Signaled two-way avoidance learning using electrical stimulation of the inferior colliculus as negative reinforcement: effects of visual and auditory cues as warning stimuli

The inferior colliculus is a primary relay for the processing of auditory information in the brainstem. The inferior colliculus is also part of the so-called brain aversion system as animals learn to switch off the electrical stimulation of this structure. The purpose of the present study was to determine whether associative learning occurs between aversion induced by electrical stimulation of the inferior colliculus and visual and auditory warning stimuli. Rats implanted with electrodes into the central nucleus of the inferior colliculus were placed inside an open-field and thresholds for the escape response to electrical stimulation of the inferior colliculus were determined. The rats were then placed inside a shuttle-box and submitted to a two-way avoidance paradigm. Electrical stimulation of the inferior colliculus at the escape threshold (98.12 ± 6.15 (A, peak-to-peak) was used as negative reinforcement and light or tone as the warning stimulus. Each session consisted of 50 trials and was divided into two segments of 25 trials in order to determine the learning rate of the animals during the sessions. The rats learned to avoid the inferior colliculus stimulation when light was used as the warning stimulus (13.25 ± 0.60 s and 8.63 ± 0.93 s for latencies and 12.5 ± 2.04 and 19.62 ± 1.65 for frequencies in the first and second halves of the sessions, respectively, P<0.01 in both cases). No significant changes in latencies (14.75 ± 1.63 and 12.75 ± 1.44 s) or frequencies of responses (8.75 ± 1.20 and 11.25 ± 1.13) were seen when tone was used as the warning stimulus (P>0.05 in both cases). Taken together, the present results suggest that rats learn to avoid the inferior colliculus stimulation when light is used as the warning stimulus. However, this learning process does not occur when the neutral stimulus used is an acoustic one. Electrical stimulation of the inferior colliculus may disturb the signal transmission of the stimulus to be conditioned from the inferior colliculus to higher brain structures such as amygdala

Electro-oscillographic correlation between dorsal raphe nucleus, neocortex and hippocampus during wakefulness before and after serotoninergic inactivation

Theta rhythm in many brain structures characterizes wakefulness and desynchronized sleep in most subprimate mammalian brains. In close relation to behaviors, theta frequency and voltage undergo a fine modulation which may involve mobilization of dorsal raphe nucleus efferent pathways. In the present study we analyzed frequency modulation (through instantaneous frequency variation) of theta waves occurring in three cortical areas, in hippocampal CA1 and in the dorsal raphe nucleus of Wistar rats during normal wakefulness and after injection of the 5-HT1a receptor agonist 8-OH-DPAT into the dorsal raphe. We demonstrated that in attentive states the variation of theta frequency among the above structures is highly congruent, whereas after 8-OH-DPAT injection, although regular signals are present, the variation is much more complex and shows no relation to behaviors. Such functional uncoupling after blockade demonstrates the influence of dorsal raphe nucleus efferent serotoninergic fibers on the organization of alertness, as evaluated by electro-oscillographic analysis.

The modified 2VO ischemia protocol causes cognitive impairment similar to that induced by the standard method, but with a better survival rate

Permanent bilateral occlusion of the common carotid arteries (2VO) in the rat has been established as a valid experimental model to investigate the effects of chronic cerebral hypoperfusion on cognitive function and neurodegenerative processes. Our aim was to compare the cognitive and morphological outcomes following the standard 2VO procedure, in which there is concomitant artery ligation, with those of a modified protocol, with a 1-week interval between artery occlusions to avoid an abrupt reduction of cerebral blood flow, as assessed by animal performance in the water maze and damage extension to the hippocampus and striatum. Male Wistar rats (N = 47) aged 3 months were subjected to chronic hypoperfusion by permanent bilateral ligation of the common carotid arteries using either the standard or the modified protocol, with the right carotid being the first to be occluded. Three months after the surgical procedure, rat performance in the water maze was assessed to investigate long-term effects on spatial learning and memory and their brains were processed in order to estimate hippocampal volume and striatal area. Both groups of hypoperfused rats showed deficits in reference (F(8,172) = 7.0951, P < 0.00001) and working spatial memory [2nd (F(2,44) = 7.6884, P < 0.001), 3rd (F(2,44) = 21.481, P < 0.00001) and 4th trials (F(2,44) = 28.620, P < 0.0001)]; however, no evidence of tissue atrophy was found in the brain structures studied. Despite similar behavioral and morphological outcomes, the rats submitted to the modified protocol showed a significant increase in survival rate, during the 3 months of the experiment (P < 0.02).

