Comprendre l’interaction entre la douleur et le système moteur : une étude novatrice combinant la stimulation magnétique transcrânienne et l’électroencéphalographie

Résumé : L’interaction entre la douleur et le système moteur est bien connue en clinique et en réadaptation. Il est sans surprise que la douleur est un phénomène considérablement invalidant, affectant la qualité de vie de ceux et celles qui en souffrent. Toutefois, les bases neurophysiologiques qui sous-tendent cette interaction demeurent, encore aujourd’hui, mal comprises. Le but de la présente étude était de mieux comprendre les mécanismes corticaux impliqués dans l’interaction entre la douleur et le système moteur. Pour ce faire, une douleur expérimentale a été induite à l’aide d’une crème à base de capsaïcine au niveau de l’avant-bras gauche des participants. L'effet de la douleur sur la force des projections corticospinales ainsi que sur l’activité cérébrale a été mesuré à l’aide de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de l’électroencéphalographie (EEG), respectivement. L’analyse des données EEG a permis de révéler qu'en présence de douleur aiguë, il y a une augmentation de l’activité cérébrale au niveau du cuneus central (fréquence têta), du cortex dorsolatéral préfrontal gauche (fréquence alpha) ainsi que du cuneus gauche et de l'insula droite (toutes deux fréquence bêta), lorsque comparée à la condition initiale (sans douleur). Également, les analyses démontrent une augmentation de l'activité du cortex moteur primaire droit en présence de douleur, mais seulement chez les participants qui présentaient simultanément une diminution de leur force de projections corticales (mesurée avec la TMS t=4,45, p<0,05). Ces participants ont également montré une plus grande connectivité entre M1 et le cuneus que les participants dont la douleur n’a pas affecté la force des projections corticospinales (t=3,58, p<0,05). Ces résultats suggèrent qu’une douleur expérimentale induit, chez certains individus, une altération au niveau des forces de projections corticomotrices. Les connexions entre M1 et le cuneus seraient possiblement impliquées dans la survenue de ces changements corticomoteurs.

Análisis de la neurogénesis cortical en el desarrollo cerebral de ratones carentes del receptor de ácido lisofosfatídico LPA1

El ácido lisofosfatídico (LPA) es un fosfolípido sencillo con propiedades de señalización extracelular mediadas por receptores de membrana específicos acoplados a proteínas G. Actualmente se conocen hasta 6 tipos de receptores diferentes para el LPA. El receptor LPA1 se expresa en la zona neurogénica del cerebro en desarrollo, en la zona ventricular (VZ), lo que sugiere su implicación en la neurogénesis. A pesar de los numerosos estudios farmacológicos que han aportado datos de los efectos del LPA en el sistema nervioso central (SNC) utilizando modelos in vitro, no es sino hasta que se dispuso de animales carentes del receptor, cuando se avanzó en el estudio de la función específica del receptor. Los primeros ratones obtenidos que permitían el estudio de pérdida de función del receptor LPA1 mostraron una alta mortalidad perinatal pero abrían una puerta excelente a nuevos estudios de caracterización del SNC en ausencia de vías específicas de señalización por LPA. En el presente trabajo se muestran resultados que demuestran una función destacada del receptor LPA1 en los precursores neuronales corticales durante el desarrollo cerebral, resultantes del análisis de la neurogénesis en una variante, que hemos venido a denominar Málaga, de un ratón nulo para-LPA1. Esta variante surge de forma espontánea durante la expansión de la colonia original y porta un fenotipo con defectos observables en el SNC, a la vez que muestra una viabilidad perinatal casi completa, lo que ha permitido su caracterización. Nuestros resultados muestran alteraciones significativas en la neurogénesis cortical embrionaria, en el patrón proliferativo de la zona ventricular, afectando al tipo de división y la posterior diferenciación, con expresión de marcadores neuronales de forma prematura en la capa cortical y alteración de la expresión de factores de transcripción. Estos defectos de la neurogénesis en ausencia de la vía de señalización por LPA1 se asocian con defectos en el patrón migratorio neuronal, indicativos de alteraciones de tipo estructural y funcional, y que generan, en última instancia, una reducción del grosor de la pared cortical y del número de neuronas en diferentes capas corticales, especialmente las profundas donde se detecta, además, un nivel inusualmente mayor de apoptosis. Los resultados que mostramos en esta memoria reflejan, con ello, la necesidad del receptor LPA1 para el desarrollo normal cerebral y acentúan el importante papel que el modelo de animal nulo para LPA1 de la variedad Málaga ha representado para el estudio de la señalización mediada por este receptor. A la fecha actual, el uso de este ratón ha permitido un avance muy significativo en el campo y sigue siendo objeto de estudio por nuestro grupo de investigación y por diferentes colaboradores a nivel nacional e internacional.

