Effet de la maladie de Parkinson et de la médication dopaminergique sur les mécanismes de traitement et d'intégration sensorielle et l'adaptation visuomotrice

L’intégrité de notre système sensorimoteur est essentielle aux interactions adéquates avec notre environnement. Dans la maladie de Parkinson (MP), l’efficacité des interactions quotidiennes entre le corps et l’environnement est fréquemment réduite et diminue la qualité de vie. La MP est une maladie neurodégénérative résultant prioritairement d’une perte neuronale dopaminergique dans les ganglions de la base (GB). Cette dégénérescence altère le fonctionnement normal de la circuiterie associant les GB au cortex cérébral. L’administration de médications dopaminergiques permet d’améliorer les principaux symptômes cliniques moteurs de la MP. Cette thèse porte sur les rôles des GB dans les processus de traitement et d’intégration des informations sensorielles visuelle et proprioceptive et dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice. Elle s’intéresse également à l’influence de la médication dopaminergique sur ces fonctions sensorimotrices. Nous avons réalisé trois études comportementales, utilisant l’atteinte manuelle tridimensionnelle comme modèle expérimental. Dans chacune de ces études, nous avons comparé la performance de personnes âgées en santé à celle de personnes souffrant de la MP avec et sans leur médication antiparkinsonienne quotidienne. Ces trois études ont été réalisées à l’aide d’un système d’analyse de mouvement et une station de réalité virtuelle. Dans la première étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans l’intégration sensorimotrice ou le traitement des informations proprioceptives. Pour se faire, nous avons testé la capacité des patients MP à effectuer des atteintes manuelles tridimensionnelles précises dans quatre conditions variant la nature des informations sensorielles (visuelles et/ou proprioceptives) définissant la position de la main et de la cible. Les patients MP ont effectué, en moyenne, de plus grandes erreurs spatiales que les personnes en santé uniquement lorsque les informations proprioceptives étaient la seule source d’information sensorielle disponible. De plus, ces imprécisions spatiales étaient significativement plus grandes que celles des personnes en santé, seulement lorsque les patients étaient testés dans la condition médicamentée. La deuxième étude présentée dans cette thèse a permis de démontrer que les imprécisions spatiales des patients MP dans les conditions proprioceptives étaient le résultat de déficits dans l’utilisation en temps réel des informations proprioceptives pour guider les mouvements. Dans la troisième étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice explicite ou implicite. Pour se faire, nous avons testé les capacités adaptatives des patients MP dans deux tâches variant le décours temporel de l’application d’une perturbation visuomotrice tridimensionnelle. Dans la tâche explicite, la perturbation était introduite soudainement, produisant de grandes erreurs détectées consciemment. Dans la condition implicite, la perturbation était introduite graduellement ce qui engendrait de petites erreurs non détectables. Les résultats montrent que les patients MP dans les conditions médicamentée et non médicamentée présentent des déficits adaptatifs uniquement dans la tâche explicite. Dans l’ensemble, les résultats expérimentaux présentés dans cette thèse montrent que la médication dopaminergique n’améliore pas le traitement des afférences proprioceptives et l’adaptation visuomotrice des personnes souffrant de la MP. Ces observations suggèrent que les dysfonctions dans les circuits dopaminergiques dans les GB ne sont pas les seules responsables des déficits observés dans ces fonctions sensorimotrices.

Les cytokines inflammatoires modulent la prolifération et la différenciation in vitro des cellules souches/progénitrices de la moelle épinière.

La moelle épinière (MÉ) est essentielle pour relier les informations motrices et sensorielles entre le cerveau et la périphérie. Malheureusement, elle peut facilement être endommagée suite à un traumatisme médullaire (TM) ou des pathologies comme la sclérose en plaques. Chez les vertébrés inférieurs, tels les amphibiens, la MÉ lésée se régénère via ses cellules souches endogènes, alors que celle des mammifères démontre une très faible habileté régénératrice post-traumatique. Des travaux récents ont démontré que la MÉ des mammifères contient des cellules souches neurales latentes correspondant aux cellules épendymaires du canal central. D’autres études ont prouvé qu’à la suite d’un TM, les cellules souches épendymaires (cSÉ) prolifèrent, migrent vers le site de la lésion et se différencient principalement en cellules gliales. Promouvoir la régénération de la MÉ endommagée via la modulation des cellules souches endogènes devient donc une voie thérapeutique intéressante. Isolant des cellules souches/progénitrices de la MÉ via la culture de neurosphères (NS), nos études in vitro, en présence de cytokines inflammatoires ou de milieu conditionné auxmacrophages, suggèrent que la réponse inflammatoire influence fortement la prolifération et la différentiation des cSÉ. Dans l’objectif de définir le programme génétique relié à l’activation des cSÉ de la MÉ, nous avons débuté l’élaboration d’un protocole d’isolement des cSÉ à l’aide d’un modèle de souris transgénique.

