Weed or wheel! FMRI, behavioural, and toxicological investigations of how cannabis smoking affects skills necessary for driving.

Marijuana is the most widely used illicit drug, however its effects on cognitive functions underling safe driving remain mostly unexplored. Our goal was to evaluate the impact of cannabis on the driving ability of occasional smokers, by investigating changes in the brain network involved in a tracking task. The subject characteristics, the percentage of Δ(9)-Tetrahydrocannabinol in the joint, and the inhaled dose were in accordance with real-life conditions. Thirty-one male volunteers were enrolled in this study that includes clinical and toxicological aspects together with functional magnetic resonance imaging of the brain and measurements of psychomotor skills. The fMRI paradigm was based on a visuo-motor tracking task, alternating active tracking blocks with passive tracking viewing and rest condition. We show that cannabis smoking, even at low Δ(9)-Tetrahydrocannabinol blood concentrations, decreases psychomotor skills and alters the activity of the brain networks involved in cognition. The relative decrease of Blood Oxygen Level Dependent response (BOLD) after cannabis smoking in the anterior insula, dorsomedial thalamus, and striatum compared to placebo smoking suggests an alteration of the network involved in saliency detection. In addition, the decrease of BOLD response in the right superior parietal cortex and in the dorsolateral prefrontal cortex indicates the involvement of the Control Executive network known to operate once the saliencies are identified. Furthermore, cannabis increases activity in the rostral anterior cingulate cortex and ventromedial prefrontal cortices, suggesting an increase in self-oriented mental activity. Subjects are more attracted by intrapersonal stimuli ("self") and fail to attend to task performance, leading to an insufficient allocation of task-oriented resources and to sub-optimal performance. These effects correlate with the subjective feeling of confusion rather than with the blood level of Δ(9)-Tetrahydrocannabinol. These findings bolster the zero-tolerance policy adopted in several countries that prohibits the presence of any amount of drugs in blood while driving.

Ultrastructural analysis of neuronal plasticity in the adult mouse

ABSTRACT Adult neuronal plasticity is a term that corresponds to a set of biological mechanisms allowing a neuronal circuit to respond and adapt to modifications of the received inputs. Mystacial whiskers of the mouse are the starting point of a major sensory pathway that provides the animal with information from its immediate environment. Through whisking, information is gathered that allows the animal to orientate itself and to recognize objects. This sensory system is crucial for nocturnal behaviour during which vision is not of much use. Sensory information of the whiskers are sent via brainstem and thalamus to the primary somatosensory area (S1) of the cerebral cortex in a strictly topological manner. Cell bodies in the layer N of S 1 are arranged in ring forming structures called barrels. As such, each barrel corresponds to the cortical representation in layer IV of a single whisker follicle. This histological feature allows to identify with uttermost precision the part of the cortex devoted to a given whisker and to study modifications induced by different experimental conditions. The condition used in the studies of my thesis is the passive stimulation of one whisker in the adult mouse for a period of 24 hours. It is performed by glueing a piece of metal on one whisker and placing the awake animal in a cage surrounded by an electromagnetic coil that generates magnetic field burst inducing whisker movement at a given frequency during 24 hours. I analysed the ultrastructure of the barrel corresponding the stimulated whisker using serial sections electron microscopy and computer-based three-dimensional reconstructions; analysis of neighbouring, unstimulated barrels as well as those from unstimulated mice served as control. The following elements were structurally analyzed: the spiny dendrites, the axons of excitatory as well as inhibitory cells, their connections via synapses and the astrocytic processes. The density of synapses and spines is upregulated in a barrel corresponding to a stimulated whisker. This upregulation is absent in the BDNF heterozygote mice, indicating that a certain level of activity-dependent released BDNF is required for synaptogenesis in the adult cerebral cortex. Synpaptogenesis is correlated with a modification of the astrocytes that place themselves in closer vicinity of the excitatory synapses on spines. Biochemical analysis revealed that the astrocytes upregulate the expression of transporters by which they internalise glutamate, the neurotransmitter responsible for the excitatory response of cortical neurons. In the final part of my thesis, I show that synaptogenesis in the stimulated barrel is due to the increase in the size of excitatory axonal boutons that become more frequently multisynaptic, whereas the inhibitory axons do not change their morphology but form more synapses with spines apposed to them. Taken together, my thesis demonstrates that all the cellular elements present in the neuronal tissue of the adult brain contribute to activity-dependent cortical plasticity and form part of a mechanism by which the animal responds to a modified sensory experience. Throughout life, the neuronal circuit keeps the faculty to adapt its function. These adaptations are partially transitory but some aspects remain and could be the structural basis of a memory trace in the cortical circuit. RESUME La plasticité neuronale chez l'adulte désigne un ensemble de mécanismes biologiques qui permettent aux circuits neuronaux de répondre et de s'adapter aux modifications des stimulations reçues. Les vibrisses des souris sont un système crucial fournissant des informations sensorielles au sujet de l'environnement de l'animal. L'information sensorielle collectée par les vibrisses est envoyée via le tronc cérébral et le thalamus à l'aire sensorielle primaire (S 1) du cortex cérébral en respectant strictement la somatotopie. Les corps cellulaires dans la couche IV de S 1 sont organisés en anneaux délimitant des structures nommées tonneaux. Chaque tonneau reçoit l'information d'une seule vibrisse et l'arrangement des tonneaux dans le cortex correspond à l'arrangement des vibrisses sur le museau de la souris. Cette particularité histologique permet de sélectionner avec certitude la partie du cortex dévolue à une vibrisse et de l'étudier dans diverses conditions. Le paradigme expérimental utilisé dans cette thèse est la stimulation passive d'une seule vibrisse durant 24 heures. Pour ce faire, un petit morceau de métal est collé sur une vibrisse et la souris est placée dans une cage entourée d'une bobine électromagnétique générant un champ qui fait vibrer le morceau de métal durant 24 heures. Nous analysons l'ultrastructure du cortex cérébral à l'aide de la microscopie électronique et des coupes sériées permettant la reconstruction tridimensionnelle à l'aide de logiciels informatiques. Nous observons les modifications des structures présentes : les dendrites épineuses, les axones des cellules excitatrices et inhibitrices, leurs connections par des synapses et les astrocytes. Le nombre de synapses et d'épines est augmenté dans un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée 24 heures. Basé sur cela, nous montrons dans ces travaux que cette réponse n'est pas observée dans des souris hétérozygotes BDNF+/-. Cette neurotrophine sécrétée en fonction de l'activité neuronale est donc nécessaire pour la synaptogenèse. La synaptogenèse est accompagnée d'une modification des astrocytes qui se rapprochent des synapses excitatrices au niveau des épines dendritiques. Ils expriment également plus de transporteurs chargés d'internaliser le glutamate, le neurotransmetteur responsable de la réponse excitatrice des neurones. Nous montrons aussi que les axones excitateurs deviennent plus larges et forment plus de boutons multi-synaptiques à la suite de la stimulation tandis que les axones inhibiteurs ne changent pas de morphologie mais forment plus de synapses avec des épines apposées à leur membrane. Tous les éléments analysés dans le cerveau adulte ont maintenu la capacité de réagir aux modifications de l'activité neuronale et répondent aux modifications de l'activité permettant une constante adaptation à de nouveaux environnements durant la vie. Les circuits neuronaux gardent la capacité de créer de nouvelles synapses. Ces adaptations peuvent être des réponses transitoires aux stimuli mais peuvent aussi laisser une trace mnésique dans les circuits.

