Restoring function after neuromuscular trauma: novel paradigms for enhancing volitional control of neural activity in untethered environments and vHAB, a gamified therapy platform

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Rôle de DSCAM dans le développement normal du cortex moteur et de la voie corticospinale

DSCAM est exprimé dans le cortex lors du développement et sa mutation altère l’arborisation dendritique des neurones pyramidaux du cortex moteur. Considérant que les souris DSCAM2J possèdent des problèmes posturaux et locomoteurs, nous émettons l’hypothèse que DSCAM est impliqué dans le fonctionnement normal du cortex moteur et de la voie corticospinale. Comparées aux souris contrôles, les souris DSCAM2J vont présenter des problèmes moteurs à basse vitesse et enjamber un obstacle presque normalement à vitesse intermédiaire. Le traçage antérograde de la voie corticospinale révèle un patron d’innervation normal dans le tronc cérébrale et la moelle épinière. Des microstimulations intracorticale du cortex moteur évoque des réponses électromyographiques dans les membres à un seuil et une latence plus élevé. Par contre, une stimulation de la voie corticospinale dans la médulla évoque des réponses électromyographies à un seuil et une latence similaire entre les deux groupes, suggérant une réduction de l’excitabilité du cortex moteur.

Real-time functional magnetic resonance imaging neurofeedback in motor neurorehabilitation

Purpose of review Recent developments in functional magnetic resonance imaging (fMRI) have catalyzed a new field of translational neuroscience. Using fMRI to monitor the aspects of task-related changes in neural activation or brain connectivity, investigators can offer feedback of simple or complex neural signals/patterns back to the participant on a quasireal-time basis [real-time-fMRI-based neurofeedback (rt-fMRI-NF)]. Here, we introduce some background methodology of the new developments in this field and give a perspective on how they may be used in neurorehabilitation in the future. Recent findings The development of rt-fMRI-NF has been used to promote self-regulation of activity in several brain regions and networks. In addition, and unlike other noninvasive techniques, rt-fMRI-NF can access specific subcortical regions and in principle any region that can be monitored using fMRI including the cerebellum, brainstem and spinal cord. In Parkinson’s disease and stroke, rt-fMRI-NF has been demonstrated to alter neural activity after the self-regulation training was completed and to modify specific behaviours. Summary Future exploitation of rt-fMRI-NF could be used to induce neuroplasticity in brain networks that are involved in certain neurological conditions. However, currently, the use of rt-fMRI-NF in randomized, controlled clinical trials is in its infancy.

Técnicas fisioterapêuticas utilizadas para tratar a espasticidade em indivíduos paraplégicos com lesão medular: uma revisão de literatura

Mestrado em Fisioterapia

Post-traumatic Winking Induced by Extension of the Hand: A Case Report of a Novel Synkinesis

Several synkinesis syndromes have been reported in the literature. Synkinesis syndromes are rare and are most commonly congenital or follow post-traumatic reinnervation. We describe a novel synkinesis syndrome that developed several months after cervical spinal cord infarction due to a herniated disc in a 29-year-old woman. When the patient overstretched the extensor muscles of the right hand, the right upper eyelid raised automatically and nasal congestion developed. We hypothesize that aberrant reinnervation of the intermediolateral columns of the spinal cord at level C8–T2 by motor neurons of the extensor muscles of the hand occurred.

Sonic hedgehog signaling regulates mode of cell division of early cerebral cortex progenitors and increases

The morphogen Sonic Hedgehog (SHH) plays a critical role in the development of different tissues. In the central nervous system, SHH is well known to contribute to the patterning of the spinal cord and separation of the brain hemispheres. In addition, it has recently been shown that SHH signaling also contributes to the patterning of the telencephalon and establishment of adult neurogenic niches. In this work, we investigated whether SHH signaling influences the behavior of neural progenitors isolated from the dorsal telencephalon, which generate excitatory neurons and macroglial cells in vitro. We observed that SHH increases proliferation of cortical progenitors and generation of astrocytes, whereas blocking SHH signaling with cyclopamine has opposite effects. In both cases, generation of neurons did not seem to be affected. However, cell survival was broadly affected by blockade of SHH signaling. SHH effects were related to three different cell phenomena: mode of cell division, cell cycle length and cell growth. Together, our data in vitro demonstrate that SHH signaling controls cell behaviors that are important for proliferation of cerebral cortex progenitors, as well as differentiation and survival of neurons and astroglial cells.