Rôle du système du trijumeau dans la locomotion chez le nouveau-né d’opossum (Monodelphis domestica)

L’opossum Monodelphis domestica naît très immature et grimpe sans aide de la mère, du sinus urogénital à une mamelle où il va s’attacher pour poursuivre son développement. Des informations sensorielles sont nécessaires pour guider le nouveau-né vers la mamelle et les candidats les plus probables sont le toucher, l’équilibre et l’olfaction. Pour tester l’action des différents systèmes sur la motricité chez l’opossum nouveau-né, des régions céphaliques du trijumeau, du vestibulaire et de l’olfaction ont été stimulées électriquement sur des préparations in vitro en comparaison avec une stimulation seuil T (intensité minimale de la stimulation à la moelle épinière cervicale induisant le mouvement des membres antérieurs). Par comparaison, un mouvement similaire était induit par des stimulations à ~2T du ganglion du trijumeau, à ~20 T du complexe vestibulaire, et à ~600 T des bulbes olfactifs. L’étude de l'innervation de la peau faciale et des voies relayant les informations du trijumeau vers la moelle épinière (ME) a été approfondie en utilisant de l’immunohistochimie pour les neurofilament-200 et du traçage rétrograde avec du Texas-Red couplé à des Dextrans Aminés. De nombreuses fibres nerveuses ont été révélées dans le derme de plusieurs régions de la tête. Quelques cellules du ganglion trigéminal projettent à la ME rostrale, mais la majorité projette vers la médulla caudale où se trouvent les neurones secondaires du trijumeau ou des cellules réticulospinales. Les résultats de cette étude indiquent une influence significative des systèmes du trijumeau et du vestibulaire, mais pas de l'olfaction, sur le mouvement des membres antérieurs des opossums nouveau-nés.

Auditory and visual event-related potential alterations in fragile X syndrome

Le syndrome du X fragile (SXF) est la première cause héréditaire de déficience intellectuelle et également la première cause monogénique d’autisme. Le SXF est causé par l'expansion de la répétition du nucléotide CGG sur le gène FMR1, ce qui empêche l’expression de la protéine FMRP. L’absence du FMRP mène à une altération du développement structurel et fonctionnel de la synapse, ce qui empêche la maturation des synapses induite par l’activité et l’élagage synaptique, qui sont essentiels pour le développement cérébral et cognitif. Nous avons investigué les potentiels reliés aux événements (PRE) évoqués par des stimulations fondamentales auditives et visuelles dans douze adolescents et jeunes adultes (10-22) atteints du SXF, ainsi que des participants contrôles appariés en âge chronologique et développemental. Les résultats indiquent un profil des PRE altéré, notamment l’augmentation de l’amplitude de N1 auditive, par rapport aux deux groupes contrôle, ainsi que l’augmentation des amplitudes de P2 et N2 auditifs et de la latence de N2 auditif. Chez les patients SXF, le traitement sensoriel semble être davantage perturbé qu’immature. En outre, la modalité auditive semble être plus perturbée que la modalité visuelle. En combinaison avec des résultats anatomique du cerveau, des mécanismes biochimiques et du comportement, nos résultats suggèrent une hyperexcitabilité du système nerveux dans le SXF.

