Modelagem dos efeitos da irradiação luminosa no cérebro de camundongos e rastreamento de neurônios durante experimentos de microscopia de fluorescência

The fluorescent proteins are an essential tool in many fields of biology, since they allow us to watch the development of structures and dynamic processes of cells in living tissue, with the aid of fluorescence microscopy. Optogenectics is another technique that is currently widely used in Neuroscience. In general, this technique allows to activate/deactivate neurons with the radiation of certain wavelengths on the cells that have ion channels sensitive to light, at the same time that can be used with fluorescent proteins. This dissertation has two main objectives. Initially, we study the interaction of light radiation and mice brain tissue to be applied in optogenetic experiments. In this step, we model absorption and scattering effects using mice brain tissue characteristics and Kubelka-Munk theory, for specific wavelengths, as a function of light penetration depth (distance) within the tissue. Furthermore, we model temperature variations using the finite element method to solve Pennes’ bioheat equation, with the aid of COMSOL Multiphysics Modeling Software 4.4, where we simulate protocols of light stimulation tipically used in optogenetics. Subsequently, we develop some computational algorithms to reduce the exposure of neuron cells to the light radiation necessary for the visualization of their emitted fluorescence. At this stage, we describe the image processing techniques developed to be used in fluorescence microscopy to reduce the exposure of the brain samples to continuous light, which is responsible for fluorochrome excitation. The developed techniques are able to track, in real time, a region of interest (ROI) and replace the fluorescence emitted by the cells by a virtual mask, as a result of the overlay of the tracked ROI and the fluorescence information previously stored, preserving cell location, independently of the time exposure to fluorescent light. In summary, this dissertation intends to investigate and describe the effects of light radiation in brain tissue, within the context of Optogenetics, in addition to providing a computational tool to be used in fluorescence microscopy experiments to reduce image bleaching and photodamage due to the intense exposure of fluorescent cells to light radiation.

Glia-augmented artificial neural networks: foundations and applications

Information processing in the human brain has always been considered as a source of inspiration in Artificial Intelligence; in particular, it has led researchers to develop different tools such as artificial neural networks. Recent findings in Neurophysiology provide evidence that not only neurons but also isolated and networks of astrocytes are responsible for processing information in the human brain. Artificial neural net- works (ANNs) model neuron-neuron communications. Artificial neuron-glia networks (ANGN), in addition to neuron-neuron communications, model neuron-astrocyte con- nections. In continuation of the research on ANGNs, first we propose, and evaluate a model of adaptive neuro fuzzy inference systems augmented with artificial astrocytes. Then, we propose a model of ANGNs that captures the communications of astrocytes in the brain; in this model, a network of artificial astrocytes are implemented on top of a typical neural network. The results of the implementation of both networks show that on certain combinations of parameter values specifying astrocytes and their con- nections, the new networks outperform typical neural networks. This research opens a range of possibilities for future work on designing more powerful architectures of artificial neural networks that are based on more realistic models of the human brain.

Activation of Serotonin 2C Receptors in Dopamine Neurons Inhibits Binge-like Eating in Mice

This work was supported by the National Institutes of Health (Grant Nos. R01DK093587 and R01DK101379 [to YX], R01DK092605 to [QT], R01DK078056 [to MM]), the Klarman Family Foundation (to YX), the Naman Family Fund for Basic Research (to YX), Curtis Hankamer Basic Research Fund (to YX), American Diabetes Association (Grant Nos. 7-13-JF-61 [to QW] and 1-15-BS-184 [to QT]), American Heart Association postdoctoral fellowship (to PX), Wellcome Trust (Grant No. WT098012 [to LKH]), and Biotechnology and Biological Sciences Research Council (Grant No. BB/K001418/1 [to LKH]). The anxiety tests (e.g., open-field test, light-dark test, elevated plus maze test) were performed in the Mouse Neurobehavior Core, Baylor College of Medicine, which was supported by National Institutes of Health Grant No. P30HD024064. PX and YH were involved in experimental design and most of the procedures, data acquisition and analyses, and writing the manuscript. XC assisted in the electrophysiological recordings; LV-T assisted in the histology study; XY, KS, CW, YY, AH, LZ, and GS assisted in surgical procedures and production of study mice. MGM, QW, QT, and LKH were involved in study design and writing the manuscript. YX is the guarantor of this work and, as such, had full access to all the data in the study and takes responsibility for the integrity of the data and the accuracy of the data analysis. The authors report no biomedical financial interests or potential conflicts of interest.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Single-Cell Transcriptome Analysis of Olfactory Sensory Neurons

