre os volumes regionais de substância cinzenta (SC) foram analisados através de comparações voxel-a-voxel por análises de covariância em modelos lineares gerais, inserindo-se, em todas as análises, o volume total de SC, protocolo do scanner, idade e sexo como variáveis de confusão. Por fim, foram realizadas análises de correlação entre os aludidos moderadores clínicos potenciais e os volumes cerebrais globais e regionais. Resultados: Os pacientes com esquizofrenia de primeiro episódio apresentaram reduções volumétricas sutis em comparação aos controles, em um circuito neural circunscrito e identificável apenas em análises SVC (small volume correction) [p < 0.05, com correção family-wise error (FWE)], incluindo a ínsula, estruturas têmporo-límbicas e corpo estriado. Os pacientes crônicos, por outro lado, apresentaram um padrão de alterações extensas comparativamente aos controles, envolvendo os córtices frontais orbitais, superiores e inferiores bilateralmente, córtex frontal médio direito, ambos os córtices cingulados anteriores, ambas as ínsulas, e os córtices temporais superior e médio direitos (p < 0.05, análises whole-brain com correção FWE). Foram encontradas correlações negativas significantes entre exposição cumulativa a antipsicóticos e volumes globais de SC e substância branca nos pacientes com esquizofrenia, embora as correlações com reduções regionais não tenham sido significantes. Detectaram-se, ainda, correlações negativas significantes entre tempo de doença e volumes regionais relativos da ínsula esquerda, córtex cingulado anterior direito e córtices pré-frontais dorsolaterais nas análises SVC para os grupos conjuntos (esquizofrenia crônica e de primeiro episódio). Conclusão: Os achados supracitados indicam que: a) as alterações estruturais associadas com o diagnóstico de esquizofrenia são mais disseminadas na forma crônica em comparação à de primeiro episódio; b) reduções volumétricas regionais em áreas específicas do cérebro podem variar em função do tempo de doença; c) a exposição cumulativa a antipsicóticos associou-se a alterações volumétricas globais, e não regionais

The Impact of Prefrontal Cortex "Warm Up" on Immediate Cognitive Reappraisal Ability in Older Adolescents with Elevated Symptoms of Depression

Cognitive Reappraisal (CR) is a central component of Cognitive Behavioral Therapy for adolescent depression. Yet, previous research indicates that a brain region highly associated with successful CR in adults, the Prefrontal Cortex (PFC), is not fully developed until early adulthood. Thus, there is growing concern that CBT interventions directed at building CR abilities in depressed teens might be constrained by PFC immaturity. However, CR is an effective strategy for regulating affect. The current study evaluated an intervention aimed at enhancing CR performance through PFC “warm up” with a working memory task. Additionally, the study examined moderators of intervention response, as well as cognitive correlates of self-reported CR use. Participants included 48 older adolescents (mean age=19.1, 89% female) with elevated symptoms of depression who were randomly assigned to a lab-based WM or control activity followed by a CR task. Overall, results failed to support the effectiveness of “warm up” to augment CR performance. However, current level of depression predicted negative bias and sadness ratings after CR instructions, and this effect was qualified by an interaction with condition. The moderator analysis showed that depressive symptoms interacted with condition such that in the control condition, participants with higher depressive symptoms had significantly lower negative bias scores than individuals with lower depressive symptoms, but this pattern was not found in the experimental condition. Contrary to hypotheses, history of depression did not moderate treatment response. Additional analyses explored alternative explanations for the lack of intervention effects. There was some evidence to suggest that the WM task was frustrating and cognitively taxing. However, irritation scores and overall WM task accuracy did not predict subsequent CR performance. Lastly, multiple cognitive variables emerged as correlates of self-reported CR use, with cognitive flexibility contributing unique variance to self-reported CR use. Results pointed to new directions for improving CR performance among youth with elevated symptoms of depression.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Cortical Abnormalities in Adults and Adolescents with Major Depression based on Brain Scans from 20 Cohorts Worldwide in the ENIGMA Major Depressive Disorder Working Group

The neuro-anatomical substrates of major depressive disorder (MDD) are still not well understood, despite many neuroimaging studies over the past few decades. Here we present the largest ever worldwide study by the ENIGMA (Enhancing Neuro Imaging Genetics through Meta-Analysis) Major Depressive Disorder Working Group on cortical structural alterations in MDD. Structural T1-weighted brain magnetic resonance imaging (MRI) scans from 2148 MDD patients and 7957 healthy controls were analysed with harmonized protocols at 20 sites around the world. To detect consistent effects of MDD and its modulators on cortical thickness and surface area estimates derived from MRI, statistical effects from sites were meta-analysed separately for adults and adolescents. Adults with MDD had thinner cortical gray matter than controls in the orbitofrontal cortex (OFC), anterior and posterior cingulate, insula and temporal lobes (Cohen’s d effect sizes: −0.10 to −0.14). These effects were most pronounced in first episode and adult-onset patients (>21 years). Compared to matched controls, adolescents with MDD had lower total surface area (but no differences in cortical thickness) and regional reductions in frontal regions (medial OFC and superior frontal gyrus) and primary and higher-order visual, somatosensory and motor areas (d: −0.26 to −0.57). The strongest effects were found in recurrent adolescent patients. This highly powered global effort to identify consistent brain abnormalities showed widespread cortical alterations in MDD patients as compared to controls and suggests that MDD may impact brain structure in a highly dynamic way, with different patterns of alterations at different stages of life.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Development of the cortex in Chara.

Reprint from the Torrey Botanical Club. Bulletin v. 9. 1882. p. [37]-47.