Glibenclamide enhances neurogenesis and improves long-term functional recovery after transient focal cerebral ischemia

Glibenclamide is neuroprotective against cerebral ischemia in rats. We studied whether glibenclamide enhances long-term brain repair and improves behavioral recovery after stroke. Adult male Wistar rats were subjected to transient middle cerebral artery occlusion (MCAO) for 90 minutes. A low dose of glibenclamide (total 0.6mg) was administered intravenously 6, 12, and 24 hours after reperfusion. We assessed behavioral outcome during a 30-day follow-up and animals were perfused for histological evaluation. In vitro specific binding of glibenclamide to microglia increased after pro-inflammatory stimuli. In vivo glibenclamide was associated with increased migration of doublecortin-positive cells in the striatum toward the ischemic lesion 72 hours after MCAO, and reactive microglia expressed sulfonylurea receptor 1 (SUR1) and Kir6.2 in the medial striatum. One month after MCAO, glibenclamide was also associated with increased number of NeuN-positive and 5-bromo-2-deoxyuridine-positive neurons in the cortex and hippocampus, and enhanced angiogenesis in the hippocampus. Consequently, glibenclamide-treated MCAO rats showed improved performance in the limb-placing test on postoperative days 22 to 29, and in the cylinder and water-maze test on postoperative day 29. Therefore, acute blockade of SUR1 by glibenclamide enhanced long-term brain repair in MCAO rats, which was associated with improved behavioral outcome.

Mechanisms underlying functional recovery after in vivo focal cerebral ischemia : from preconditioning to diffusion MRI