The response of social anxiety disorder patients to threat scenarios differs from that of healthy controls

The objective of the present study was to evaluate the response of social anxiety disorder (SAD) patients to threat scenarios. First-choice responses to 12 scenarios describing conspecific threatening situations and mean scores of defensive direction and defensive intensity dimensions were compared between 87 SAD patients free of medication and 87 matched healthy controls (HC). A significant gender difference in the first-choice responses was identified for seven scenarios among HCs but only for two scenarios among SAD patients. A significantly higher proportion of SAD patients chose "freezing" in response to "Bush" and "Noise" scenarios, whereas the most frequent response by HCs to these scenarios was "check out". SAD males chose "run away" and "yell" more often than healthy men in response to the scenarios "Park" and "Elevator", respectively. There was a positive correlation between the severity of symptoms and both defensive direction and defensive intensity dimensions. Factorial analysis confirmed the gradient of defensive reactions derived from animal studies. SAD patients chose more urgent defensive responses to threat scenarios, seeming to perceive them as more dangerous than HCs and tending to move away from the source of threat. This is consistent with the hypothesis that the physiopathology of anxiety disorders involves brain structures responsible for defensive behaviors.

Striatal and extrastriatal dopamine D2/3 receptors studied with [11C]raclopride and high-resolution PET

The human striatum is a heterogeneous structure representing a major part of the dopamine (DA) system’s basal ganglia input and output. Positron emission tomography (PET) is a powerful tool for imaging DA neurotransmission. However, PET measurements suffer from bias caused by the low spatial resolution, especially when imaging small, D2/3 -rich structures such as the ventral striatum (VST). The brain dedicated high-resolution PET scanner, ECAT HRRT (Siemens Medical Solutions, Knoxville, TN, USA) has superior resolution capabilities than its predecessors. In the quantification of striatal D2/3 binding, the in vivo highly selective D2/3 antagonist [11C] raclopride is recognized as a well-validated tracer. The aim of this thesis was to use a traditional test-retest setting to evaluate the feasibility of utilizing the HRRT scanner for exploring not only small brain regions such as the VST but also low density D2/3 areas such as cortex. It was demonstrated that the measurement of striatal D2/3 binding was very reliable, even when studying small brain structures or prolonging the scanning interval. Furthermore, the cortical test-retest parameters displayed good to moderate reproducibility. For the first time in vivo, it was revealed that there are significant divergent rostrocaudal gradients of [11C]raclopride binding in striatal subregions. These results indicate that high-resolution [11C]raclopride PET is very reliable and its improved sensitivity means that it should be possible to detect the often very subtle changes occurring in DA transmission. Another major advantage is the possibility to measure simultaneously striatal and cortical areas. The divergent gradients of D2/3 binding may have functional significance and the average distribution binding could serve as the basis for a future database. Key words: dopamine, PET, HRRT, [11C]raclopride, striatum, VST, gradients, test-retest.

Les mécanismes endogènes de modulation de la douleur et leur dysfonction dans le syndrome de l'intestin irritable