Olfactory sensory neurons (OSNs), which detect a myriad of odorants, are known to express one allele of one olfactory receptor (OR) gene (Olfr) from the largest gene family in the mammalian genome. The OSNs expressing the same OR project their axons to the main olfactory bulb where they converge to form glomeruli. This “One neuron-one receptor rule” makes the olfactory epithelium (OE), which consists of a vast number of OSNs expressing unique ORs, one of the most heterogeneous cell populations. However, the mechanism of how the single OR allele is chosen remains unclear along with the question of whether one OSN only expresses a single OR gene, a hypothesis that has not been rigorously verified while we performed the experiments. Moreover, failure of axonal targeting to single glomerulus was observed in MeCP2 deficient OSNs where delayed development was proposed as an explanation for the phenotype. How Mecp2 mutation caused this aberrant targeting is not entirely understood.

In this dissertation, we explored the transcriptomes of single and mature OSNs by single-cell RNA-Seq to reveal their heterogeneity and further studied the OR gene expression from these isolated OSNs. The singularity of sequenced OSNs was ensured by the observation of monoallelic expression of X-linked genes from the hybrid samples from crosses between mice of different strains where strain-specific polymorphisms could be used to track the allelic origins of SNP-containing reads. The clustering of expression profiles from triplicates that originated from the same cell assured that the transcriptomic identities of OSNs were maintained through the experimental process. The average gene expression profiles of sequenced OSNs correlated well to the conventional transcriptome data of FACS-sorted Omp-positive cells, and the top-ranked expression of OR was conceded in the single-OSN transcriptomes. While exploring cellular diversity, in addition to OR genes, we revealed nearly 200 differentially expressed genes among the sequenced OSNs in this study. Among the 36 sequenced OSNs, eight cells (22.2%) showed multiple OR gene expression and the presences of additional ORs were not restricted to the neighbor loci that shared the transcriptional effect of the primary OR expression, suggesting that the “One neuron-one receptor rule” might not be strictly true at the transcription level. All of the inferable ORs, including additional co-expressed ORs, were shown to be monoallelic. Our sequencing of 21 Mecp2308 mutant OSNs, of which 62% expressed more than one OR genes, and the expression levels of the additional ORs were significantly higher than those in the wild-type, suggested that MeCP2 plays a role in the regulation of singular OR gene expression. Dual label in situ hybridization along with the sequence data revealed that dorsal and ventral ORs were co-expressed in the same Mecp2 mutant OSN, further implying that MeCP2 might be involved in regulation of OR territories in the OE. Our results suggested a new role of MeCP2 in OR gene choice and ratified that this multiple-OR expression caused by Mecp2 mutation did not accompany delayed OSN development that has been observed in the previous studies on the Mecp2 mutants.

Advances in Dynamic Modeling and Computation for Count Data

A class of multi-process models is developed for collections of time indexed count data. Autocorrelation in counts is achieved with dynamic models for the natural parameter of the binomial distribution. In addition to modeling binomial time series, the framework includes dynamic models for multinomial and Poisson time series. Markov chain Monte Carlo (MCMC) and Po ́lya-Gamma data augmentation (Polson et al., 2013) are critical for fitting multi-process models of counts. To facilitate computation when the counts are high, a Gaussian approximation to the P ́olya- Gamma random variable is developed.

Three applied analyses are presented to explore the utility and versatility of the framework. The first analysis develops a model for complex dynamic behavior of themes in collections of text documents. Documents are modeled as a “bag of words”, and the multinomial distribution is used to characterize uncertainty in the vocabulary terms appearing in each document. State-space models for the natural parameters of the multinomial distribution induce autocorrelation in themes and their proportional representation in the corpus over time.