Version abregée L'ischémie cérébrale est la troisième cause de mort dans les pays développés, et la maladie responsable des plus sérieux handicaps neurologiques. La compréhension des bases moléculaires et anatomiques de la récupération fonctionnelle après l'ischémie cérébrale est donc extrêmement importante et représente un domaine d'intérêt crucial pour la recherche fondamentale et clinique. Durant les deux dernières décennies, les chercheurs ont tenté de combattre les effets nocifs de l'ischémie cérébrale à l'aide de substances exogènes qui, bien que testées avec succès dans le domaine expérimental, ont montré un effet contradictoire dans l'application clinique. Une approche différente mais complémentaire est de stimuler des mécanismes intrinsèques de neuroprotection en utilisant le «modèle de préconditionnement» : une brève insulte protège contre des épisodes d'ischémie plus sévères à travers la stimulation de voies de signalisation endogènes qui augmentent la résistance à l'ischémie. Cette approche peut offrir des éléments importants pour clarifier les mécanismes endogènes de neuroprotection et fournir de nouvelles stratégies pour rendre les neurones et la glie plus résistants à l'attaque ischémique cérébrale. Dans un premier temps, nous avons donc étudié les mécanismes de neuroprotection intrinsèques stimulés par la thrombine, un neuroprotecteur «préconditionnant» dont on a montré, à l'aide de modèles expérimentaux in vitro et in vivo, qu'il réduit la mort neuronale. En appliquant une technique de microchirurgie pour induire une ischémie cérébrale transitoire chez la souris, nous avons montré que la thrombine peut stimuler les voies de signalisation intracellulaire médiées par MAPK et JNK par une approche moléculaire et l'analyse in vivo d'un inhibiteur spécifique de JNK (L JNK) .Nous avons également étudié l'impact de la thrombine sur la récupération fonctionnelle après une attaque et avons pu démontrer que ces mécanismes moléculaires peuvent améliorer la récupération motrice. La deuxième partie de cette étude des mécanismes de récupération après ischémie cérébrale est basée sur l'investigation des bases anatomiques de la plasticité des connections cérébrales, soit dans le modèle animal d'ischémie transitoire, soit chez l'homme. Selon des résultats précédemment publiés par divers groupes ,nous savons que des mécanismes de plasticité aboutissant à des degrés divers de récupération fonctionnelle sont mis enjeu après une lésion ischémique. Le résultat de cette réorganisation est une nouvelle architecture fonctionnelle et structurelle, qui varie individuellement selon l'anatomie de la lésion, l'âge du sujet et la chronicité de la lésion. Le succès de toute intervention thérapeutique dépendra donc de son interaction avec la nouvelle architecture anatomique. Pour cette raison, nous avons appliqué deux techniques de diffusion en résonance magnétique qui permettent de détecter les changements de microstructure cérébrale et de connexions anatomiques suite à une attaque : IRM par tenseur de diffusion (DT-IR1V) et IRM par spectre de diffusion (DSIRM). Grâce à la DT-IRM hautement sophistiquée, nous avons pu effectuer une étude de follow-up à long terme chez des souris ayant subi une ischémie cérébrale transitoire, qui a mis en évidence que les changements microstructurels dans l'infarctus ainsi que la modification des voies anatomiques sont corrélés à la récupération fonctionnelle. De plus, nous avons observé une réorganisation axonale dans des aires où l'on détecte une augmentation d'expression d'une protéine de plasticité exprimée dans le cône de croissance des axones (GAP-43). En appliquant la même technique, nous avons également effectué deux études, rétrospective et prospective, qui ont montré comment des paramètres obtenus avec DT-IRM peuvent monitorer la rapidité de récupération et mettre en évidence un changement structurel dans les voies impliquées dans les manifestations cliniques. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons décrit la manière dont la DS-IRM peut être appliquée dans le domaine expérimental et clinique pour étudier la plasticité cérébrale après ischémie. Abstract Ischemic stroke is the third leading cause of death in developed countries and the disease responsible for the most serious long-term neurological disability. Understanding molecular and anatomical basis of stroke recovery is, therefore, extremely important and represents a major field of interest for basic and clinical research. Over the past 2 decades, much attention has focused on counteracting noxious effect of the ischemic insult with exogenous substances (oxygen radical scavengers, AMPA and NMDA receptor antagonists, MMP inhibitors etc) which were successfully tested in the experimental field -but which turned out to have controversial effects in clinical trials. A different but complementary approach to address ischemia pathophysiology and treatment options is to stimulate and investigate intrinsic mechanisms of neuroprotection using the "preconditioning effect": applying a brief insult protects against subsequent prolonged and detrimental ischemic episodes, by up-regulating powerful endogenous pathways that increase resistance to injury. We believe that this approach might offer an important insight into the molecular mechanisms responsible for endogenous neuroprotection. In addition, results from preconditioning model experiment may provide new strategies for making brain cells "naturally" more resistant to ischemic injury and accelerate their rate of functional recovery. In the first part of this work, we investigated down-stream mechanisms of neuroprotection induced by thrombin, a well known neuroprotectant which has been demonstrated to reduce stroke-induced cell death in vitro and in vivo experimental models. Using microsurgery to induce transient brain ischemia in mice, we showed that thrombin can stimulate both MAPK and JNK intracellular pathways through a molecular biology approach and an in vivo analysis of a specific kinase inhibitor (L JNK1). We also studied thrombin's impact on functional recovery demonstrating that these molecular mechanisms could enhance post-stroke motor outcome. The second part of this study is based on investigating the anatomical basis underlying connectivity remodeling, leading to functional improvement after stroke. To do this, we used both a mouse model of experimental ischemia and human subjects with stroke. It is known from previous data published in literature, that the brain adapts to damage in a way that attempts to preserve motor function. The result of this reorganization is a new functional and structural architecture, which will vary from patient to patient depending on the anatomy of the damage, the biological age of the patient and the chronicity of the lesion. The success of any given therapeutic intervention will depend on how well it interacts with this new architecture. For this reason, we applied diffusion magnetic resonance techniques able to detect micro-structural and connectivity changes following an ischemic lesion: diffusion tensor MRI (DT-MRI) and diffusion spectrum MRI (DS-MRI). Using DT-MRI, we performed along-term follow up study of stroke mice which showed how diffusion changes in the stroke region and fiber tract remodeling is correlating with stroke recovery. In addition, axonal reorganization is shown in areas of increased plasticity related protein expression (GAP 43, growth axonal cone related protein). Applying the same technique, we then performed a retrospective and a prospective study in humans demonstrating how specific DTI parameters could help to monitor the speed of recovery and show longitudinal changes in damaged tracts involved in clinical symptoms. Finally, in the last part of this study we showed how DS-MRI could be applied both to experimental and human stroke and which perspectives it can open to further investigate post stroke plasticity.