La douleur est une expérience subjective multidimensionnelle accompagnée de réponses physiologiques. Ces dernières sont régulées par des processus cérébraux qui jouent un rôle important dans la modulation spinale et cérébrale de la douleur. Cependant, les mécanismes de cette régulation sont encore mal définis et il est essentiel de bien les comprendre pour mieux traiter la douleur. Les quatre études de cette thèse avaient donc comme objectif de préciser les mécanismes endogènes de modulation de la douleur par la contreirritation (inhibition de la douleur par une autre douleur) et d’investiguer la dysfonction de ces mécanismes chez des femmes souffrant du syndrome de l’intestin irritable (Sii). Dans un premier temps, un modèle expérimental a été développé pour mesurer l’activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle concurremment à l’enregistrement du réflexe nociceptif de flexion (RIII : index de nociception spinale) et des réponses de conductance électrodermale (SCR : index d’activation sympathique) évoqués par des stimulations électriques douloureuses. La première étude indique que les différences individuelles d’activité cérébrale évoquée par les stimulations électriques dans les cortex orbitofrontal (OFC) et cingulaire sont associées aux différences individuelles de sensibilité à la douleur, de réactivité motrice (RIII) et de réactivité autonomique (SCR) chez des sujets sains. La deuxième étude montre que l’analgésie par contreirritation produite chez des sujets sains est accompagnée de l’inhibition de l’amygdale par OFC et d’une modulation du réflexe RIII par la substance grise périaqueducale (PAG) et le cortex somesthésique primaire (SI). Dans les troisième et quatrième études, il est montré que la contreirritation ne produit pas d’inhibition significative de la douleur et du réflexe RIII chez les patientes Sii en comparaison aux contrôles. De plus, les résultats indiquent que la sévérité des symptômes psychologiques est associée au déficit de modulation de la douleur et à une hypersensibilité diffuse chez les patientes Sii. Dans l’ensemble, cette thèse précise le rôle de certaines structures cérébrales dans les multiples composantes de la douleur et dans l’analgésie par contreirritation et montre que les patientes Sii présentent une dysfonction des mécanismes spinaux et cérébraux impliqués dans la perception et la modulation de la douleur.

Studies on the exaggerated inflammatory response caused by streptococcus suis at systemic and central nervous system levels