The second analysis develops a dynamic mixed membership model for Poisson counts. The model is applied to a collection of time series which record neuron level firing patterns in rhesus monkeys. The monkey is exposed to two sounds simultaneously, and Gaussian processes are used to smoothly model the time-varying rate at which the neuron’s firing pattern fluctuates between features associated with each sound in isolation.

The third analysis presents a switching dynamic generalized linear model for the time-varying home run totals of professional baseball players. The model endows each player with an age specific latent natural ability class and a performance enhancing drug (PED) use indicator. As players age, they randomly transition through a sequence of ability classes in a manner consistent with traditional aging patterns. When the performance of the player significantly deviates from the expected aging pattern, he is identified as a player whose performance is consistent with PED use.

All three models provide a mechanism for sharing information across related series locally in time. The models are fit with variations on the P ́olya-Gamma Gibbs sampler, MCMC convergence diagnostics are developed, and reproducible inference is emphasized throughout the dissertation.

Posttranscriptional Regulation of Embryonic Neurogenesis by the Exon Junction Complex

The six-layered neuron structure in the cerebral cortex is the foundation for human mental abilities. In the developing cerebral cortex, neural stem cells undergo proliferation and differentiate into intermediate progenitors and neurons, a process known as embryonic neurogenesis. Disrupted embryonic neurogenesis is the root cause of a wide range of neurodevelopmental disorders, including microcephaly and intellectual disabilities. Multiple layers of regulatory networks have been identified and extensively studied over the past decades to understand this complex but extremely crucial process of brain development. In recent years, post-transcriptional RNA regulation through RNA binding proteins has emerged as a critical regulatory nexus in embryonic neurogenesis. The exon junction complex (EJC) is a highly conserved RNA binding complex composed of four core proteins, Magoh, Rbm8a, Eif4a3, and Casc3. The EJC plays a major role in regulating RNA splicing, nuclear export, subcellular localization, translation, and nonsense mediated RNA decay. Human genetic studies have associated individual EJC components with various developmental disorders. We showed previously that haploinsufficiency of Magoh causes microcephaly and disrupted neural stem cell differentiation in mouse. However, it is unclear if other EJC core components are also required for embryonic neurogenesis. More importantly, the molecular mechanism through which the EJC regulates embryonic neurogenesis remains largely unknown. Here, we demonstrated with genetically modified mouse models that both Rbm8a and Eif4a3 are required for proper embryonic neurogenesis and the formation of a normal brain. Using transcriptome and proteomic analysis, we showed that the EJC posttranscriptionally regulates genes involved in the p53 pathway, splicing and translation regulation, as well as ribosomal biogenesis. This is the first in vivo evidence suggesting that the etiology of EJC associated neurodevelopmental diseases can be ribosomopathies. We also showed that, different from other EJC core components, depletion of Casc3 only led to mild neurogenesis defects in the mouse model. However, our data suggested that Casc3 is required for embryo viability, development progression, and is potentially a regulator of cardiac development. Together, data presented in this thesis suggests that the EJC is crucial for embryonic neurogenesis and that the EJC and its peripheral factors may regulate development in a tissue-specific manner.

Investigating the developmental and behavioral consequences of maternal immune activation on affected offspring

