The role of reelin in the development and evolution of the cerebral cortex

Reelin is an extracellular matrix protein that is defective in reeler mutant mice and plays a key role in the organization of architectonic patterns, particularly in the cerebral cortex. In mammals, a "reelin signal" is activated when reelin, secreted by Cajal-Retzius neurons, binds to receptors of the lipoprotein receptor family on the surface of cortical plate cells, and triggers Dab1 phosphorylation. As reelin is a key component of cortical development in mammals, comparative embryological studies of reelin expression were carried out during cortical development in non-mammalian amniotes (turtles, squamates, birds and crocodiles) in order to assess the putative role of reelin during cortical evolution. The data show that reelin is present in the cortical marginal zone in all amniotes, and suggest that reelin has been implicated in the evolution of the radial organization of the cortical plate in the synapsid lineage leading from stem amniotes to mammals, as well as in the lineage leading to squamates, thus providing an example of homoplastic evolution (evolutionary convergence). The mechanisms by which reelin instructs radial cortical organization in these two lineages seem different: in the synapsid lineage, a drastic amplification of reelin production occurred in Cajal-Retzius cells, whereas in squamates, in addition to reelin-secreting cells in the marginal zone, a second layer of reelin-producing cells developed in the subcortex. Altogether, our results suggest that the reelin-signaling pathway has played a significant role in shaping the evolution of cortical development.

Visual maps in the adult primate cerebral cortex: some implications for brain development and evolution

In this paper, the topology of cortical visuotopic maps in adult primates is reviewed, with emphasis on recent studies. The observed visuotopic organisation can be summarised with reference to two basic rules. First, adjacent radial columns in the cortex represent partially overlapping regions of the visual field, irrespective of whether these columns are part of the same or different cortical areas. This primary rule is seldom, if ever, violated. Second, adjacent regions of the visual field tend to be represented in adjacent radial columns of a same area. This rule is not as rigid as the first, as many cortical areas form discontinuous, second-order representations of the visual field. A developmental model based on these physiological observations, and on comparative studies of cortical organisation, is then proposed, in order to explain how a combination of molecular specification steps and activity-driven processes can generate the variety of visuotopic organisations observed in adult cortex.

Topographic abnormality of slow cortical potentials in schizophrenia

A recent study from our laboratory has provided evidence for the generation of slow potentials occurring in anticipation to task-performance feedback stimuli, in multiple association cortical areas, consistently including two prefrontal areas. In the present study, we intended to determine whether these slow potentials would indicate some abnormality (topographic) in schizophrenic patients, and thus serve as an indication of abnormal association cortex activity. We recorded slow potentials while subjects performed a paired-associates memory task. A 123-channel EEG montage and common average reference were used for 20 unmedicated schizophrenic (mean duration of illness: 11.3 ± 9.2 years; mean number of previous hospitalizations: 1.2 ± 1.9) and 22 healthy control subjects during a visual paired-associates matching task. For the topographic analysis, we used a simple index of individual topographic deviation from normality, corrected for absolute potential intensities. Slow potentials were observed in all subjects. Control subjects showed a simple spatial pattern of voltage extrema (left central positive and right prefrontal negative), whereas schizophrenic patients presented a more complex, fragmented pattern. Topographic deviation was significantly different between groups (P < 0.001). The increased topographic complexity in schizophrenics could be visualized in grand averages computed across subjects. Increased topographic complexity could also be seen when grand averages were computed for subgroups of patients assembled either according to task-performance (high versus low) or by their scores on psychopathological scales. There was no significant correlation between topographic deviation and psychopathology scores. We conclude that the slow potential topographic abnormalities of schizophrenia indicate an abnormality in the configuration of large-scale electrical activity in association cortices.

Changes of ongoing activity in Cebus monkey perirhinal cortex correlate with behavioral performance

A Cebus apella monkey weighing 4 kg was trained in a saccadic eye movement task and while the animal performed the task we recorded the extracellular activity of perirhinal cortical neurons. Although the task was very simple and maintained at a constant level of difficulty, we observed considerable changes in the performance of the monkey within each experimental session. The behavioral states responsible for such variation may be related to arousal, motivation or attention of the animal while engaged in the task. In approximately 20% (16/82) of the units recorded, long-term direct or inverse correlations could be demonstrated between the monkey's behavioral state and the cells' ongoing activity (independent of the visual stimulation or of the specific behavior along a trial). The perirhinal cortex and other medial temporal structures have long been associated with normal memory function. The data presented here were interpreted in terms of recent reports focusing on the subcortical afferents to temporal lobe structures and their possible role in controlling arousal, motivation, or attention.