Early auditory processing

ABSTRACT (English)An accurate processing of the order between sensory events at the millisecond time scale is crucial for both sensori-motor and cognitive functions. Temporal order judgment (TOJ) tasks, is the ability of discriminating the order of presentation of several stimuli presented in a rapid succession. The aim of the present thesis is to further investigate the spatio-temporal brain mechanisms supporting TOJ. In three studies we focus on the dependency of TOJ accuracy on the brain states preceding the presentation of TOJ stimuli, the neural correlates of accurate vs. inaccurate TOJ and whether and how TOJ performance can be improved with training.In "Pre-stimulus beta oscillations within left posterior sylvian regions impact auditory temporal order judgment accuracy" (Bernasconi et al., 2011), we investigated if the brain activity immediately preceding the presentation of the stimuli modulates TOJ performance. By contrasting the electrophysiological activity before the stimulus presentation as a function of TOJ accuracy we observed a stronger pre-stimulus beta (20Hz) oscillatory activity within the left posterior sylvian region (PSR) before accurate than inaccurate TOJ trials.In "Interhemispheric coupling between the posterior sylvian regions impacts successful auditory temporal order judgment" (Bernasconi et al., 2010a), and "Plastic brain mechanisms for attaining auditory temporal order judgment proficiency" (Bernasconi et al., 2010b), we investigated the spatio-temporal brain dynamics underlying auditory TOJ. In both studies we observed a topographic modulation as a function of TOJ performance at ~40ms after the onset of the first sound, indicating the engagement of distinct configurations of intracranial generators. Source estimations in the first study revealed a bilateral PSR activity for both accurate and inaccurate TOJ trials. Moreover, activity within left, but not right, PSR correlated with TOJ performance. Source estimations in the second study revealed a training-induced left lateralization of the initial bilateral (i.e. PSR) brain response. Moreover, the activity within the left PSR region correlated with TOJ performance.Based on these results, we suggest that a "temporal stamp" is established within left PSR on the first sound within the pair at early stages (i.e. ~40ms) of cortical processes, but is critically modulated by inputs from right PSR (Bernasconi et al., 2010a; b). The "temporal stamp" on the first sound may be established via a sensory gating or prior entry mechanism.Behavioral and brain responses to identical stimuli can vary due to attention modulation, vary with experimental and task parameters or "internal noise". In a fourth experiment (Bernasconi et al., 2011b) we investigated where and when "neural noise" manifest during the stimulus processing. Contrasting the AEPs of identical sound perceived as High vs. Low pitch, a topographic modulation occurred at ca. 100ms after the onset of the sound. Source estimation revealed activity within regions compatible with pitch discrimination. Thus, we provided neurophysiological evidence for the variation in perception induced by "neural noise".ABSTRACT (French)Un traitement précis de l'ordre des événements sensoriels sur une échelle de temps de milliseconde est crucial pour les fonctions sensori-motrices et cognitives. Les tâches de jugement d'ordre temporel (JOT), consistant à présenter plusieurs stimuli en succession rapide, sont traditionnellement employées pour étudier les mécanismes neuronaux soutenant le traitement d'informations sensorielles qui varient rapidement. Le but de cette thèse est d'étudier le mécanisme cérébral soutenant JOT. Dans les trois études présentées nous nous sommes concentrés sur les états du cerveau précédant la présentation des stimuli de JOT, les bases neurales pour un JOT correct vs. incorrect et sur la possibilité et les moyens d'améliorer l'exécution du JOT grâce à un entraînement.Dans "Pre-stimulus beta oscillations within left posterior sylvian regions impact auditory temporal order judgment accuracy" (Bernasconi et al., 2011),, nous nous sommes intéressé à savoir si l'activité oscillatoire du cerveau au pré-stimulus modulait la performance du JOT. Nous avons contrasté l'activité électrophysiologique en fonction de la performance TOJ, mesurant une activité oscillatoire beta au pré-stimulus plus fort dans la région sylvian postérieure gauche (PSR) liée à un JOT correct.Dans "Interhemispheric coupling between the posterior sylvian regions impacts successful auditory temporal order judgment" (Bernasconi et al., 2010a), et "Plastic brain mechanisms for attaining auditory temporal order judgment proficiency" (Bernasconi et al., 2010b), nous avons étudié la dynamique spatio-temporelle dans le cerveau impliqué dans le traitement du JOT auditif. Dans ses deux études, nous avons observé une modulation topographique à ~40ms après le début du premier son, en fonction de la performance JOT, indiquant l'engagement des configurations de générateurs intra- crâniens distincts. La localisation de source dans la première étude indique une activité bilatérale de PSR pour des JOT corrects vs. incorrects. Par ailleurs, l'activité dans PSR gauche, mais pas dans le droit, est corrélée avec la performance du JOT. La localisation de source dans la deuxième étude indiquait une latéralisation gauche induite par l'entraînement d'une réponse initialement bilatérale du cerveau. D'ailleurs, l'activité dans la région PSR gauche corrèlait avec la performance de TOJ.Basé sur ces résultats, nous proposons qu'un « timbre-temporel » soit établi très tôt (c.-à-d. à ~40ms) sur le premier son par le PSR gauche, mais module par l'activité du PSR droite (Bernasconi et al., 2010a ; b). « Le timbre- temporel » sur le premier son peut être établi par le mécanisme neuronal de type « sensory gating » ou « prior entry ».Les réponses comportementales et du cerveau aux stimuli identiques peut varier du à des modulations d'attention ou à des variations dans les paramètres des tâches ou au bruit interne du cerveau. Dans une quatrième expérience (Bernasconi et al. 2011B), nous avons étudié où et quand le »bruit neuronal« se manifeste pendant le traitement des stimuli. En contrastant les AEPs de sons identiques perçus comme aigus vs. grave, nous avons mesuré une modulation topographique à env. 100ms après l'apparition du son. L'estimation de source a révélé une activité dans les régions compatibles avec la discrimination de fréquences. Ainsi, nous avons fourni des preuves neurophysiologiques de la variation de la perception induite par le «bruit neuronal».