Contrôle postural et intégration sensorielle chez l’enfant en santé, chez l’adolescent atteint du syndrome Gilles de la Tourette ainsi que chez l’adulte atteint de la maladie de Huntington

Le contrôle postural et la perception des limites de la stabilité sont des processus complexes qui nécessitent le traitement et l’intégration d’informations sensorielles multimodales. Pendant l’enfance, le développement de la stabilité posturale s’effectue de façon non-monotonique. Plusieurs auteurs ont suggéré que ce profil non linéaire serait provoqué par une période de recalibration des systèmes sensoriels. Cette phase, nommée période de transition, est observée vers l’âge de 6-7 ans. Nous disposons toutefois de très peu d’information sur le rôle spécifique des afférences et des mécanismes d’intégration sensorielle au cours du développement postural. Les dysfonctions dans les noyaux gris centraux, telles que ceux observés dans la maladie de Parkinson, ont été associées à divers déficits dans le contrôle de la posture, dans le traitement et l’intégration sensoriel plus particulièrement, au niveau des informations proprioceptives. De plus, les limites fonctionnelles de la stabilité posturale des personnes atteintes de la maladie de Parkinson sont significativement réduites. Cependant, les connaissances concernant comment certaines pathologies des noyaux gris centraux, telles que le syndrome Gilles de la Tourette (SGT) et la maladie de Huntington (MH) affectent la capacité d’utiliser les informations sensorielles pour contrôler la posture demeurent à ce jour, incomplètes. Cette thèse porte sur le rôle des noyaux gris centraux dans les processus de traitements et d’intégration sensorielle, particulièrement les afférences proprioceptives dans le contrôle de la posture au cours du développement de l’enfant en santé, atteint du SGT et chez l’adulte atteint de la MH avec et sans symptôme clinique. Notre protocole expérimental a été testé chez ces trois populations (enfants en santé, SGT et MH). Nous avons utilisé des mesures quantitatives à partir de données issues d’une plateforme de force afin d’évaluer les ajustements posturaux dans les limites de la stabilité posturale. Les participants devaient s’incliner le plus loin possible dans quatre différentes directions (avant, arrière, droite et gauche) et maintenir l’inclinaison posturale maximale pendant 10 secondes. Afin de tester la capacité à traiter et à intégrer les informations sensorielles, la tâche expérimentale a été exécutée dans trois conditions sensorielles : 1) yeux ouverts, 2) yeux fermés et 3) yeux fermés, debout sur une mousse. Ainsi, la contribution relative de la proprioception pour le contrôle postural augmente à travers les conditions sensorielles. Dans la première étude, nous avons évalué la capacité à traiter et à intégrer les informations sensorielles avant (4 ans) et après (8-10 ans) la période de transition comparativement aux adultes. Dans la deuxième et la troisième étude, nous avons également évalué le traitement et l’intégration des informations sensorielles chez les patients atteints de désordres des noyaux gris centraux. La deuxième étude portera spécifiquement sur les adolescents atteints du SGT et la troisième, sur la MH avant et après l’apparition des symptômes cliniques. En somme, les résultats de la première étude ont démontré que la performance des enfants est affectée de façon similaire par les différentes conditions sensorielles avant et après la période de transition. Toutefois, le profil de développement des mécanismes responsables des ajustements posturaux de l’axe antéropostérieur est plus précoce comparativement à ceux de l’axe médiolatéral. Ainsi, nos résultats ne supportent pas l’hypothèse de la période de recalibration des systèmes sensoriels pendant cette période ontogénétique mais suggèrent que la période de transition peut être expliquée par la maturation précoce des mécanismes d’ajustements posturaux dans l’axe antéropostérieur. Dans l’ensemble, les résultats de nos études chez les populations atteintes de désordres des noyaux gris centraux (MH et SGT) démontrent non seulement qu’ils ont des déficits posturaux mais également que les ajustements posturaux dans les deux axes sont affectés par les conditions sensorielles. Pour la première fois, nos études démontrent des déficits globaux de traitements et d’intégration sensorielle accentués pour les signaux proprioceptifs. Ces résultats sont similaires à ceux observés dans la maladie de Parkinson. De plus, les adolescents atteints du SGT éprouvent également des troubles posturaux marqués dans la condition visuelle ce qui suggère des déficits d’intégrations visuelles et/ou multimodaux.

Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Development and plasticity of locomotor circuits in the zebrafish spinal cord

A fundamental goal in neurobiology is to understand the development and organization of neural circuits that drive behavior. In the embryonic spinal cord, the first motor activity is a slow coiling of the trunk that is sensory-independent and therefore appears to be centrally driven. Embryos later become responsive to sensory stimuli and eventually locomote, behaviors that are shaped by the integration of central patterns and sensory feedback. In this thesis I used a simple vertebrate model, the zebrafish, to investigate in three manners how developing spinal networks control these earliest locomotor behaviors. For the first part of this thesis, I characterized the rapid transition of the spinal cord from a purely electrical circuit to a hybrid network that relies on both chemical and electrical synapses. Using genetics, lesions and pharmacology we identified a transient embryonic behavior preceding swimming, termed double coiling. I used electrophysiology to reveal that spinal motoneurons had glutamate-dependent activity patterns that correlated with double coiling as did a population of descending ipsilateral glutamatergic interneurons that also innervated motoneurons at this time. This work (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2014) suggests that double coiling is a discrete step in the transition of the motor network from an electrically coupled circuit that can only produce simple coils to a spinal network driven by descending chemical neurotransmission that can generate more complex behaviors. In the second part of my thesis, I studied how spinal networks filter sensory information during self-generated movement. In the zebrafish embryo, mechanosensitive sensory neurons fire in response to light touch and excite downstream commissural glutamatergic interneurons to produce a flexion response, but spontaneous coiling does not trigger this reflex. I performed electrophysiological recordings to show that these interneurons received glycinergic inputs during spontaneous fictive coiling that prevented them from firing action potentials. Glycinergic inhibition specifically of these interneurons and not other spinal neurons was due to the expression of a unique glycine receptor subtype that enhanced the inhibitory current. This work (Knogler & Drapeau, Frontiers in Neural Circuits, 2014) suggests that glycinergic signaling onto sensory interneurons acts as a corollary discharge signal for reflex inhibition during movement. v In the final part of my thesis I describe work begun during my masters and completed during my doctoral degree studying how homeostatic plasticity is expressed in vivo at central synapses following chronic changes in network activity. I performed whole-cell recordings from spinal motoneurons to show that excitatory synaptic strength scaled up in response to decreased network activity, in accordance with previous in vitro studies. At the network level, I showed that homeostatic plasticity mechanisms were not necessary to maintain the timing of spinal circuits driving behavior, which appeared to be hardwired in the developing zebrafish. This study (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2010) provided for the first time important in vivo results showing that synaptic patterning is less plastic than synaptic strength during development in the intact animal. In conclusion, the findings presented in this thesis contribute widely to our understanding of the neural circuits underlying simple motor behaviors in the vertebrate spinal cord.

Cholinergic receptor subtypes functional regulation in spinal cord injured monoplegic rats

The present study deals with the Cholinergic Receptor subtypes functional regulation in spinal cord injured monoplegic rats: Effect of 5-HT GABA and bone marrow cells.Spinal cord injury causes permanent and irrevocable motor deficits and neurodegeneration. Disruption of the spinal cord leads to diminished transmission of descending control from the brain to motor neurons and ascending sensory information. Behavioural studies showed deficits in motor control and coordination in SCI rats. Cholinergic system plays an important role in SCI, the evaluation of which provides valuable insight on the underlying mechanisms of motor deficit that occur during SCI. The cholinergic transmission was studied by assessing the muscarinic and nicotinic receptors; cholinergic enzymes- ChAT and AChE; second messenger enzyme PLC; transcription factor CREB and second messengers - IP3, cAMP and cGMP. We observed a decrease in the cholinergic transmission in the brain and spinal cord of SCI rats. The disrupted cholinergic system is the indicative of motor deficit and neuronal degeneration in the spinal cord and brain regions. SCI mediated oxidative stress and apoptosis leads to neuronal degeneration in SCI rats. The decreased expression of anti oxidant enzymes – SOD, GPx and neuronal cell survival factors - BDNF, GDNF, IGF-1, Akt and cyclin D2 along with increased expression of apoptotic factors – Bax, caspase-8, TNFa and NF-kB augmented the neuronal degeneration in SCI condition. BMC administration in combination with 5-HT and GABA in SCI rats showed a reversal in the impaired cholinergic neurotransmission and reduced the oxidative stress and apoptosis. It also enhanced the expression of cell survival factors in the spinal cord region. In SCI rats treated with 5-HT and GABA, the transplanted BMC expressed NeuN confirming that 5-HT and GABA induced the differentiation and proliferation of BMC to neurons in the spinal cord. Neurotrophic factors and anti-apoptotic elements in SCI rats treated with 5-HT and GABA along with BMC rendered neuroprotective effects accompanied by improvement in behavioural deficits. This resulted in a significant reversal of altered cholinergic neurotransmission in SCI. The restorative and neuro protective effects of BMC in combination with 5-HT and GABA are of immense therapeutic significance in the clinical management of SCI.