In vivo photorelease of GABA in the mouse cortex

Electrical stimulation has been used for more than 100 years in neuroscientific and biomedical research as a powerful tool for controlled perturbations of neural activity. Despite quickly driving neuronal activity, this technique presents some important limitations, such as the impossibility to activate or deactivate specific neuronal populations within a single stimulation site. This problem can be avoided by pharmacological methods based on the administration of receptor ligands able to cause specific changes in neuronal activity. However, intracerebral injections of neuroactive molecules inherently confound the dynamics of drug diffusion with receptor activation. Caged compounds have been proposed to circumvent this problem, for spatially and temporally controlled release of molecules. Caged compounds consist of a protecting group and a ligand made inactive by the bond between the two parts. By breaking this bond with light of an appropriate wavelength, the ligand recovers its activity within milliseconds. To test these compounds in vivo, we recorded local field potentials (LFPs) from the cerebral cortex of anesthetized female mice (CF1, 60-70 days, 20-30 g) before and after infusion with caged γ-amino-butyric-acid (GABA). After 30 min, we irradiated the cortical surface with pulses of blue light in order to photorelease the caged GABA and measure its effect on global brain activity. Laser pulses significantly and consistently decreased LFP power in four different frequency bands with a precision of few milliseconds (P < 0.000001); however, the inhibitory effects lasted several minutes (P < 0.0043). The technical difficulties and limitations of neurotransmitter photorelease are presented, and perspectives for future in vivo applications of the method are discussed.

Decreased levels of pNR1 S897 protein in the cortex of neonatal Sprague Dawley rats with hypoxic-ischemic or NMDA-induced brain damage

Our objective was to investigate the protein level of phosphorylated N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor-1 at serine 897 (pNR1 S897) in both NMDA-induced brain damage and hypoxic-ischemic brain damage (HIBD), and to obtain further evidence that HIBD in the cortex is related to NMDA toxicity due to a change of the pNR1 S897 protein level. At postnatal day 7, male and female Sprague Dawley rats (13.12 ± 0.34 g) were randomly divided into normal control, phosphate-buffered saline (PBS) cerebral microinjection, HIBD, and NMDA cerebral microinjection groups. Immunofluorescence and Western blot (N = 10 rats per group) were used to examine the protein level of pNR1 S897. Immunofluorescence showed that control and PBS groups exhibited significant neuronal cytoplasmic staining for pNR1 S897 in the cortex. Both HIBD and NMDA-induced brain damage markedly decreased pNR1 S897 staining in the ipsilateral cortex, but not in the contralateral cortex. Western blot analysis showed that at 2 and 24 h after HIBD, the protein level of pNR1 S897 was not affected in the contralateral cortex (P > 0.05), whereas it was reduced in the ipsilateral cortex (P < 0.05). At 2 h after NMDA injection, the protein level of pNR1 S897 in the contralateral cortex was also not affected (P > 0.05). The levels in the ipsilateral cortex were decreased, but the change was not significant (P > 0.05). The similar reduction in the protein level of pNR1 S897 following both HIBD and NMDA-induced brain damage suggests that HIBD is to some extent related to NMDA toxicity possibly through NR1 phosphorylation of serine 897.

Changes in tau phosphorylation levels in the hippocampus and frontal cortex following chronic stress

Studies have indicated that early-life or early-onset depression is associated with a 2- to 4-fold increased risk of developing Alzheimers disease (AD). In AD, aggregation of an abnormally phosphorylated form of the tau protein may be a key pathological event. Tau is known to play a major role in promoting microtubule assembly and stabilization, and in maintaining the normal morphology of neurons. Several studies have reported that stress may induce tau phosphorylation. The main aim of the present study was to investigate possible alterations in the tau protein in the hippocampus and frontal cortex of 32 male Sprague-Dawley rats exposed to chronic unpredictable mild stress (CUMS) and then re-exposed to CUMS to mimic depression and the recurrence of depression, respectively, in humans. We evaluated the effects of CUMS, fluoxetine, and CUMS re-exposure on tau and phospho-tau. Our results showed that a single exposure to CUMS caused a significant reduction in sucrose preference, indicating a state of anhedonia. The change in behavior was accompanied by specific alterations in phospho-tau protein levels, but fluoxetine treatment reversed the CUMS-induced impairments. Moreover, changes in sucrose preference and phospho-tau were more pronounced in rats re-exposed to CUMS than in those subjected to a single exposure. Our results suggest that changes in tau phosphorylation may contribute to the link between depression and AD.