EFFECTS OF AGING ON MIDBRAIN AND CORTICAL SPEECH-IN-NOISE PROCESSING

Older adults frequently report that they can hear what they have been told but cannot understand the meaning. This is particularly true in noisy conditions, where the additional challenge of suppressing irrelevant noise (i.e. a competing talker) adds another layer of difficulty to their speech understanding. Hearing aids improve speech perception in quiet, but their success in noisy environments has been modest, suggesting that peripheral hearing loss may not be the only factor in the older adult’s perceptual difficulties. Recent animal studies have shown that auditory synapses and cells undergo significant age-related changes that could impact the integrity of temporal processing in the central auditory system. Psychoacoustic studies carried out in humans have also shown that hearing loss can explain the decline in older adults’ performance in quiet compared to younger adults, but these psychoacoustic measurements are not accurate in describing auditory deficits in noisy conditions. These results would suggest that temporal auditory processing deficits could play an important role in explaining the reduced ability of older adults to process speech in noisy environments. The goals of this dissertation were to understand how age affects neural auditory mechanisms and at which level in the auditory system these changes are particularly relevant for explaining speech-in-noise problems. Specifically, we used non-invasive neuroimaging techniques to tap into the midbrain and the cortex in order to analyze how auditory stimuli are processed in younger (our standard) and older adults. We will also attempt to investigate a possible interaction between processing carried out in the midbrain and cortex.

Unwrapping microcomputed tomographic images for measuring cortical osteolytic lesions in the 5T2 murine model of myeloma treated by bisphosphonate

International audience

Double incretin receptor knock-out (DIRKO) mice present with alterations of trabecular and cortical micromorphology and bone strength.

International audience

The impact of mechanical compression on cortical microtubules in Arabidopsis: a quantitative pipeline

Exogenous mechanical perturbations on living tissues are commonly used to investigate whether cell effectors can respond to mechanical cues. However, in most of these experiments, the applied mechanical stress and/or the biological response are described only qualitatively. We developed a quantitative pipeline based on microindentation and image analysis to investigate the impact of a controlled and prolonged compression on microtubule behaviour in the Arabidopsis shoot apical meristem, using microtubule fluorescent marker lines. We found that a compressive stress, in the order of magnitude of turgor pressure, induced apparent microtubule bundling. Importantly, that response could be reversed several hours after the release of compression. Next, we tested the contribution of microtubule severing to compression-induced bundling: microtubule bundling seemed less pronounced in the katanin mutant, in which microtubule severing is dramatically reduced. Conversely, some microtubule bundles could still be observed 16 hours after the release of compression in the spiral2 mutant, in which severing rate is instead increased. To quantify the impact of mechanical stress on anisotropy and orientation of microtubule arrays, we used the nematic tensor based FibrilTool ImageJ/Fiji plugin. To assess the degree of apparent bundling of the network, we developed several methods, some of which were borrowed from geostatistics. The final microtubule bundling response could notably be related to tissue growth velocity that was recorded by the indenter during compression. Because both input and output are quantified, this pipeline is an initial step towards correlating more precisely the cytoskeleton response to mechanical stress in living tissues.

The Impact of Motor Learning on Motor Behavior and Cortical Dynamics in a Complex Stressful Social Environment

An economy of effort is a core characteristic of highly skilled motor performance often described as being effortless or automatic. Electroencephalographic (EEG) evaluation of cortical activity in elite performers has consistently revealed a reduction in extraneous associative cortical activity and an enhancement of task-relevant cortical processes. However, this has only been demonstrated under what are essentially practice-like conditions. Recently it has been shown that cerebral cortical activity becomes less efficient when performance occurs in a stressful, complex social environment. This dissertation examines the impact of motor skill training or practice on the EEG cortical dynamics that underlie performance in a stressful, complex social environment. Sixteen ROTC cadets participated in head-to-head pistol shooting competitions before and after completing nine sessions of skill training over three weeks. Spectral power increased in the theta frequency band and decreased in the low alpha frequency band after skill training. EEG Coherence increased in the left frontal region and decreased in the left temporal region after the practice intervention. These suggest a refinement of cerebral cortical dynamics with a reduction of task extraneous processing in the left frontal region and an enhancement of task related processing in the left temporal region consistent with the skill level reached by participants. Partitioning performance into ‘best’ and ‘worst’ based on shot score revealed that deliberate practice appears to optimize cerebral cortical activity of ‘best’ performances which are accompanied by a reduction in task-specific processes reflected by increased high-alpha power, while ‘worst’ performances are characterized by an inappropriate reduction in task-specific processing resulting in a loss of focus reflected by higher high-alpha power after training when compared to ‘best’ performances. Together, these studies demonstrate the power of experience afforded by practice, as a controllable factor, to promote resilience of cerebral cortical efficiency in complex environments.