Role of CLOCK and circadian rhythms in calcium homeostasis

Le maintien d'une concentration sanguine constante de calcium est d'une importance cruciale et trois organes participent à la balance calcique normale : les reins, les intestins et les os. La concentration plasmatique de calcium est strictement régulée par l'hormone parathyroïdienne (PTH) et par la vitamine D. Des variations circadiennes de la PTH, de la vitamine D ainsi que du calcium plasmatique ont été décrites précédemment chez l'humain ainsi que chez le rat. Ces rythmes de PTH dans le sérum sont importants pour la régulation du remodelage de l'os. En effet, il a été montré chez les souris C57BL/6J que des injections de PTH une fois par jour mènent à une augmentation de la densité minérale de l'os alors que l'infusion en continu de PTH est associée à une diminution de cette densité. La vitamine D joue également un rôle fondamental dans la physiologie osseuse, car un déficit en vitamine D peut conduire à une ostéomalacie. Cependant la fonction des oscillations de vitamine D au niveau de l'homéostasie osseuse reste inconnue. L'horloge circadienne est un système interne de contrôle biologique du temps générant des rythmes de 24 heures dans l'expression des gènes, ainsi que dans la physiologie et le comportement. Ce contrôle s'opère par des boucles rétroactives positives et négatives de l'expression de gènes circadiens tels que CLOCK, BMAL1, CRY1 et 2 ou PERI et 2. Dans ce travail, nous avons émis l'hypothèse que l'homéostasie calcique est sous le contrôle de l'horloge circadienne. Dans un premier temps, nous avons montré chez les souris C57BL/6J des variations journalières des concentrations de calcium, de PTH et de vitamine D dans le sang, ainsi que de calcium dans les urines. Nous avons également démontré des changements au niveau de l'expression rénale des gènes importants dans l'homéostasie du calcium, tant au niveau de l'ARN messager que des protéines. Ensuite, pour analyser le rôle du système de l'horloge circadienne dans l'homéostasie du calcium, nous avons étudié des souris dans lesquelles a été supprimé le gène CLOCK crucial pour la fonction de l'horloge et nous avons comparé ces souris à des souris de type sauvage de même portée. Les souris CLOCK-I- étaient hypercalciuriques à chaque moment de la journée. Cependant le rythme circadien de l'excrétion de calcium était préservé. Le taux de calcium plasmatique ne différait pas entre les génotypes, mais les souris CLOCK -/- ne montraient pas de variations journalières de ce paramètre. Une perte du rythme journalier était également observée pour les niveaux de vitamine D, perte qui pourrait être une cause de l'altération de la micro-architecture osseuse révélée chez les souris CLOCK-/-. En effet, ces souris montrent une diminution du nombre de trabécules, de leur volume ainsi que de leur surface, ce qui suggère la présence d'ostéoporose. Nous avons également trouvé que le rythme de l'expression de l'ARN messager de CYP27B1 était aboli dans les reins des souris CLOCK -/-, ce qui peut expliquer l'altération du rythme de la vitamine D. Les taux sanguins de PTH étaient comparables entre les souris CLOCK -/- et de type sauvage. Dans les reins, une augmentation de l'expression de l'ARN messager de TRPV5 et NCX1 a été constatée, ce qui suggérerait une augmentation de la réabsorption de calcium dans le tubule convoluté distal et dans le tubule connecteur. Dans les intestins, la réabsorption calcique était diminuée, chez les souris CLOCK-I-, fait confirmé par une diminution des niveaux d'ARN messager de TRPV6 et PMCAL. En résumé, la suppression du gène CLOCK chez les souris a conduit à une hypercalciurie, une altération du rythme des taux plasmatiques de calcium et de vitamine D et à une détérioration de l'architecture osseuse. Pour conclure, ces résultats montrent que l'horloge circadienne est essentielle à l'homéostasie calcique ainsi qu'à la physiologie des os. - L'ostéoporose affecte environ 22 millions de femmes et 5.5 millions d'hommes en Europe, réduisant significativement leur qualité de vie et a causé 3.5 millions de nouvelles fractures en 2010. Les dépenses totales liées à ces fractures ont atteint 37 milliards d'euro et ce coût devrait augmenter de 25% d'ici à 2025. Le nombre de nouvelles fractures dues à l'ostéoporose à travers le monde est estimé à environ 1000 par heure. Parmi les causes de l'ostéoporose, le déficit én calcium et/ou en vitamine D joue un rôle important, mais il existe également des causes génétiques ou liées à des facteurs comme les hormones sexuelles (estrogènes, testostérone), l'âge, le tabac, le poids corporel, certains médicaments,... La vie est rythmique : ceci est dû à l'alternance naturelle du jour et de la nuit et de ses effets sur le corps. La prise alimentaire, par exemple, est un processus qui a lieu pendant la phase active, qui est prévisible (il se produit toujours au même moment) et qui peut être anticipé par le corps. Pour cela, une horloge interne est présente dans chaque cellule du corps et est synchronisée par la lumière du jour, entre autres stimuli. Cette horloge indique la phase du jour et régule l'expression de gènes impliqués dans les différents processus qui nécessitent une anticipation. Pendant mon travail de thèse, je me suis demandé si des îythmes circadiens (c'est-à-dire d'une durée d'environ 24 heures et indépendants des stimuli externes) étaient observables'pour les gènes régulant les flux de calcium dans le corps et si l'interruption de ces rythmes pouvait mener à des altérations de la qualité de l'os. J'ai d'abord travaillé avec des souris normales et j'ai pu montrer la présence de rythmes au niveau du calcium sanguin et urinaire, mais également au niveau des hormones et gènes qui contrôlent le métabolisme du calcium dans le corps, comme la vitamine D et l'hormone parathyroidienne. De manière intéressante, j'ai observé que la plupart de ces gènes ont un rythme synchronisé. J'ai ensuite utilisé un modèle de souris dans lequel l'horloge interne a été génétiquement invalidée et j'ai montré que ces souris présentent une augmentation de leur excrétion urinaire de calcium et un rythme circadien altéré de la vitamine D dans le sang. Ces souris absorbent aussi moins bien le calcium intestinal et présentent une ostéoporose marquée. Ce travail montre donc que l'horloge interne est nécessaire pour établir un rythme circadiens de certains facteurs influant les flux de calcium dans l'organisme, comme la vitamine D, et que la perturbation de ces rythmes mène à une dérégulation du métabolisme osseux. Ainsi, la perturbation de l'horloge interne peut causer une ostéoporose et une hypercalciurie qui pourraient aboutir à la formation de fractures et de calculs rénaux. L'extrapolation de ces observations chez l'homme ou à des changements plus subtiles des rythmes circadiens, comme le décalage horaire, restent à montrer. Cette recherche a démontré que les rythmes circadiens des mécanismes de régulation des flux de calcium dans l'organisme sont essentiels au maintien d'un squelette normal et suggère que les perturbations des rythmes circadiens pourraient être une nouvelle cause de l'ostéoporose. - Maintaining constant calcium concentration in the plasma is of a crucial importance and three organs participate in normal calcium balance - kidney, gut and bone. Plasma calcium concentration is strictly regulated by parathyroid hormone (PTH) and vitamin D. Circadian variations of PTH, vitamin D and plasma calcium were previously described in humans, as well as in rats. Rhythms in serum PTH are important for balanced bone remodelling. Indeed in C57BL/6J mice, PTH injection once per day leads to an increase in bone mineral density (BMD), whilst continuous infusion is associated with decreased BMD. Vitamin D also plays a crucial role in bone physiology, since the deficiency in vitamin D can lead to rickets/osteomalacia. However, the role of vitamin D rhythms in bone homeostasis remains unknown. The circadian clock is an. internal time-keeping system generating rhythms in gene expression with 24h periodicity, in physiology and in behaviour. It is operated by positive- and negative-feedback loops of circadian genes, such as CLOCK, BMAL1, CRY1 and 2 or PERI and 2. In this work, we hypothesized, that calcium homeostasis is under the control of the circadian clock. First, we showed daily variations in urinary calcium and serum calcium, PTH and l,25(OH)2 vitamin D, together with renal mRNA and protein levels of genes involved in calcium homeostasis in C57BL/6J mice. Second, and to investigate the role of the circadian clock system in calcium handling, we studied mice lacking the gene CLOCK crucial for fonction of the clock system and compared them to the WT littermates. CLOCK-/- mice were hypercalciuric at all timepoints of the day. However, the circadian rhythm of calcium excretion was preserved. Serum calcium levels did not differ between the genotypes, but CLOCK-/- mice did not exhibit daily variation for this parameter. Loss of rhythm was observed also for serum l,25(OH)2 vitamin D levels, which may be one of the causes of altered bone microarchitecture that was revealed in CLOCK-/- mice. They displayed increased trabecular separation and decreased trabecular number, trabecular bone volume and trabecular bone surface, suggestive of osteoporosis. We found that the rhythm of the mRNA expression of CYP27B1 was abolished in the kidney of CLOCK-/- mice, which could induce the altered rhythm of l,25(OH)2 vitamin. Serum PTH levels were comparable between CLOCK-/- and WT mice. In the kidney, increased mRNA expression of TRPV5 and NCX1 suggests increased calcium reabsorption in the distal convoluted and connecting tubule. In the gut, intestinal calcium absorption was decreased in CLOCK¬/- mice, confirmed by decreased mRNA levels of TRPV6 and PMCA1. In summary, deletion of the CLOCK gene in mice conducts to hypercalciuria, alteration of the rhythm in serum calcium and l,25(OH)2D levels, and impainnent of their bone microarchitecture. In conclusion, these data show that the circadian clock system is essential in calcium homeostasis and bone physiology.