Voluntary exercise prior to traumatic brain injury alters miRNA expression in the injured mouse cerebral cortex

MicroRNAs (miRNAs) may be important mediators of the profound molecular and cellular changes that occur after traumatic brain injury (TBI). However, the changes and possible roles of miRNAs induced by voluntary exercise prior to TBI are still not known. In this report, the microarray method was used to demonstrate alterations in miRNA expression levels in the cerebral cortex of TBI mice that were pretrained on a running wheel (RW). Voluntary RW exercise prior to TBI: i) significantly decreased the mortality rate and improved the recovery of the righting reflex in TBI mice, and ii) differentially changed the levels of several miRNAs, upregulating some and downregulating others. Furthermore, we revealed global upregulation of miR-21, miR-92a, and miR-874 and downregulation of miR-138, let-7c, and miR-124 expression among the sham-non-runner, TBI-non-runner, and TBI-runner groups. Quantitative reverse transcription polymerase chain reaction data (RT-qPCR) indicated good consistency with the microarray results. Our microarray-based analysis of miRNA expression in mice cerebral cortex after TBI revealed that some miRNAs such as miR-21, miR-92a, miR-874, miR-138, let-7c, and miR-124 could be involved in the prevention and protection afforded by voluntary exercise in a TBI model.

Effect of hyperbaric oxygenation on mitochondrial function of neuronal cells in the cortex of neonatal rats after hypoxic-ischemic brain damage

The timing and mechanisms of protection by hyperbaric oxygenation (HBO) in hypoxic-ischemic brain damage (HIBD) have only been partially elucidated. We monitored the effect of HBO on the mitochondrial function of neuronal cells in the cerebral cortex of neonatal rats after HIBD. Neonatal Sprague-Dawley rats (total of 360 of both genders) were randomly divided into normal control, HIBD, and HIBD+HBO groups. The HBO treatment began immediately after hypoxia-ischemia (HI) and continued once a day for 7 consecutive days. Animals were euthanized 0, 2, 4, 6, and 12 h post-HI to monitor the changes in mitochondrial membrane potential (ΔΨm) occurring soon after a single dose of HBO treatment, as well as 2, 3, 4, 5, 6, and 7 days post-HI to study ΔΨm changes after a series of HBO treatments. Fluctuations in ΔΨm were observed in the ipsilateral cortex in both HIBD and HIBD+HBO groups. Within 2 to 12 h after HI insult, the ΔΨm of the HIBD and HIBD+HBO groups recovered to some extent. A secondary drop in ΔΨm was observed in both groups during the 1-4 days post-HI period, but was more severe in the HIBD+HBO group. There was a secondary recovery of ΔΨm observed in the HIBD+HBO group, but not in the HIBD group, during the 5-7 days period after HI insult. HBO therapy may not lead to improvement of neural cell mitochondrial function in the cerebral cortex in the early stage post-HI, but may improve it in the sub-acute stage post-HI.

Age-related changes in ERPs associated with context-based and response-based interference