NFL-lipid nanocapsules for brain neural stem cell targeting in vitro and in vivo

International audience

In vivo microvascular oximetry using multispectral imaging

This thesis describes the application of multispectral imaging to several novel oximetry applications. Chapter 1 motivates optical microvascular oximetry, outlines oxygen transport in the body, describes the theory of oximetry, and describes the challenges associated with in vivo oximetry, in particular imaging through tissue. Chapter 2 reviews various imaging techniques for quantitative in vivo oximetry of the microvasculature, including multispectral and hyperspectral imaging, photoacoustic imaging, optical coherence tomography, and laser speckle techniques. Chapter 3 describes a two-wavelength oximetry study of two microvascular beds in the anterior segment of the eye: the bulbar conjunctival and episcleral microvasculature. This study reveals previously unseen oxygen diffusion from ambient air into the bulbar conjunctival microvasculature, altering the oxygen saturation of the bulbar conjunctiva. The response of the bulbar conjunctival and episcleral microvascular beds to acute mild hypoxia is quantified and the rate at which oxygen diffuses into bulbar conjunctival vessels is measured. Chapter 4 describes the development and application of a highly novel non-invasive retinal angiography technique: Oximetric Ratio Contrast Angiography (ORCA). ORCA requires only multispectral imaging and a small perturbation of blood oxygen saturation to produce angiographic sequences. A pilot study of ORCA in human subjects was conducted. This study demonstrates that ORCA can produce angiographic sequences with features such as sequential vessel filling and laminar flow. The application and challenges of ORCA are discussed, with emphasis on comparison with other angiography techniques, such as fluorescein angiography. Chapter 5 describes the development of a multispectral microscope for oximetry in the spinal cord dorsal vein of rats. Measurements of blood oxygen saturation are made in the dorsal vein of both healthy rats, and in rats with the Experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) disease model of multiple sclerosis. The venous blood oxygen saturation of EAE disease model rats was found to be significantly lower than that of healthy controls, indicating increased oxygen uptake from blood in the EAE disease model of multiple sclerosis. Chapter 6 describes the development of video-rate red eye oximetry; a technique which could enable stand-off oximetry of the blood-supply of the eye with high temporal resolution. The various challenges associated with video-rate red eye oximetry are investigated and their influence quantified. The eventual aim of this research is to track circulating deoxygenation perturbations as they arrive in both eyes, which could provide a screening method for carotid artery stenosis, which is major risk-factor for stroke. However, due to time constraints, it was not possible to thoroughly investigate if video-rate red eye can detect such perturbations. Directions and recommendations for future research are outlined.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Friedreich Ataxia

Friedreich's ataxia (FRDA) is the most common autosomal recessive hereditary ataxia in Caucasians. Neurological symptoms dominate the clinical picture. The underlying neuropathology affects the dorsal root ganglia, the spinal cord, and the deep cerebellar nuclei. In addition, most cases present a hypertrophic cardiomyopathy that may cause premature death. Other problems include a high risk of diabetes, skeletal abnormalities such as kyphoscoliosis, and pes cavus. Most patients carry a homozygous expansion of GAA trinucleotide repeat within the first intron of the FXN gene, leading to repressed transcription through epigenetic mechanisms. The encoded protein, frataxin, is localized in mitochondria and participates in the biogenesis of iron-sulfur clusters. Frataxin deficiency leads to mitochondrial dysfunction, altered iron metabolism, and oxidative damage. Thanks to progress in understanding pathogenesis and to the development of animal and cellular models, therapies targeted to correct frataxin deficiency or its downstream consequences are being developed and tested in clinical trials.

Reabilitação física de cães com hérnias de disco toracolombares

Dissertação de Mestrado Integrado em Medicina Veterinária

A Closed Loop Brain-machine Interface for Epilepsy Control Using Dorsal Column Electrical Stimulation

Although electrical neurostimulation has been proposed as an alternative treatment for drug-resistant cases of epilepsy, current procedures such as deep brain stimulation, vagus, and trigeminal nerve stimulation are effective only in a fraction of the patients. Here we demonstrate a closed loop brain-machine interface that delivers electrical stimulation to the dorsal column (DCS) of the spinal cord to suppress epileptic seizures. Rats were implanted with cortical recording microelectrodes and spinal cord stimulating electrodes, and then injected with pentylenetetrazole to induce seizures. Seizures were detected in real time from cortical local field potentials, after which DCS was applied. This method decreased seizure episode frequency by 44% and seizure duration by 38%. We argue that the therapeutic effect of DCS is related to modulation of cortical theta waves, and propose that this closed-loop interface has the potential to become an effective and semi-invasive treatment for refractory epilepsy and other neurological disorders.

Establishment of a protocol for the cryopreservation of cell sheets of adipose tissue stem cells

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2016

Reliability of infrared thermography in skin temperature evaluation of wheelchair users

To examine the reliability of infrared thermography (IRT) in wheelchair users (WCUs), as a noninvasive and risk-free technique to detect the natural thermal radiation emitted by human skin and to allow subsequent interpretations of temperature distributions.

Caractérisation d'une entité neurologique émergente au sein du cheptel ovin québécois

Cette étude vise à caractériser le «crampage», une entité relativement nouvelle dans l’industrie ovine au Québec. Les signes cliniques se manifestent au pas, par une hyperflexion (hanche, grasset, jarret), d’un ou des deux membres pelviens. Cinq agneaux naturellement affectés et cinq agneaux appariés cliniquement normaux ont été soumis à des examens physique, neurologique et orthopédique, à des techniques d’imagerie avancée (tomodensitométrie, résonance magnétique), à des tests électrodiagnostiques (électromyogramme, vitesses de conduction nerveuse motrice et sensitive) puis à une nécropsie. Des hématologies, biochimies ainsi que des analyses du liquide céphalorachidien ont également été réalisées. Les résultats ont été comparés entre les groupes (affectés/cliniquement normaux). Il a été constaté à la tomodensitométrie que la surface du canal vertébral mesurée au niveau de la deuxième vertèbre lombaire était inférieure dans le groupe des agneaux affectés (p=0.045). Aucune répercussion n’a été constatée sur le segment de moelle épinière correspondant. La racine S2, quant à elle, était plus grêle dans le groupe des agneaux affectés (p=0.01). À l’issue de cette étude, une cause orthopédique, musculaire ou neurologique consécutive à une lésion structurale de la moelle épinière a été écartée. Il pourrait s‘agir d’une atteinte sensitive de la racine S2 altérant la sensation dans le membre affecté, toutefois, une anomalie fonctionnelle cérébrale ou de la moelle épinière dans le renflement lombaire, est également à considérer. Sans anomalie musculaire, l’appellation «crampage» est inexacte. Nous proposons de la remplacer par des termes plus descriptifs comme «syndrome d’hyperflexion» ou «high stepping gait».