Paired associative transcranial alternating current stimulation increases the excitability of corticospinal projections in humans

Many types of non-invasive brain stimulation alter corticospinal excitability (CSE). Paired associative stimulation (PAS) has attracted particular attention as its effects ostensibly adhere to Hebbian principles of neural plasticity. In prototypical form, a single electrical stimulus is directed to a peripheral nerve in close temporal contiguity with transcranial magnetic stimulation delivered to the contralateral primary motor cortex (M1). Repeated pairing of the two discrete stimulus events (i.e. association) over an extended period either increases or decreases the excitability of corticospinal projections from M1, contingent on the interstimulus interval. We studied a novel form of associative stimulation, consisting of brief trains of peripheral afferent stimulation paired with short bursts of high frequency (≥80 Hz) transcranial alternating current stimulation (tACS) over contralateral M1. Elevations in the excitability of corticospinal projections to the forearm were observed for a range of tACS frequency (80, 140 and 250 Hz), current (1, 2 and 3 mA) and duration (500 and 1000 ms) parameters. The effects were at least as reliable as those brought about by PAS or transcranial direct current stimulation. When paired with tACS, muscle tendon vibration also induced elevations of CSE. No such changes were brought about by the tACS or peripheral afferent stimulation alone. In demonstrating that associative effects are expressed when the timing of the peripheral and cortical events is not precisely circumscribed, these findings suggest that multiple cellular pathways may contribute to a long term potentiation-type response. Their relative contributions will differ depending on the nature of the induction protocol that is used.

Modulation of human corticospinal excitability by paired associative stimulation

Paired Associative Stimulation (PAS) has come to prominence as a potential therapeutic intervention for the treatment of brain injury/disease, and as an experimental method with which to investigate Hebbian principles of neural plasticity in humans. Prototypically, a single electrical stimulus is directed to a peripheral nerve in advance of transcranial magnetic stimulation (TMS) delivered to the contralateral primary motor cortex (M1). Repeated pairing of the stimuli (i.e., association) over an extended period may increase or decrease the excitability of corticospinal projections from M1, in manner that depends on the interstimulus interval (ISI). It has been suggested that these effects represent a form of associative long-term potentiation (LTP) and depression (LTD) that bears resemblance to spike-timing dependent plasticity (STDP) as it has been elaborated in animal models. With a large body of empirical evidence having emerged since the cardinal features of PAS were first described, and in light of the variations from the original protocols that have been implemented, it is opportune to consider whether the phenomenology of PAS remains consistent with the characteristic features that were initially disclosed. This assessment necessarily has bearing upon interpretation of the effects of PAS in relation to the specific cellular pathways that are putatively engaged, including those that adhere to the rules of STDP. The balance of evidence suggests that the mechanisms that contribute to the LTP- and LTD-type responses to PAS differ depending on the precise nature of the induction protocol that is used. In addition to emphasizing the requirement for additional explanatory models, in the present analysis we highlight the key features of the PAS phenomenology that require interpretation.

Galvanic Vestibular Stimulation Induces a Spatial Bias in Whole-body Position Estimates

Letter to the Editor

The social brain : how social stimuli are translated into neuroendocrine signals

Tese de doutoramento, Biologia (Ecofisiologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Direct angiotensin type 2 receptor (AT2R) stimulation attenuates T-cell and microglia activation and prevents demyelination in experimental autoimmune encephalomyelitis in mice.

In the present study, we evaluated stimulation of the angiotensin type 2 receptor (AT2R) by the selective non-peptide agonist Compound 21 (C21) as a novel therapeutic concept for the treatment of multiple sclerosis using the model of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) in mice. C57BL-6 mice were immunized with myelin-oligodendrocyte peptide and treated for 4 weeks with C21 (0.3 mg/kg/day i.p.). Potential effects on myelination, microglia and T-cell composition were estimated by immunostaining and FACS analyses of lumbar spinal cords. The in vivo study was complemented by experiments in aggregating brain cell cultures and microglia in vitro. In the EAE model, treatment with C21 ameliorated microglia activation and decreased the number of total T-cells and CD4+ T-cells in the spinal cord. Fluorescent myelin staining of spinal cords further revealed a significant reduction in EAE-induced demyelinated areas in lumbar spinal cord tissue after AT2R stimulation. C21-treated mice had a significantly better neurological score than vehicle-treated controls. In aggregating brain cell cultures challenged with lipopolysaccharide (LPS) plus interferon-γ (IFNγ), AT2R stimulation prevented demyelination, accelerated re-myelination and reduced the number of microglia. Cytokine synthesis and nitric oxide production by microglia in vitro were significantly reduced after C21 treatment. These results suggest that AT2R stimulation protects the myelin sheaths in autoimmune central nervous system inflammation by inhibiting the T-cell response and microglia activation. Our findings identify the AT2R as a potential new pharmacological target for demyelinating diseases such as multiple sclerosis.