On Probabilistic Strategies for Robot Tasks

Robots must act purposefully and successfully in an uncertain world. Sensory information is inaccurate or noisy, actions may have a range of effects, and the robot's environment is only partially and imprecisely modeled. This thesis introduces active randomization by a robot, both in selecting actions to execute and in focusing on sensory information to interpret, as a basic tool for overcoming uncertainty. An example of randomization is given by the strategy of shaking a bin containing a part in order to orient the part in a desired stable state with some high probability. Another example consists of first using reliable sensory information to bring two parts close together, then relying on short random motions to actually mate the two parts, once the part motions lie below the available sensing resolution. Further examples include tapping parts that are tightly wedged, twirling gears before trying to mesh them, and vibrating parts to facilitate a mating operation.

The contribution of primary and secondary somatosensory cortices to the representation of body parts and body sides: an fMRI adaptation study

Although the somatosensory homunculus is a classically used description of the way somatosensory inputs are processed in the brain, the actual contributions of primary (SI) and secondary (SII) somatosensory cortices to the spatial coding of touch remain poorly understood. We studied adaptation of the fMRI BOLD response in the somatosensory cortex by delivering pairs of vibrotactile stimuli to the finger tips of the index and middle fingers. The first stimulus (adaptor) was delivered either to the index or to the middle finger of the right or left hand, whereas the second stimulus (test) was always administered to the left index finger. The overall BOLD response evoked by the stimulation was primarily contralateral in SI and was more bilateral in SII. However, our fMRI adaptation approach also revealed that both somatosensory cortices were sensitive to ipsilateral as well as to contralateral inputs. SI and SII adapted more after subsequent stimulation of homologous as compared with nonhomologous fingers, showing a distinction between different fingers. Most importantly, for both somatosensory cortices, this finger-specific adaptation occurred irrespective of whether the tactile stimulus was delivered to the same or to different hands. This result implies integration of contralateral and ipsilateral somatosensory inputs in SI as well as in SII. Our findings suggest that SI is more than a simple relay for sensory information and that both SI and SII contribute to the spatial coding of touch by discriminating between body parts (fingers) and by integrating the somatosensory input from the two sides of the body (hands).

A multi-agent system for pervasive healthcare

Wireless technology based pervasive healthcare has been proposed in many applications such as disease management and accident prevention for cost saving and promoting citizen’s wellbeing. However, the emphasis so far is on the artefacts with limited attentions to guiding the development of an effective and efficient solution for pervasive healthcare. Therefore, this paper aims to propose a framework of multi-agent systems design for pervasive healthcare by adopting the concept of pervasive informatics and using the methods of organisational semiotics. The proposed multi-agent system for pervasive healthcare utilises sensory information to support healthcare professionals for providing appropriate care. The key contributions contain theoretical aspect and practical aspect. In theory, this paper articulates the information interactions between the pervasive healthcare environment and stakeholders by using the methods of organisational semiotics; in practice, the proposed framework improves the healthcare quality by providing appropriate medical attentions when and as needed. In this paper, both systems and functional architecture of the multi-agent system are elaborated with the use of wireless technologies such as RFID and wireless sensor networks. The future study will focus on the implementation of the proposed framework.

A microchannel neuroprosthesis for bladder control after spinal cord injury in rat