Mouse Grueneberg ganglion neurons share molecular and functional features with C. elegans amphid neurons.

The mouse Grueneberg ganglion (GG) is an olfactory subsystem located at the tip of the nose close to the entry of the naris. It comprises neurons that are both sensitive to cold temperature and play an important role in the detection of alarm pheromones (APs). This chemical modality may be essential for species survival. Interestingly, GG neurons display an atypical mammalian olfactory morphology with neurons bearing deeply invaginated cilia mostly covered by ensheathing glial cells. We had previously noticed their morphological resemblance with the chemosensory amphid neurons found in the anterior region of the head of Caenorhabditis elegans (C. elegans). We demonstrate here further molecular and functional similarities. Thus, we found an orthologous expression of molecular signaling elements that was furthermore restricted to similar specific subcellular localizations. Calcium imaging also revealed a ligand selectivity for the methylated thiazole odorants that amphid neurons are known to detect. Cellular responses from GG neurons evoked by chemical or temperature stimuli were also partially cGMP-dependent. In addition, we found that, although behaviors depending on temperature sensing in the mouse, such as huddling and thermotaxis did not implicate the GG, the thermosensitivity modulated the chemosensitivity at the level of single GG neurons. Thus, the striking similarities with the chemosensory amphid neurons of C. elegans conferred to the mouse GG neurons unique multimodal sensory properties.

Temporal dynamics of auditory what and where processing in humans

Recent evidence suggests the human auditory system is organized,like the visual system, into a ventral 'what' pathway, devoted toidentifying objects and a dorsal 'where' pathway devoted to thelocalization of objects in space w1x. Several brain regions have beenidentified in these two different pathways, but until now little isknown about the temporal dynamics of these regions. We investigatedthis issue using 128-channel auditory evoked potentials(AEPs).Stimuli were stationary sounds created by varying interaural timedifferences and environmental real recorded sounds. Stimuli ofeach condition (localization, recognition) were presented throughearphones in a blocked design, while subjects determined theirposition or meaning, respectively.AEPs were analyzed in terms of their topographical scalp potentialdistributions (segmentation maps) and underlying neuronalgenerators (source estimation) w2x.Fourteen scalp potential distributions (maps) best explained theentire data set.Ten maps were nonspecific (associated with auditory stimulationin general), two were specific for sound localization and two werespecific for sound recognition (P-values ranging from 0.02 to0.045).Condition-specific maps appeared at two distinct time periods:;200 ms and ;375-550 ms post-stimulus.The brain sources associated with the maps specific for soundlocalization were mainly situated in the inferior frontal cortices,confirming previous findings w3x. The sources associated withsound recognition were predominantly located in the temporal cortices,with a weaker activation in the frontal cortex.The data show that sound localization and sound recognitionengage different brain networks that are apparent at two distincttime periods.References1. Maeder et al. Neuroimage 2001.2. Michel et al. Brain Research Review 2001.3. Ducommun et al. Neuroimage 2002.

Alteration of neuromuscular function in squash

The alteration in neuromuscular function of knee extensor muscles was characterised after a squash match in 10 trained players. Maximal voluntary contraction (MVC) and surface EMG activity of vastus lateralis (VL) and vastus medialis (VM) muscles were measured before and immediately after a 1-h squash match. M-wave and twitch contractile properties were analysed following single stimuli. MVC declined (280.5+/-46.8 vs. 233.6+/-35.4 Nm, -16%; P<0.001) after the exercise and this was accompanied by an impairment of central activation, as attested by decline in voluntary activation (76.7+/-10.4 vs. 71.3+/-9.6%, -7%; P<0.05) and raw EMG activity of the two vastii (-17%; P<0.05), whereas RMS/M decrease was lesser (VL: -5%; NS and VM: -12%; P=0.10). In the fatigued state, no significant changes in M-wave amplitude (VL: -9%; VM: -5%) or duration were observed. Following exercise, the single twitch was characterised by lower peak torque (-20%; P<0.001) as well as shorter half-relaxation time (-13%; P<0.001) and reduced maximal rate of twitch tension development (-23%; P<0.001) and relaxation (-17%; P<0.05). A 1-h squash match play caused peripheral fatigue by impairing excitation-contraction coupling, whereas sarcolemmal excitability seems well preserved. Our results also emphasise the role of central activation failure as a possible mechanism contributing to the torque loss observed in knee extensors. Physical conditioners should consider these effects when defining their training programs for squash players.