Neurophysiological origin of human brain asymmetry for speech and language.

The physiological basis of human cerebral asymmetry for language remains mysterious. We have used simultaneous physiological and anatomical measurements to investigate the issue. Concentrating on neural oscillatory activity in speech-specific frequency bands and exploring interactions between gestural (motor) and auditory-evoked activity, we find, in the absence of language-related processing, that left auditory, somatosensory, articulatory motor, and inferior parietal cortices show specific, lateralized, speech-related physiological properties. With the addition of ecologically valid audiovisual stimulation, activity in auditory cortex synchronizes with left-dominant input from the motor cortex at frequencies corresponding to syllabic, but not phonemic, speech rhythms. Our results support theories of language lateralization that posit a major role for intrinsic, hardwired perceptuomotor processing in syllabic parsing and are compatible both with the evolutionary view that speech arose from a combination of syllable-sized vocalizations and meaningful hand gestures and with developmental observations suggesting phonemic analysis is a developmentally acquired process.

Représentation corticale de la mémoire à court-terme tactile chez l'humain pour une stimulation de la main : étude par magnétoencéphalographie

L'activité cérébrale, reliée spécifiquement à la rétention d'information en mémoire à court-terme tactile, a été investiguée à l'aide de l'enregistrement des champs magnétiques produits par l'activité neuronale générée durant la période de rétention par une tâche de mémoire tactile. Une, deux, trois ou quatre positions, sur une possibilité de huit sur les phalangines et les phalangettes, de la main gauche ou droite, lors de blocs d'essai différents, ont été stimulées simultanément. Le patron de stimulation tactile devait être retenu pendant 1800 ms avant d'être comparé avec un patron test qui était, soit identique, soit différent par une seule position. Nos analyses se sont concentrées sur les régions du cerveau qui montraient une augmentation monotone du niveau d'activité soutenu durant la période de rétention pour un nombre croissant de positions à retenir dans le patron de stimulation. Ces régions ont plus de chance de participer à la rétention active de l'information à maintenir en mémoire à court-terme tactile. Le gyrus cingulaire (BA32), le gyrus frontal supérieur droit (BA 8), le precuneus gauche (BA 7, 19), le gyrus postcentral gauche (BA 7), le gyrus precentral droit (BA 6), le gyrus frontal supérieur gauche (BA 6) et le lobule pariétal inférieur droit (BA 40) semblent tous impliqués dans un réseau mnésique qui maintient les informations sensorielles tactiles dans un système de mémoire à court-terme spécialisé pour l'information tactile.

L’amphétamine intra-habenulaire n’altère pas l’effet de récompense induit par la stimulation électrique du raphé dorsal

La contribution de la neurotransmission dopaminergique dans le noyau accumbens à l’effet de récompense induit par la stimulation électrique du cerveau a été l’objet de plusieurs années de recherche. Cependant, d’autres sites recevant des terminaisons dopaminergiques pourraient contribuer à moduler la récompense dans d’autres régions cérébrales. Parmi elles, on retrouve l’habenula qui reçoit des projections dopaminergiques de l’aire tegmentale ventrale. La contribution de cette voie au phénomène de récompense en général et à l’effet de recompense induit par l’autostimulation intracrânienne est peu connue. Le but de cette recherche était d’étudier la contribution de la dopamine mésohabenulaire à l’effet de recompense induit par la stimulation électrique du raphé dorsal. Des rats ont été implantés d’une bicanule dans l’Hb et d’une électrode dans le raphé dorsal. Le paradigme du déplacement de la courbe a été utilisé pour évaluer les changements dans l’effet de récompense à la suite de l’injection intra-habenulaire d’amphétamine (10-40 μg). À titre de contrôles positifs, des rats ont reçu l’amphétamine dans le core et dans le shell (1-20 μg) du noyau accumbens. Les injections d’amphétamine dans l’habenula n’ont pas changé l’effet de récompense induit par la stimulation électrique. Dans le noyau accumbens, les injections dans le shell et le core provoquent des augmentations dans l’effet de récompense comme il a déjà été démontré. Nos résultats suggèrent que la neurotransmission dopaminergique dans l’habenula latérale ne contribue pas significativement au circuit soutenant l’effet renforçant de la stimulation électrique du cerveau.