A severe complication of spinal cord injury is loss of bladder function (neurogenic bladder), which is characterized by loss of bladder sensation and voluntary control of micturition (urination), and spontaneous hyperreflexive voiding against a closed sphincter (detrusor-sphincter dyssynergia). A sacral anterior root stimulator at low frequency can drive volitional bladder voiding, but surgical rhizotomy of the lumbosacral dorsal roots is needed to prevent spontaneous voiding and dyssynergia. However, rhizotomy is irreversible and eliminates sexual function, and the stimulator gives no information on bladder fullness. We designed a closed-loop neuroprosthetic interface that measures bladder fullness and prevents spontaneous voiding episodes without the need for dorsal rhizotomy in a rat model. To obtain bladder sensory information, we implanted teased dorsal roots (rootlets) within the rat vertebral column into microchannel electrodes, which provided signal amplification and noise suppression. As long as they were attached to the spinal cord, these rootlets survived for up to 3 months and contained axons and blood vessels. Electrophysiological recordings showed that half of the rootlets propagated action potentials, with firing frequency correlated to bladder fullness. When the bladder became full enough to initiate spontaneous voiding, high-frequency/amplitude sensory activity was detected. Voiding was abolished using a high-frequency depolarizing block to the ventral roots. A ventral root stimulator initiated bladder emptying at low frequency and prevented unwanted contraction at high frequency. These data suggest that sensory information from the dorsal root together with a ventral root stimulator could form the basis for a closed-loop bladder neuroprosthetic. Copyright © 2013, American Association for the Advancement of Science

A gradual depth-dependent change of connectivity features of supragranular pyramidal cells in rat barrel cortex

Recent experimental evidence suggests a finer genetic, structural and functional subdivision of the layers which form a cortical column. The classical layer II/III (LII/III) of rodent neocortex integrates ascending sensory information with contextual cortical information for behavioral read-out. We systematically investigated to which extent regular-spiking supragranular pyramidal neurons, located at different depths within the cortex, show different input-output connectivity patterns. Combining glutamate-uncaging with whole-cell recordings and biocytin filling, we revealed a novel cellular organization of LII/III: (i) “Lower LII/III” pyramidal cells receive a very strong excitatory input from lemniscal LIV and much fewer inputs from paralemniscal LVa. They project to all layers of the home column, including a feedback projection to LIV whereas transcolumnar projections are relatively sparse. (ii) “Upper LII/III” pyramidal cells also receive their strongest input from LIV, but in addition, a very strong and dense excitatory input from LVa. They project extensively to LII/III as well as LVa and Vb of their home and neighboring columns, (iii) “Middle LII/III” pyramidal cell show an intermediate connectivity phenotype that stands in many ways in-between the features described for lower versus upper LII/III. “Lower LII/III” intracolumnarly segregates and transcolumnarly integrates lemniscal information whereas “upper LII/III” seems to integrate lemniscal with paralemniscal information. This suggests a finegrained functional subdivision of the supragranular compartment containing multiple circuits without any obvious cytoarchitectonic, other structural or functional correlate of a laminar border in rodent barrel cortex.

A study of anticipatory non-autonomous systems

Rhythms are manifested ubiquitously in dynamical biological processes. These fundamental processes which are necessary for the survival of living organisms include metabolism, breathing, heart beat, and, above all, the circadian rhythm coupled to the diurnal cycle. Thus, in mathematical biology, biological processes are often represented as linear or nonlinear oscillators. In the framework of nonlinear and dissipative systems (ie. the flow of energy, substances, or sensory information), they generate stable internal oscillations as a response to environmental input and, in turn, utilise such output as a means of coupling with the environment.

Bio-inspired autonomous visual vertical control of a quadrotor UAV

Near ground maneuvers, such as hover, approach and landing, are key elements of autonomy in unmanned aerial vehicles. Such maneuvers have been tackled conventionally by measuring or estimating the velocity and the height above the ground often using ultrasonic or laser range finders. Near ground maneuvers are naturally mastered by flying birds and insects as objects below may be of interest for food or shelter. These animals perform such maneuvers efficiently using only the available vision and vestibular sensory information. In this paper, the time-to-contact (Tau) theory, which conceptualizes the visual strategy with which many species are believed to approach objects, is presented as a solution for Unmanned Aerial Vehicles (UAV) relative ground distance control. The paper shows how such an approach can be visually guided without knowledge of height and velocity relative to the ground. A control scheme that implements the Tau strategy is developed employing only visual information from a monocular camera and an inertial measurement unit. To achieve reliable visual information at a high rate, a novel filtering system is proposed to complement the control system. The proposed system is implemented on-board an experimental quadrotor UAV and shown not only to successfully land and approach ground, but also to enable the user to choose the dynamic characteristics of the approach. The methods presented in this paper are applicable to both aerial and space autonomous vehicles.