Maternal infection during pregnancy increases the risk of several neuropsychiatric disorders later in life, many of which have a component of dopaminergic (DA) dysfunction, including schizophrenia, autism spectrum disorders (ASD), and attention deficit hyperactivity disorder (ADHD). The majority of DA neurons are found in the adult midbrain; as such the midbrain is a key region of interest regarding these disorders. The literature is conflicting regarding the behavioral alterations following maternal immune activation (MIA) exposure, and the cellular and molecular consequences of MIA on the developing midbrain remain to be fully elucidated. Thus, this thesis aimed to establish the consequences of acute and mild MIA on offspring dopamine-related behaviors, as well as the associated cellular and molecular disturbances of MIA on offspring midbrains. We utilized a rat model of MIA using low dose (50μg/kg, I.P.) of LPS administered at different gestational ages. Our first study indicated that MIA at later gestational ages significantly increased pro-inflammatory IL-1β expression, and reduced HSD11B2 expression in the placenta, which is an important regulator of fetal development. In utero LPS exposure at later gestational ages also impaired the growth of neurons from affected offspring. This study identified key gestational stages during which MIA resulted in differential effects. We utilized these time points in subsequent studies, the next of which investigated neurobehavioral outcomes following MIA. Our results from that study showed that motor differences occurred in juvenile offspring following MIA at E16 only, and these differences were compensated for in adolescence. Then, there was a decline in motor behavior capabilities in adulthood, again only for animals exposed to MIA on E16 (and not E12). Furthermore, our results also demonstrated adolescent and adult offspring that were exposed to MIA at E12 had diminished responses to amphetamine in reward seeking behaviors. In our final study, we aimed to investigate the molecular and cellular changes following MIA which might explain these behavioral alterations. This final study showed a differential inflammatory response in fetal midbrains depending on gestational age of exposure as well as differential developmental alterations. For example, LPS exposure at E16 resulted in decreased VM neurosphere size after 7DIV and this was associated with an increased susceptibility to neurotoxic effects of pro-inflammatory cytokines for VM neurospheres and VM DA neurons treated in culture. In utero LPS exposure at E16 also reduced DA neuron count of fetal VM, measured by TH staining. However, there were no differences in DA neuron number in juvenile, adolescent, or adult offspring. Similarly, LPS exposure did not alter cell number or morphology of glial cells in the midbrains of affected offspring. In conclusion, this thesis indicated later rat pregnancy (E16) as vulnerable time for MIA to affect the development of the nigrostriatal pathway and subsequent behavioral outcomes, possibly implicating a role for MIA in increased risk for disorders associated with motor behavior, like PD. These effects may be mediated through alterations in the placenta and altered inflammatory mediators in the offspring brain. This thesis has also shown that MIA in earlier rat pregnancy (E12) results in altered mesocorticolimbic function, and in particular MIA on E12 resulted in a differential response to amphetamine in affected offspring, which may implicate a role for MIA in increasing the risk for disorders associated with this pathway, including drug tolerance and addiction.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

The white gene and locomotor recovery from anoxia in Drosophila melanogaster

Locomotor recovery from anoxia is complicated and little is known about the molecular and cellular mechanisms regulating anoxic recovery in Drosophila. For this thesis I established a protocol for large-scale analysis of locomotor activity in adult flies with exposure to a transient anoxia. Using this protocol I observed that wild-type Canton-S flies recovered faster and more consistently from anoxia than the white-eyed mutant w1118, which carries a null allele of w1118 in an isogenic genetic background. Both Canton-S and w1118 are commonly used controls in the Drosophila community. Genetic analysis including serial backcrossing, RNAi knockdown, w+ duplication to Y chromosome as well as gene mutation revealed a strong association between the white gene and the timing of locomotor recovery. I also found that the locomotor recovery phenotype is independent of white-associated eye pigmentation, that heterozygous w+ allele was haplo-insufficient to induce fast and consistent locomotor recovery from anoxia in female flies, and that mini-white is insufficient to promote fast and consistent locomotor recovery. Moreover, locomotor recovery was delayed in flies with RNAi knockdown of white in subsets of serotonin neurons in the central nervous system. I further demonstrated that mutations of phosphodiesterase genes (PDE) displayed wild-type-like fast and consistent locomotor recovery, and that locomotor recovery was light-sensitive in the night in w1118. The delayed locomotor recovery and the light sensitivity were eliminated in PDE mutants that were dual-specific or cyclic guanosine monophosphate (cGMP)-specific. Up-regulation of cGMP using multiple approaches including PDE mutation, sildenafil feeding or specific expression of an atypical soluble guanylyl cyclase (Gyc88E) was sufficient to suppress w-RNAi induced delay of locomotor recovery. Taken together, these data strongly support the hypothesis that White transports cGMP and promotes fast and consistent locomotor recovery from anoxia.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

La sécrétion de la protéine tau : mécanisme de propagation de la pathologie de tau dans la maladie d’Alzheimer.