Streptococcus suis de type 2 est un microorganisme pathogène d’importance chez le porc. Il est la cause de différentes pathologies ayant comme caractéristique commune la méningite. C’est également un agent émergeant de zoonose : des cas cliniques humains ont récemment été rapportés en Asie. Cependant, la pathogénèse de S. suis n’est pas encore complètement élucidée. Jusqu’à présent, la réponse pro-inflammatoire initiée par S. suis n’a été étudiée qu’in vitro. L’étude du choc septique et de la méningite requiert toujours des modèles expérimentaux appropriés. Au cours de cette étude, nous avons développé un modèle in vivo d’infection chez la souris qui utilise la voie d’inoculation intra-péritonéale. Ce modèle a servi à l’étude de la réponse pro-inflammatoire associée à ce pathogène, tant au niveau systémique qu’au niveau du système nerveux central (SNC). Il nous a également permis de déterminer si la sensibilité aux infections à S. suis pouvait être influencée par des prédispositions génétiques de l’hôte. Le modèle d’infection par S. suis a été mis au point sur des souris de lignée CD1. Les résultats ont démontré une bactériémie élevée pendant les trois jours suivant l’infection. Celle-ci était accompagnée d’une libération rapide et importante de différentes cytokines pro-inflammatoires (TNF-α, IL-6, IL-12p40/p70, IFN-ɣ) et de chémokines (KC, MCP-1 and RANTES), qui ont entraîné un choc septique et la mort de 20 % des animaux. Ensuite, pour confirmer le rôle de l’inflammation sur la mortalité et pour déterminer si les caractéristiques génétiques de l’hôte pouvaient influencer la réponse inflammatoire et l’issue de la maladie, le modèle d’infection a été étendu à deux lignées murines consanguines différentes considérées comme résistante : la lignée C57BL/6 (B6), et sensible : la lignée A/J. Les résultats ont démontré une importante différence de sensibilité entre les souris A/J et les souris B6, avec un taux de mortalité atteignant 100 % à 20 h post-infection (p.i.) pour la première lignée et de seulement 16 % à 36 h p.i. pour la seconde. La quantité de bactéries dans le sang et dans les organes internes était similaire pour les deux lignées. Donc, tout comme dans la lignée CD1, la bactériémie ne semblait pas être liée à la mort des souris. La différence entre les taux de mortalité a été attribuée à un choc septique non contrôlé chez les souris A/J infectées par S. suis. Les souris A/J présentaient des taux exceptionnellement élevés de TNF-α, IL-12p40/p70, IL-1β and IFN- γ, significativement supérieurs à ceux retrouvés dans la lignée B6. Par contre, les niveaux de chémokines étaient similaires entre les lignées, ce qui suggère que leur influence est limitée dans le développement du choc septique dû à S. suis. Les souris B6 avaient une production plus élevée d’IL-10, une cytokine anti-inflammatoire, ce qui suppose que la cascade cytokinaire pro-inflammatoire était mieux contrôlée, entraînant un meilleur taux de survie. Le rôle bénéfique potentiel de l’IL-10 chez les souris infectées par S. suis a été confirmé par deux approches : d’une part en bloquant chez les souris B6 le récepteur cellulaire à l’IL-10 (IL-10R) par un anticorps monoclonal anti-IL-10R de souris et d’autre part en complémentant les souris A/J avec de l’IL-10 de souris recombinante. Les souris B6 ayant reçu le anticorps monoclonal anti-IL-10R avant d’être infectées par S. suis ont développé des signes cliniques aigus similaires à ceux observés chez les souris A/J, avec une mortalité rapide et élevée et des taux de TNF-α plus élevés que les souris infectées non traitées. Chez les souris A/J infectées par S. suis, le traitement avec l’IL-10 de souris recombinante a significativement retardé l’apparition du choc septique. Ces résultats montrent que la survie au choc septique dû à S. suis implique un contrôle très précis des mécanismes pro- et anti-inflammatoires et que la réponse anti-inflammatoire doit être activée simultanément ou très rapidement après le début de la réponse pro-inflammatoire. Grâce à ces expériences, nous avons donc fait un premier pas dans l’identification de gènes associés à la résistance envers S. suis chez l’hôte. Une des réussites les plus importantes du modèle d’infection de la souris décrit dans ce projet est le fait que les souris CD1 ayant survécu à la septicémie présentaient dès 4 jours p.i. des signes cliniques neurologiques clairs et un syndrome vestibulaire relativement similaires à ceux observés lors de méningite à S. suis chez le porc et chez l’homme. L’analyse par hybridation in situ combinée à de l’immunohistochimie des cerveaux des souris CD1 infectées a montré que la réponse inflammatoire du SNC débutait avec une augmentation significative de la transcription du Toll-like receptor (TLR)2 et du CD14 dans les microvaisseaux cérébraux et dans les plexus choroïdes, ce qui suggère que S. suis pourrait se servir de ces structures comme portes d’entrée vers le cerveau. Aussi, le NF-κB (suivi par le système rapporteur de l’activation transcriptionnelle de IκBα), le TNF-α, l’IL-1β et le MCP-1 ont été activés, principalement dans des cellules identifiées comme de la microglie et dans une moindre mesure comme des astrocytes. Cette activation a également été observée dans différentes structures du cerveau, principalement le cortex cérébral, le corps calleux, l’hippocampe, les plexus choroïdes, le thalamus, l’hypothalamus et les méninges. Partout, cette réaction pro-inflammatoire était accompagnée de zones extensives d’inflammation et de nécrose, de démyélinisation sévère et de la présence d’antigènes de S. suis dans la microglie. Nous avons mené ensuite des études in vitro pour mieux comprendre l’interaction entre S. suis et la microglie. Pour cela, nous avons infecté des cellules microgliales de souris avec la souche sauvage virulente (WT) de S. suis, ainsi qu’avec deux mutants isogéniques, un pour la capsule (CPS) et un autre pour la production d’hémolysine (suilysine). Nos résultats ont montré que la capsule était un important mécanisme de résistance à la phagocytose pour S. suis et qu’elle modulait la réponse inflammatoire, en dissimulant les composants pro-inflammatoires de la paroi bactérienne. Par contre, l’absence d’hémolysine, qui est un facteur cytotoxique potentiel, n’a pas eu d’impact majeur sur l’interaction de S. suis avec la microglie. Ces études sur les cellules microgliales ont permis de confirmer les résultats obtenus précédemment in vivo. La souche WT a induit une régulation à la hausse du TLR2 ainsi que la production de plusieurs médiateurs pro-inflammatoires, dont le TNF-α et le MCP-1. S. suis a induit la translocation du NF-kB. Cet effet était plus rapide dans les cellules stimulées par le mutant déficient en CPS, ce qui suggère que les composants de la paroi cellulaire représentent de puissants inducteurs du NF-kB. De plus, la souche S. suis WT a stimulé l’expression de la phosphotyrosine, de la PKC et de différentes cascades liées à l’enzyme mitogen-activated protein kinase (MAPK). Cependant, les cellules microgliales infectées par le mutant déficient en CPS ont montré des profils de phosphorylation plus forts et plus soutenus que celles infectées par le WT. Finalement, la capsule a aussi modulé l’expression de l’oxyde nitrique synthétase inductible (iNOS) induite par S. suis et par la production subséquente d’oxyde nitrique par la microglie. Ceci pourrait être lié in vivo à la neurotoxicité et à la vasodilatation. Nous pensons que ces résultats contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes sous-tendant l’induction de l’inflammation par S. suis, ce qui devrait permettre, d’établir éventuellement des stratégies plus efficaces de lutte contre la septicémie et la méningite. Enfin, nous pensons que ce modèle expérimental d’infection chez la souris pourra être utilisé dans l’étude de la pathogénèse d’autres bactéries ayant le SNC pour cible.