Age-related differences in information processing have often been explained through deficits in older adults' ability to ignore irrelevant stimuli and suppress inappropriate responses through inhibitory control processes. Functional imaging work on young adults by Nelson and colleagues (2003) has indicated that inferior frontal and anterior cingulate cortex playa key role in resolving interference effects during a delay-to-match memory task. Specifically, inferior frontal cortex appeared to be recruited under conditions of context interference while the anterior cingulate was associated with interference resolution at the stage of response selection. Related work has shown that specific neural activities related to interference resolution are not preserved in older adults, supporting the notion of age-related declines in inhibitory control (Jonides et aI., 2000, West et aI., 2004b). In this study the time course and nature of these inhibition-related processes were investigated in young and old adults using high-density ERPs collected during a modified Sternberg task. Participants were presented with four target letters followed by a probe that either did or did not match one of the target letters held in working memory. Inhibitory processes were evoked by manipulating the nature of cognitive conflict in a particular trial. Conflict in working memory was elicited through the presentation of a probe letter in immediately previous target sets. Response-based conflict was produced by presenting a negative probe that had just been viewed as a positive probe on the previous trial. Younger adults displayed a larger orienting response (P3a and P3b) to positive probes relative to a non-target baseline. Older adults produced the orienting P3a and 3 P3b waveforms but their responses did not differentiate between target and non-target stimuli. This age-related change in response to targetness is discussed in terms of "early selection/late correction" models of cognitive ageing. Younger adults also showed a sensitivity in their N450 response to different levels of interference. Source analysis of the N450 responses to the conflict trials of younger adults indicated an initial dipole in inferior frontal cortex and a subsequent dipole in anterior cingulate cortex, suggesting that inferior prefrontal regions may recruit the anterior cingulate to exert cognitive control functions. Individual older adults did show some evidence of an N450 response to conflict; however, this response was attenuated by a co-occurring positive deflection in the N450 time window. It is suggested that this positivity may reflect a form of compensatory activity in older adults to adapt to their decline in inhibitory control.

Intrahemispheric dysfunction in primary motor cortex without corpus callosum: a transcranial magnetic stimulation study

Affiliation: Département de Psychologie, Université de Montréal

Imagerie par résonance magnétique spectroscopique et exploration neurochimique de régions cérébrales d'individus atteints d'un trouble léger de la cognition.

Introduction : Les individus présentant des troubles cognitifs légers ou Mild Cognitive Impairment (MCI) sont plus à risque de développer une maladie d’Alzheimer (MA) que le reste de la population âgée. Objectif : Cette étude repose sur le recours à un devis de type étude de cas multiples dont l’objectif est de contribuer à l’identification d’indices biologiques en quantifiant, à l’aide de la résonance magnétique spectroscopique (MRS), des changements métaboliques précoces chez les individus avec MCI, susceptibles d’évoluer vers la MA. Méthodologie : Huit individus MCI sont comparés à huit individus âgés normaux. Chaque participant est soumis à un examen MRS. Résultats : Parmi les huit participants MCI recrutés, l’un d’entre eux présente désormais un profil cognitif concordant avec une MA. L’analyse spectrale des métabolites de cet individu montre des ratios de glutamate plus élevés au niveau du cortex préfrontal gauche et de la régioncingulaire postérieure gauche. Bien qu’une diminution de NAA/Cr soit fréquemment observée chez la population MCI en voie d’évoluer vers la démence, les résultats obtenus ne démontrent rien en ce sens. Discussion/Conclusion : Le rôle du glutamate dans les processus neurodégénératifs est encore mal établi. L’augmentation de glutamate observée est contraire à la diminution habituellement observée au cours de la MA. Ces résultats sont toutefois explicables par l’existence possible d’excitotoxicité précoce chez les MCI en voie de d’évoluervers la démence. Cela pourrait aussi illustrer des mécanismes de compensation présents avant qu’un déclin cognitif ne soit objectivable.

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

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

Les différences sexuelles dans l’activation cérébrale durant l’accomplissement de la tâche de rotation mentale chez les patients atteints de schizophrénie