Dans la maladie d’Alzheimer, il existe deux marqueurs histopathologiques : les plaques amyloïdes composées de la protéine amyloïde-bêta et les enchevêtrements neurofibrillaires (NFTs) composés de la protéine tau agrégée. Dans le cerveau, la propagation de la pathologie de tau est observée le long des circuits neuronaux connectés synaptiquement, selon une séquence de stades, caractérisés par le Docteur Braak en 1991. Chez les patients, le degré de démence corrèle avec le nombre de NFTs. Ces derniers apparaissent dans des régions précises du cerveau et se propagent, de manière prédictible, le long des projections neuronales à des stades plus tardifs de la pathologie. Il reste à éclaircir la manière dont les NFTs se propagent dans les différentes régions du cerveau. Dans notre laboratoire, nous avons émis l’hypothèse que la propagation de tau pourrait se produire par un processus de transmission de cellule à cellule. Ainsi, la protéine tau serait tout d’abord sécrétée par un neurone, puis endocytée par un neurone adjacent. Nos travaux de recherche se sont concentrés sur la sécrétion de la protéine tau. Dans une première étape, nous avons démontré l’existence de la sécrétion active de tau dans l’espace extracellulaire, en utilisant des modèles in vitro de cellules non neuronales et neuronales. Par la suite, nous avons caractérisé les formes de protéines tau sécrétées. Enfin dans un dernier temps, nous avons exploré les voies de sécrétion de la protéine tau ainsi que les mécanismes régulant ce phénomène. Nous avons réussi à moduler la sécrétion de tau en reproduisant plusieurs insultes observées dans la maladie d’Alzheimer. Nos recherches nous ont permis d’identifier l’appareil de Golgi comme étant une organelle dont la fragmentation augmente la sécrétion de la protéine tau. A la lumière de cette découverte, nous avons été capable de moduler la sécrétion de tau en ciblant spécifiquement l’activité de cdk5 et l’expression de rab1A contrôlant la morphologie du Golgi. Ainsi, nous avons réussi à diminuer significativement la sécrétion de la protéine tau. Nos travaux de recherche proposent de nouvelles cibles thérapeutiques pour la maladie d’Alzheimer, visant à diminuer la propagation de la pathologie de tau par de nouveaux mécanismes cellulaires.

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

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

Synthetic Polymer and Microbubble Systems for Gene Delivery to the Brain

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

Mapeando fundamentos do Constructo Neuromarketing com profissionais de empresa de publicidade

This study aims to acknowledge the domain level and influence of the neuromarketing construct. This is done considering professionals at advertising agencies in Brazil. The presence of concepts related to this new approach is very little divulged, and there are little analysis performed on this area. Thus, the research is of qualitative and exploratory nature and used as primary fonts books, articles related to marketing, neuroscience, and psychology as well as secondary fonts. A profound interview was realized aiming the main advertising agencies in Brazil. The public was composed by managers responsible for planning. A content analysis was performed afterwards. The advances related to the brain science have permitted the development of technological innovation. These go primarily towards knowledge and unconscious experiences of consumers, which are responsible for the impulse of decision making and consumer behavior. These issues are related to Neuromarketing, that in turn, uses techniques such as FMRI, PET and FDOT. These scan the consumer s brain and produces imagines on the neuron s structures and functioning. This is seen while activities such as mental tasks for the visualization of brands, images or products, watching videos and commercials are performed. It is observed that the agencies are constantly in search of new technologies and are aware of the limitations of the current research instruments. On the other hand, they are not totally familiar with concepts related to neuromarketing. In relation to the neuroimage techniques it is pointed out by the research that there is full unawareness, but some agencies seem to visualize positive impacts with the use of these techniques for the evaluation of films and in ways that permit to know the consumer better. It is also seen that neuroimage is perceived as a technique amongst others, but its application is not real, there are some barriers in the market and in the agencies itself. These barriers as well as some questioning allied to the scarce knowledge of neuromarketing, make it not possible to be put into practice in the advertising market. It is also observed that even though there is greater use of neuromarketing; there would not be any meaningful changes in functioning and structuring of these agencies. The use of the neuro-image machines should be done in research institutes and centers of big companies. Results show that the level of domain of the neuromarketing construct in the Brazilian advertising agencies is only a theoretical one. Little is known of this subject and the neurological studies and absolutely nothing of neuroimage techniques