Effets neurophysiologiques de la stimulation du nerf vague : implication dans le traitement de la dépression résistante et optimisation des paramètres de stimulation

La dépression est une pathologie grave qui, malgré de multiples stratégies thérapeutiques, demeure résistante chez un tiers des patients. Les techniques de stimulation cérébrale sont devenues une alternative intéressante pour les patients résistants à diverses pharmacothérapies. La stimulation du nerf vague (SNV) a ainsi fait preuve de son efficacité en clinique et a récemment été approuvée comme traitement additif pour la dépression résistante. Cependant, les mécanismes d’action de la SNV en rapport avec la dépression n’ont été que peu étudiés. Cette thèse a donc eu comme premier objectif de caractériser l’impact de la SNV sur les différents systèmes monoaminergiques impliqués dans la pathophysiologie de la dépression, à savoir la sérotonine (5-HT), la noradrénaline (NA) et la dopamine (DA), grâce à l’utilisation de techniques électrophysiologiques et de la microdialyse in vivo chez le rat. Des études précliniques avaient déjà révélé qu’une heure de SNV augmente le taux de décharge des neurones NA du locus coeruleus, et que 14 jours de stimulation sont nécessaires pour observer un effet comparable sur les neurones 5-HT. Notre travail a démontré que la SNV modifie aussi le mode de décharge des neurones NA qui présente davantage de bouffées, influençant ainsi la libération terminale de NA, qui est significativement augmentée dans le cortex préfrontal et l’hippocampe après 14 jours. L’augmentation de la neurotransmission NA s’est également manifestée par une élévation de l’activation tonique des récepteurs postsynaptiques α2-adrénergiques de l’hippocampe. Après lésion des neurones NA, nous avons montré que l’effet de la SNV sur les neurones 5-HT était indirect, et médié par le système NA, via l’activation des récepteurs α1-adrénergiques présents sur les neurones du raphé. Aussi, tel que les antidépresseurs classiques, la SNV augmente l’activation tonique des hétérorécepteurs pyramidaux 5-HT1A, dont on connait le rôle clé dans la réponse thérapeutique aux antidépresseurs. Par ailleurs, nous avons constaté que malgré une diminution de l’activité électrique des neurones DA de l’aire tegmentale ventrale, la SNV induit une augmentation de la DA extracellulaire dans le cortex préfrontal et particulièrement dans le noyau accumbens, lequel joue un rôle important dans les comportements de récompense et l’hédonie. Un deuxième objectif a été de caractériser les paramètres optimaux de SNV agissant sur la dépression, en utilisant comme indicateur le taux de décharge des neurones 5-HT. Des modalités de stimulation moins intenses se sont avérées aussi efficaces que les stimulations standards pour augmenter l’activité électrique des neurones 5-HT. Ces nouveaux paramètres de stimulation pourraient s’avérer bénéfiques en clinique, chez des patients ayant déjà répondu à la SNV. Ils pourraient minimiser les effets secondaires reliés aux périodes de stimulation et améliorer ainsi la qualité de vie des patients. Ainsi, ces travaux de thèse ont caractérisé l’influence de la SNV sur les trois systèmes monoaminergiques, laquelle s’avère en partie distincte de celle des antidépresseurs classiques tout en contribuant à son efficacité en clinique. D’autre part, les modalités de stimulation que nous avons définies seraient intéressantes à tester chez des patients recevant la SNV, car elles devraient contribuer à l’amélioration des bénéfices cliniques de cette thérapie.

La stimulation du nerf vague pour le traitement de la dépression réfractaire : les résultats après un an de suivi

La stimulation du nerf vague (SNV) a reçu l’approbation de Santé Canada en 2001, comme en Europe, pour le traitement de la dépression réfractaire et en 2005 aux États-Unis. Les études européennes et américaines rapportent un taux de réponse de 50% et de rémission de 30% après un an de traitement. La sélection des patients, encadrée par la recherche de marqueurs biologiques et des critères de résistance, pourrait contribuer à améliorer les taux de réponse. Cette étude décrit le suivi des patients ambulatoires souffrant de dépression réfractaire, d’un spectre unipolaire ou bipolaire (n=13) sous SNV. Une révision exhaustive de l’histoire médicale et thérapeutique précède une évaluation clinique intensive. Si un consensus d’équipe est obtenu, une investigation clinique à la recherche des marqueurs biologiques est effectuée. Ceci inclut une tomographie par émission de photons simples (SPECT), une tomographie par émission de positrons (TEP), une formule sanguine complète, un test de suppression à la dexaméthasone (DST), une collecte d’urine 24h (catécholamines et cortisol), une polysomnographie et une évaluation neuropsychologique abrégée. Après 1 an de traitement, 61,5% (8/13) des patients ont atteint le seuil de réponse (diminution de 50% des symptômes), dont 87.5% (7/8) en rémission. Les patients diagnostiqués d’un trouble bipolaire, présentant un DST anormal et/ou avec déficits cognitifs ont répondu au traitement et poursuivent leur rémission après 2 ans. Une sélection minutieuse des patients pour le SNV serait une méthode efficace pour traiter les dépressions réfractaires, notamment pour prévenir les rechutes, amenant un état euthymique durable pour la plupart des patients.