Sulfaattiselluloosatehtaan rikki- ja natriumtase sekä kemikaalikierron malli

Tämän diplomityön kirjallisessa osassa on tarkasteltu sulfaattiselluloosatehtaan ympäristöpäästöjen vähentämiseen liittyvää ongelmallisuutta sekä luomaan pääpiirteittäinen kuvaus sulfaattiselluloosatehtaan kemikaalikierrosta lähinnä rikki- ja natriumyhdisteiden kiertoja huomioiden. Pääasiassa kemikaalisäästöjen ja ympäristösyiden vuoksi tehtävää kemikaalikierron sulkemista seuraa rikki- ja natriumtaseisiin sekä kemikaalikierron vierasaineisiin liittyviä ongelmia, kuten prosessilaitteistojen likaantumista, korroosiota ja hajukaasuyhdisteiden muodostumista. Diplomityön mallinnusosassa on luotu Metsä-Botnian Rauman sellutehtaan kemikaalikierron malli pohjautuen tehtaan virtauskaavioihin sekä muuhun tehtaalta saatuun prosessi-informaatioon. BALAS-simulointiohjelmiston avulla luotuja mallikaavioita on käytetty hyväksi tehtaan kokonais- rikki- ja natriumtaseiden laskennassa. Varsinainen simulointi on jätetty projektin aikataulullisten syiden vuoksi jatkoprojektin piiriin.

The effect of virtual reality on visual vertigo symptoms in patients with peripheral vestibular dysfunction: a pilot study

Individuals with vestibular dysfunction may experience visual vertigo (VV), in which symptoms are provoked or exacerbated by excessive or disorientating visual stimuli (e.g. supermarkets). VV can significantly improve when customized vestibular rehabilitation exercises are combined with exposure to optokinetic stimuli. Virtual reality (VR), which immerses patients in realistic, visually challenging environments, has also been suggested as an adjunct to VR to improve VV symptoms. This pilot study compared the responses of sixteen patients with unilateral peripheral vestibular disorder randomly allocated to a VR regime incorporating exposure to a static (Group S) or dynamic (Group D) VR environment. Participants practiced vestibular exercises, twice weekly for four weeks, inside a static (Group S) or dynamic (Group D) virtual crowded square environment, presented in an immersive projection theatre (IPT), and received a vestibular exercise program to practice on days not attending clinic. A third Group D1 completed both the static and dynamic VR training. Treatment response was assessed with the Dynamic Gait Index and questionnaires concerning symptom triggers and psychological state. At final assessment, significant betweengroup differences were noted between Groups D (p = 0.001) and D1 (p = 0.03) compared to Group S for VV symptoms with the former two showing a significant 59.2% and 25.8% improvement respectively compared to 1.6% for the latter. Depression scores improved only for Group S (p = 0.01) while a trend towards significance was noted for Group D regarding anxiety scores (p = 0.07). Conclusion: Exposure to dynamic VR environments should be considered as a useful adjunct to vestibular rehabilitation programs for patients with peripheral vestibular disorders and VV symptoms.

Auditory-somatosensory multisensory interactions in humans: dissociating detection and spatial discrimination.

Simple reaction times (RTs) to auditory-somatosensory (AS) multisensory stimuli are facilitated over their unisensory counterparts both when stimuli are delivered to the same location and when separated. In two experiments we addressed the possibility that top-down and/or task-related influences can dynamically impact the spatial representations mediating these effects and the extent to which multisensory facilitation will be observed. Participants performed a simple detection task in response to auditory, somatosensory, or simultaneous AS stimuli that in turn were either spatially aligned or misaligned by lateralizing the stimuli. Additionally, we also informed the participants that they would be retrogradely queried (one-third of trials) regarding the side where a given stimulus in a given sensory modality was presented. In this way, we sought to have participants attending to all possible spatial locations and sensory modalities, while nonetheless having them perform a simple detection task. Experiment 1 provided no cues prior to stimulus delivery. Experiment 2 included spatially uninformative cues (50% of trials). In both experiments, multisensory conditions significantly facilitated detection RTs with no evidence for differences according to spatial alignment (though general benefits of cuing were observed in Experiment 2). Facilitated detection occurs even when attending to spatial information. Performance with probes, quantified using sensitivity (d'), was impaired following multisensory trials in general and significantly more so following misaligned multisensory trials. This indicates that spatial information is not available, despite being task-relevant. The collective results support a model wherein early AS interactions may result in a loss of spatial acuity for unisensory information.