Visual information processing during conscious and non-conscious face perception

Les stimuli naturels projetés sur nos rétines nous fournissent de l’information visuelle riche. Cette information varie le long de propriétés de « bas niveau » telles que la luminance, le contraste, et les fréquences spatiales. Alors qu’une partie de cette information atteint notre conscience, une autre partie est traitée dans le cerveau sans que nous en soyons conscients. Les propriétés de l’information influençant l’activité cérébrale et le comportement de manière consciente versus non-consciente demeurent toutefois peu connues. Cette question a été examinée dans les deux derniers articles de la présente thèse, en exploitant les techniques psychophysiques développées dans les deux premiers articles. Le premier article présente la boîte à outils SHINE (spectrum, histogram, and intensity normalization and equalization), développée afin de permettre le contrôle des propriétés de bas niveau de l'image dans MATLAB. Le deuxième article décrit et valide la technique dite des bulles fréquentielles, qui a été utilisée tout au long des études de cette thèse pour révéler les fréquences spatiales utilisées dans diverses tâches de perception des visages. Cette technique offre les avantages d’une haute résolution au niveau des fréquences spatiales ainsi que d’un faible biais expérimental. Le troisième et le quatrième article portent sur le traitement des fréquences spatiales en fonction de la conscience. Dans le premier cas, la méthode des bulles fréquentielles a été utilisée avec l'amorçage par répétition masquée dans le but d’identifier les fréquences spatiales corrélées avec les réponses comportementales des observateurs lors de la perception du genre de visages présentés de façon consciente versus non-consciente. Les résultats montrent que les mêmes fréquences spatiales influencent de façon significative les temps de réponse dans les deux conditions de conscience, mais dans des sens opposés. Dans le dernier article, la méthode des bulles fréquentielles a été combinée à des enregistrements intracrâniens et au Continuous Flash Suppression (Tsuchiya & Koch, 2005), dans le but de cartographier les fréquences spatiales qui modulent l'activation de structures spécifiques du cerveau (l'insula et l'amygdale) lors de la perception consciente versus non-consciente des expressions faciales émotionnelles. Dans les deux régions, les résultats montrent que la perception non-consciente s'effectue plus rapidement et s’appuie davantage sur les basses fréquences spatiales que la perception consciente. La contribution de cette thèse est donc double. D’une part, des contributions méthodologiques à la recherche en perception visuelle sont apportées par l'introduction de la boîte à outils SHINE ainsi que de la technique des bulles fréquentielles. D’autre part, des indications sur les « corrélats de la conscience » sont fournies à l’aide de deux approches différentes.

Enhanced Reality Visualization in a Surgical Environment

Enhanced reality visualization is the process of enhancing an image by adding to it information which is not present in the original image. A wide variety of information can be added to an image ranging from hidden lines or surfaces to textual or iconic data about a particular part of the image. Enhanced reality visualization is particularly well suited to neurosurgery. By rendering brain structures which are not visible, at the correct location in an image of a patient's head, the surgeon is essentially provided with X-ray vision. He can visualize the spatial relationship between brain structures before he performs a craniotomy and during the surgery he can see what's under the next layer before he cuts through. Given a video image of the patient and a three dimensional model of the patient's brain the problem enhanced reality visualization faces is to render the model from the correct viewpoint and overlay it on the original image. The relationship between the coordinate frames of the patient, the patient's internal anatomy scans and the image plane of the camera observing the patient must be established. This problem is closely related to the camera calibration problem. This report presents a new approach to finding this relationship and develops a system for performing enhanced reality visualization in a surgical environment. Immediately prior to surgery a few circular fiducials are placed near the surgical site. An initial registration of video and internal data is performed using a laser scanner. Following this, our method is fully automatic, runs in nearly real-time, is accurate to within a pixel, allows both patient and camera motion, automatically corrects for changes to the internal camera parameters (focal length, focus, aperture, etc.) and requires only a single image.