Nature of crossmodal plasticity in the blind brain and interplay with sight restoration

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université catholique de Louvain.

Enhanced /3-adrenergic receptors in the brain and pancreas during pancreatic regeneration in weanling rats

Adrenergic stimulation has an inyortant role in the pancreatic It-cell proliferation and insulin secretion. In the present study. we have investigaled how sympathetic system mgulales the panrrealic n I rnerui nr ht an:ilyiing I'pinephi inn 1111 ), Norepinephrinc (NE) and /1-adrenergic receptor changes in the brain as (%eli is in the I swirls. Fill and NII showed a significant decrease in the brain regions, pancreas and plasma :rt 72Ius iller partial prurcrealectonty. We observed an increase in the circulating insulin levels at 72 hrs. Scatchard analysis using I CHI propranolol showed a significant increase in the number of loth the low affinity and high affinity t-adrenergic receplors in cerebral cortex and hypothalamus of partially pancreatectornised rats during peak DNA synthesis. The affinity of the receptors decrea,ed significantly in the low and high affinity receptors of cerebral cortex and the high affinity hypothalamic receptors. In file brain stein, low affinity receptors were increased significantly during regeneration whereas there was no change in the high affinity receptors. The pancreatic ff-adrenergic receptors were also up regulated at 72 firs after partial panerealectony. In vitro studies showed that /i-adrenergic receptors are positive regulators of islet cell proliferation and insulin secretion. Thus our results suggest that the t-adrenergic receptors are functionally enhanced during pancreatic regeneration, which in turn increases pancreatic ft-cell proliferation an(hilisulin secretion in wean hug rats.

Decreased a2-adrenergic receptor in the brain stem and pancreatic islets during pancreatic regeneration in weanling rats

Sympathetic stimulation inhibits insulin secretion. a2-Adrenergic receptor is known to have a regulatory role in the sympathetic function. We investigated the changes in the a2-adrenergic receptors in the brain stein and pancreatic islets using [3H]Yohimbine during pancreatic regeneration in weanling rats. Brain stem and pancreatic islets of experimental rats showed a significant decrease (p<0.001) in norepinephrine (NE) content at 72 h after partial pancreatectomy. The epinephrine (EPI) content showed a significant decrease (p<0.001) in pancreatic islets while it was not detected in brain stem at 72 h after partial pancreatectomy. Scatchard analysis of [3H]Yohimbine showed a significant decrease (p<0.05) and Kd at 72 h after partial pancreatectomy in the brain stem. In the pancreatic islets, Scatchard analysis of [3H]Yohimbine showed a signiinfiBca'nnatx decrease (p<0.001) in B,nax and Kd (p<0.05) at 72 h after partial pancreatectomy. The binding parameters reversed to near sham by 7 days after pancreatectomy both in brain stein and pancreatic islets. This shows that pancreatic insulin secretion is influenced by central nervous system inputs from the brain stem. In vitro studies with yohimbine showed that the a2-adrenergic receptors are inhibitory to islet DNA synthesis and insulin secretion. Thus our results suggest that decreased a2-adrenergic receptors during pancreatic regeneration functionally regulate insulin secretion and pancreatic 13-cell proliferation in weanling rats.

Increased 5-HT2C Receptor Binding in the Brain Stem And Cerebral Cortex During Liver Regeneration And Hepatic Neoplasia In Rats

In the present study, serotonin 2C (5-HT2c) receptor binding parameters in the brainstem and cerebral cortex were investigated during liver generation after partial hepatectomy (PH) and N-nitrosodiethylamine (NDEA) induced hepatic neoplasia in male Wistar rats. The serotonin content increased significantly (p<0.01) in the cerebral cortex after PH and in NDEA induced hepatic neoplasia. Brain stem serotonin content increased significantly (p<0.05) after PH and (p<0.001) in NDEA induced hepatic neoplasia. The number and affinity of the 5-HT2c receptors in the crude synaptic membrane preparations of the brain stem showed a significant (p<0.001) increase after PH and in NDEA induced hepatic neoplasia. The number and affinity of 5-HT2c receptors increased significantly (p<0.001) in NDEA induced hepatic neoplasia in the crude synaptic membrane preparations of the cerebral cortex. There was a significant (p<0.01) increase in plasma norepinephrine in PH and (p<0.001) in NDEA induced hepatic neoplasia, indicating sympathetic stimulation. Thus, our results suggest that during active hepatocyte proliferation 5-HT2c receptor in the brain stem and cerebral cortex are up-regulated which in turn induce hepatocyte proliferation mediated through sympathetic stimulation.