Evading Vacuum Noise: Wigner Projections or Husimi Samples?

The accuracy in determining the quantum state of a system depends on the type of measurement performed. Homodyne and heterodyne detection are the two main schemes in continuous-variable quantum information. The former leads to a direct reconstruction of the Wigner function of the state, whereas the latter samples its Husimi Q function. We experimentally demonstrate that heterodyne detection outperforms homodyne detection for almost all Gaussian states, the details of which depend on the squeezing strength and thermal noise.

Functional, clustered, feedforward, and mesoscale brain networks

The brain is a network spanning multiple scales from subcellular to macroscopic. In this thesis I present four projects studying brain networks at different levels of abstraction. The first involves determining a functional connectivity network based on neural spike trains and using a graph theoretical method to cluster groups of neurons into putative cell assemblies. In the second project I model neural networks at a microscopic level. Using diferent clustered wiring schemes, I show that almost identical spatiotemporal activity patterns can be observed, demonstrating that there is a broad neuro-architectural basis to attain structured spatiotemporal dynamics. Remarkably, irrespective of the precise topological mechanism, this behavior can be predicted by examining the spectral properties of the synaptic weight matrix. The third project introduces, via two circuit architectures, a new paradigm for feedforward processing in which inhibitory neurons have the complex and pivotal role in governing information flow in cortical network models. Finally, I analyze axonal projections in sleep deprived mice using data collected as part of the Allen Institute's Mesoscopic Connectivity Atlas. After normalizing for experimental variability, the results indicate there is no single explanatory difference in the mesoscale network between control and sleep deprived mice. Using machine learning techniques, however, animal classification could be done at levels significantly above chance. This reveals that intricate changes in connectivity do occur due to chronic sleep deprivation.

Análisis de anomalías gravimétricas y modelación cortical 2D de la región volcánica del Campo de Calatrava (Ciudad Real, España)

La región volcánica de Campo de Calatrava se ha interpretado como un proceso de volcanismo intraplaca desarrollado durante el Neógeno. Se han propuesto dos modelos geodinámicos contrapuestos para explicar el origen de este volcanismo: a) un proceso de rifting en un contexto extensional con un adelgazamiento localizado de corteza; b) un proceso flexural de la litosfera en un contexto compresivo débil sin adelgazamiento de corteza. El análisis de las anomalías gravimétricas de Bouguer y una modelización gravimétrica 2D a escala cortical contribuyen a discriminar entre los modelos geodinámicos propuestos para el origen del volcanismo. Los modelos gravimétricos se han constreñido en base a los estudios sísmicos profundos existentes en la zona y a la cartografía geológica regional. Los modelos gravimétricos descartan un adelgazamiento cortical, lo que cuestiona el modelo de rifting abortado y apoyan la hipótesis alternativa del proceso flexural de la litosfera en régimen compresivo débil como origen del volcanismo bético.

Relación entre atrofia cortical difusa y desempeño cognitivo : estudio en población mayor de 60 años en un hospital universitario en la ciudad de Bogotá

El presente trabajo tuvo como objetivo evaluar la existencia de la relación entre la atrofia cortical difusa objetivada por neuroimagenes cerebrales y desempeños cognitivos determinados mediante la aplicación de pruebas neuropsicológicas que evalúan memoria de trabajo, razonamiento simbólico verbal y memoria anterógrada declarativa. Participaron 114 sujetos reclutados en el Hospital Universitario Mayor Méderi de la ciudad de Bogotá mediante muestreo de conveniencia. Los resultados arrojaron diferencias significativas entre los dos grupos (pacientes con diagnóstico de atrofia cortical difusa y pacientes con neuroimagenes interpretadas como dentro de los límites normales) en todas las pruebas neuropsicológicas aplicadas. Respecto a las variables demográficas se pudo observar que el grado de escolaridad contribuye como factor neuroprotector de un posible deterioro cognitivo. Tales hallazgos son importantes para determinar protocoles tempranos de detección de posible instalación de enfermedades neurodegenerativas primarias.