The human thalamus processes syntactic and semantic language violations

Numerous linguistic operations have been assigned to cortical brain areas, but the contributions of subcortical structures to human language processing are still being discussed. Using simultaneous EEG recordings directly from deep brain structures and the scalp, we show that the human thalamus systematically reacts to syntactic and semantic parameters of auditorily presented language in a temporally interleaved manner in coordination with cortical regions. In contrast, two key structures of the basal ganglia, the globus pallidus internus and the subthalamic nucleus, were not found to be engaged in these processes. We therefore propose that syntactic and semantic language analysis is primarily realized within cortico-thalamic networks, whereas a cohesive basal ganglia network is not involved in these essential operations of language analysis.

Spatio-temporal dependencies in functional connectivity in rodent cortical cultures

Models of functional connectivity in cortical cultures on multi-electrodes arrays may aid in understanding how cognitive pathways form and improve techniques that aim to interface with neuronal systems. To enable research on such models, this study uses both data- and model-driven approaches to determine what dependencies are present in and between functional connectivity networks derived from bursts of extracellularly recorded activity. Properties of excitation in bursts were analysed using correlative techniques to assess the degree of linear dependence and then two parallel techniques were used to assess functional connectivity. Three models presenting increasing levels of spatio-temporal dependency were used to capture the dynamics of individual functional connections and their consistencies were verified using surrogate data. By comparing network-wide properties between model generated networks and functional networks from data, complex interdependencies were revealed. This indicates the persistent co-activation of neuronal pathways in spontaneous bursts, as can be found in whole brain structures.

Human frontal lobes are not relatively large

One of the most pervasive assumptions about human brain evolution is that it involved relative enlargement of the frontal lobes. We show that this assumption is without foundation. Analysis of five independent data sets using correctly scaled measures and phylogenetic methods reveals that the size of human frontal lobes, and of specific frontal regions, is as expected relative to the size of other brain structures. Recent claims for relative enlargement of human frontal white matter volume, and for relative enlargement shared by all great apes, seem to be mistaken. Furthermore, using a recently developed method for detecting shifts in evolutionary rates, we find that the rate of change in relative frontal cortex volume along the phylogenetic branch leading to humans was unremarkable and that other branches showed significantly faster rates of change. Although absolute and proportional frontal region size increased rapidly in humans, this change was tightly correlated with corresponding size increases in other areas andwhole brain size, and with decreases in frontal neuron densities. The search for the neural basis of human cognitive uniqueness should therefore focus less on the frontal lobes in isolation and more on distributed neural networks.

Corpus callosum in maltreated children with posttraumatic stress disorder: A diffusion tensor imaging study

Contrary to expectations derived from preclinical studies of the effects of stress, and imaging studies of adults with posttraumatic stress disorder (PTSD), there is no evidence of hippocampus atrophy in children with PTSD. Multiple pediatric studies have reported reductions in the corpus callosum - the primary white matter tract in the brain. Consequently, in the present study, diffusion tensor imaging was used to assess white matter integrity in the corpus callosum in 17 maltreated children with PTSD and 15 demographically matched normal controls. Children with PTSD had reduced fractional anisotropy in the medial and posterior corpus, a region which contains interhemispheric projections from brain structures involved in circuits that mediate the processing of emotional stimuli and various memory functions - core disturbances associated with a history of trauma. Further exploration of the effects of stress on the corpus callosum and white matter development appears a promising strategy to better understand the pathophysiology of PTSD in children. (C) 2007 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Social separation and diazepam withdrawal increase anxiety in the elevated plus-maze and serotonin turnover in the median raphe and hippocampus

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Fos-like immunoreactivity in central nervous system of mice simultaneously exposed to the elevated plus-maze and nociception

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)