Perceptual defense in anxiety disorders

RÉSUMÉ Plusieurs auteurs ont étudié la perception en fonction de la psychopathologie. Dans cette optique, Borgeat, David, Saucier et Dumont en 1994 et Borgeat, Sauvageau, David et Saucier en 1997 ont utilisé la méthode tachistoscopique afin de comparer, dans une étude prospective, la perception de stimuli émotionnels entre des femmes souffrant d'une dépression du post- partum et des femmes non atteintes. Par ailleurs, des études antérieures, notamment les travaux de MacLeod et Rutherford en 1992, avaient montré la possibilité d'un processus de perception différent entre sujets anxieux et non anxieux. L'étude actuelle pose l'hypothèse d'une interaction entre caractéristiques du stimulus et trouble anxieux du sujet. Cette hypothèse suppose donc un processus préconscient de l'information, avec analyse sémantique de cette dernière, à même d'influencer (inhiber ou faciliter) la perception de certains stimuli en fonction de leur charge affective. L'étude que nous présentons a pour but d'évaluer la perception de stimuli anxiogènes chez les patients atteints de troubles anxieux, et plus particulièrement chez des sujets souffrant d'attaque de panique et de troubles obsessionnels-compulsifs. A cette fin, nous avons choisi, contrairement à la plupart des études effectuées jusqu'à présent où la méthode Stroop avait été utilisée, la technique tachistoscopique qui, à notre avis, permet une mesure plus directe de la rapidité du processus perceptuel. Ainsi, trois groupes de sujets ont pris part à l'étude : un groupe contrôle (N = 22), un groupe de patients souffrant d'attaques de panique (N = 21) et un groupe de patients atteints de troubles obsessionnels-compulsifs (N = 20). Ces 63 sujets, âgés entre 18 et 60 ans, ont à la fois répondu au Fear Questionnaire ainsi qu'au Questionnaire Beck 13 pour la dépression et procédé à la reconnaissance de 42 mots (six groupes de sept mots) présentés aléatoirement à l'ordinateur, en cycles successifs de 15 millisecondes. Cinq parmi les six groupes de mots se référaient à un trouble anxieux spécifique, le sixième étant considéré comme un groupe de mots « neutres ». Le temps, en millisecondes, nécessaire à la reconnaissance de chaque mot a été enregistré. Les résultats montrent une lenteur de la part des patients souffrant d'attaques de panique pour la reconnaissance de tous les stimuli par rapport aux sujets contrôle, avec une performance intermédiaire entre les deux groupes pour les patients atteints de troubles obsessionnels-compulsifs. De plus, l'analyse statistique a révélé deux effets d'interaction : les patients atteints d'attaques de panique sont plus rapides à reconnaître le groupe de mots en rapport avec leur angoisse, de même que les patients soufflant de troubles obsessionnels- compulsifs ont un temps moyen de reconnaissance des mots en rapport avec leur trouble plus bas que prévu. Ces résultats amènent à une double conclusion. La première est que les patients anxieux manifestent une défense perceptuelle globale face aux stimuli anxiogènes en général, et que cette défense est plus marquée chez les patients atteints d'attaques de panique que chez les sujets souffrant de troubles obsessionnels-compulsifs. La deuxième est que ces mêmes patients, confrontés à des stimuli en rapport avec leur propre angoisse, montrent une vigilance accrue. Ainsi, ces données évoquent une double stratégie de traitement de l'information chez les patients anxieux : un évitement perceptuel général face à l'information émotionnellement chargée, et un traitement sélectif de l'information ayant un rapport direct avec l'angoisse dont ils soufflent. SUMMARY Prior research by MacLeod and Rutherford (1992) indicates that anxious subjects could have perceptual strategies different from nonanxious subjects. 42 verbal stimuli of six types (disease, social anxiety, panic, agoraphobia, obsessive-compulsive, and neutral) were tachistoscopically presented to three groups of subjects, aged 18 to 60 years: Panic Disorder group (n =21: 13 women and 8 men), and Obsessive-Compulsive Disorder group (n=20: 14 women and 6 men), recruited from an outpatient clinic, and a Control group (n=22: 14 women and 8 men), recruited among students and hospital staff. The times required for correct identification were generally longer for anxious subjects but quicker for stimuli specifically related to their disorder. The data could indicate a two-step perceptual strategy or two distinct ways of perceiving, usually, a generalized perceptual defense for a majority of anxiety-loaded stimuli, but also a selectively facilitated processing for stimuli specific to the disorder.

Early, low-level auditory-somatosensory multisensory interactions impact reaction time speed.

Several lines of research have documented early-latency non-linear response interactions between audition and touch in humans and non-human primates. That these effects have been obtained under anesthesia, passive stimulation, as well as speeded reaction time tasks would suggest that some multisensory effects are not directly influencing behavioral outcome. We investigated whether the initial non-linear neural response interactions have a direct bearing on the speed of reaction times. Electrical neuroimaging analyses were applied to event-related potentials in response to auditory, somatosensory, or simultaneous auditory-somatosensory multisensory stimulation that were in turn averaged according to trials leading to fast and slow reaction times (using a median split of individual subject data for each experimental condition). Responses to multisensory stimulus pairs were contrasted with each unisensory response as well as summed responses from the constituent unisensory conditions. Behavioral analyses indicated that neural response interactions were only implicated in the case of trials producing fast reaction times, as evidenced by facilitation in excess of probability summation. In agreement, supra-additive non-linear neural response interactions between multisensory and the sum of the constituent unisensory stimuli were evident over the 40-84 ms post-stimulus period only when reaction times were fast, whereas subsequent effects (86-128 ms) were observed independently of reaction time speed. Distributed source estimations further revealed that these earlier effects followed from supra-additive modulation of activity within posterior superior temporal cortices. These results indicate the behavioral relevance of early multisensory phenomena.

Multisensory context portends object memory.

Multisensory processes facilitate perception of currently-presented stimuli and can likewise enhance later object recognition. Memories for objects originally encountered in a multisensory context can be more robust than those for objects encountered in an exclusively visual or auditory context [1], upturning the assumption that memory performance is best when encoding and recognition contexts remain constant [2]. Here, we used event-related potentials (ERPs) to provide the first evidence for direct links between multisensory brain activity at one point in time and subsequent object discrimination abilities. Across two experiments we found that individuals showing a benefit and those impaired during later object discrimination could be predicted by their brain responses to multisensory stimuli upon their initial encounter. These effects were observed despite the multisensory information being meaningless, task-irrelevant, and presented only once. We provide critical insights into the advantages associated with multisensory interactions; they are not limited to the processing of current stimuli, but likewise encompass the ability to determine the benefit of one's memories for object recognition in later, unisensory contexts.