Dans la population générale plusieurs études ont démontré que les hommes ont, par comparaison aux femmes, de meilleures performances dans les tâches de rotation mentale à trois dimensions. A l’aide de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle, on a pu observer que l’exécution de cette tâche de rotation mentale s’accompagnait d’une activation du cortex pariétal chez l’homme mais du cortex prefrontal chez la femme. Ces différences entre les deux sexes suggèrent un fonctionnement neuronal différent dans l’appréhension des habiletés cognitives et comportementales. De fait, de nombreuses études ont signalé des différences notables entre les deux sexes quant à leur fonctionnement cérébral tant sur le plan émotionnel que de leurs habiletés visuo spatiales. La schizophrénie est un trouble grave et persistant de la santé mentale dont l’origine est certes multifactorielle et dont les facteurs de protection sont partiellement biologiques, psychologiques et sociales. Cette maladie requiert une approche thérapeutique à la fois clinique médicamenteuse, psychologique et sociale visant à une réintégration des malades dans leur communauté. Le pronostic de cette maladie varie en fonction du sexe ainsi que les atteintes neurologiques, neuropsychologiques et socioculturelles. Il est donc surprenant que l’exploration des mécanismes neuronaux sous-tendant les anomalies fonctionnelles cognitivo-comportementales n’ait point, en schizophrénie, adressé à date la fonctionnalité différente de l’homme et de la femme. Une étude pilote, réalisée dans mon laboratoire d’accueil, ayant suggéré chez le schizophrène, lors du traitement cognitif de stimuli émotionnels, une altération du dimorphisme sexuel observé dans la population normale, il devenait impératif de confirmer ces observations. Ce mémoire vise à vérifier par résonnance magnétique fonctionnelle l’activité neuronale cérébrale témoignant de la performance neuropsychologique de schizophrènes des deux sexes et de la comparer à celle de sujets témoins sains appareillés pour l’âge, la dominance hémisphérique et le statut familial socio-économique. A cette fin, nous avons enregistré, lors d’une tâche de rotation mentale à trois dimensions, les variables neurocognitives traduisant la validité des réponses ainsi que leur rapidité d’exécution. Simultanément, nous avons enregistré, par résonnance magnétique fonctionnelle, les sites d’activation cérébrale ainsi que leur degré d’activation corticale. Les données expérimentales, neurocognitives et cérébro-fonctionnelles, furent analysées en comparant les deux sexes d’une part et les deux états de santé d’autre part. Les résultats de ce mémoire ont fait l’objet de deux articles qui sont inclus. Les résultats obtenus confirment l’hypothèse d’un dimorphisme homme/femme dans la population générale ainsi que chez le schizophrène. Ces résultats appuient aussi l’hypothèse de l’altération, chez le schizophrène, du dimorphisme observé dans la population générale.

Modèle informatique du coapprentissage des ganglions de la base et du cortex : l'apprentissage par renforcement et le développement de représentations

Tout au long de la vie, le cerveau développe des représentations de son environnement permettant à l’individu d’en tirer meilleur profit. Comment ces représentations se développent-elles pendant la quête de récompenses demeure un mystère. Il est raisonnable de penser que le cortex est le siège de ces représentations et que les ganglions de la base jouent un rôle important dans la maximisation des récompenses. En particulier, les neurones dopaminergiques semblent coder un signal d’erreur de prédiction de récompense. Cette thèse étudie le problème en construisant, à l’aide de l’apprentissage machine, un modèle informatique intégrant de nombreuses évidences neurologiques. Après une introduction au cadre mathématique et à quelques algorithmes de l’apprentissage machine, un survol de l’apprentissage en psychologie et en neuroscience et une revue des modèles de l’apprentissage dans les ganglions de la base, la thèse comporte trois articles. Le premier montre qu’il est possible d’apprendre à maximiser ses récompenses tout en développant de meilleures représentations des entrées. Le second article porte sur l'important problème toujours non résolu de la représentation du temps. Il démontre qu’une représentation du temps peut être acquise automatiquement dans un réseau de neurones artificiels faisant office de mémoire de travail. La représentation développée par le modèle ressemble beaucoup à l’activité de neurones corticaux dans des tâches similaires. De plus, le modèle montre que l’utilisation du signal d’erreur de récompense peut accélérer la construction de ces représentations temporelles. Finalement, il montre qu’une telle représentation acquise automatiquement dans le cortex peut fournir l’information nécessaire aux ganglions de la base pour expliquer le signal dopaminergique. Enfin, le troisième article évalue le pouvoir explicatif et prédictif du modèle sur différentes situations comme la présence ou l’absence d’un stimulus (conditionnement classique ou de trace) pendant l’attente de la récompense. En plus de faire des prédictions très intéressantes en lien avec la littérature sur les intervalles de temps, l’article révèle certaines lacunes du modèle qui devront être améliorées. Bref, cette thèse étend les modèles actuels de l’apprentissage des ganglions de la base et du système dopaminergique au développement concurrent de représentations temporelles dans le cortex et aux interactions de ces deux structures.