Changes of ongoing activity in Cebus monkey perirhinal cortex correlate with behavioral performance

A Cebus apella monkey weighing 4 kg was trained in a saccadic eye movement task and while the animal performed the task we recorded the extracellular activity of perirhinal cortical neurons. Although the task was very simple and maintained at a constant level of difficulty, we observed considerable changes in the performance of the monkey within each experimental session. The behavioral states responsible for such variation may be related to arousal, motivation or attention of the animal while engaged in the task. In approximately 20% (16/82) of the units recorded, long-term direct or inverse correlations could be demonstrated between the monkey's behavioral state and the cells' ongoing activity (independent of the visual stimulation or of the specific behavior along a trial). The perirhinal cortex and other medial temporal structures have long been associated with normal memory function. The data presented here were interpreted in terms of recent reports focusing on the subcortical afferents to temporal lobe structures and their possible role in controlling arousal, motivation, or attention.

Implication du récepteur aux cannabinoïdes CB2 dans le développement de la voie rétinothalamique

Durant le développement du système visuel, les cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) envoient des axones qui seront influencés par divers signaux guidant leur cône de croissance, permettant ainsi la navigation des axones vers leurs cibles terminales. Les endocannabinoïdes, des dérivés lipidiques activant les récepteurs aux cannabinoides (CB1 et CB2), sont présents de manière importante au cours du développement. Nous avons démontré que le récepteur CB2 est exprimé à différents points du tractus visuel durant le développement du hamster. L’injection d’agonistes et d’agonistes inverses pour le récepteur CB2 a modifié l’aire du cône de croissance et le nombre de filopodes présents à sa surface. De plus, l’injection d’un gradient d’agoniste du récepteur CB2 produit la répulsion du cône de croissance tandis qu’un analogue de l’AMPc (db-AMPc) produit son attraction. Les effets du récepteur CB2 sur le cône de croissance sont produits en modulant l’activité de la protéine kinase A(PKA), influençant la présence à la membrane cellulaire d’un récepteur à la nétrine-1 nommé Deleted in Colorectal Cancer (DCC). Notamment, pour que le récepteur CB2 puisse moduler le guidage du cône de croissance, la présence fonctionnelle du récepteur DCC est essentielle.. Suite à une injection intra-occulaire d’un agoniste inverse du récepteur CB2, nous avons remarqué une augmentation de la longueur des branches collatérales des axones rétiniens au niveau du LTN (noyau lateral terminal). Nous avons également remarqué une diminution de la ségrégation des projections ganglionnaires au niveau du dLGN, le noyau genouillé lateral dorsal, chez les animaux transgéniques cnr2-/-, ayant le gène codant pour le récepteur CB2 inactif. Nos données suggèrent l’implication des endocannabinoïdes et de leur récepteur CB2 dans la modulation des processus de navigation axonale et de ségrégation lors du développement du système visuel.

Modèle informatique du coapprentissage des ganglions de la base et du cortex : l'apprentissage par renforcement et le développement de représentations

Tout au long de la vie, le cerveau développe des représentations de son environnement permettant à l’individu d’en tirer meilleur profit. Comment ces représentations se développent-elles pendant la quête de récompenses demeure un mystère. Il est raisonnable de penser que le cortex est le siège de ces représentations et que les ganglions de la base jouent un rôle important dans la maximisation des récompenses. En particulier, les neurones dopaminergiques semblent coder un signal d’erreur de prédiction de récompense. Cette thèse étudie le problème en construisant, à l’aide de l’apprentissage machine, un modèle informatique intégrant de nombreuses évidences neurologiques. Après une introduction au cadre mathématique et à quelques algorithmes de l’apprentissage machine, un survol de l’apprentissage en psychologie et en neuroscience et une revue des modèles de l’apprentissage dans les ganglions de la base, la thèse comporte trois articles. Le premier montre qu’il est possible d’apprendre à maximiser ses récompenses tout en développant de meilleures représentations des entrées. Le second article porte sur l'important problème toujours non résolu de la représentation du temps. Il démontre qu’une représentation du temps peut être acquise automatiquement dans un réseau de neurones artificiels faisant office de mémoire de travail. La représentation développée par le modèle ressemble beaucoup à l’activité de neurones corticaux dans des tâches similaires. De plus, le modèle montre que l’utilisation du signal d’erreur de récompense peut accélérer la construction de ces représentations temporelles. Finalement, il montre qu’une telle représentation acquise automatiquement dans le cortex peut fournir l’information nécessaire aux ganglions de la base pour expliquer le signal dopaminergique. Enfin, le troisième article évalue le pouvoir explicatif et prédictif du modèle sur différentes situations comme la présence ou l’absence d’un stimulus (conditionnement classique ou de trace) pendant l’attente de la récompense. En plus de faire des prédictions très intéressantes en lien avec la littérature sur les intervalles de temps, l’article révèle certaines lacunes du modèle qui devront être améliorées. Bref, cette thèse étend les modèles actuels de l’apprentissage des ganglions de la base et du système dopaminergique au développement concurrent de représentations temporelles dans le cortex et aux interactions de ces deux structures.

La sécrétion de la protéine Tau : nouveau mécanisme de propagation de la pathologie de Tau dans la maladie d'Alzheimer

Tau est une protéine associée aux microtubules enrichie dans l’axone. Dans la maladie d’Alzheimer, Tau devient anormalement hyperphosphorylée, s’accumule dans le compartiment somato-dendritique et s’agrège pour former des enchevêtrements neurofibrillaires (NFTs). Ces NFTs se propagent dans le cerveau dans un ordre bien précis. Ils apparaissent d’abord dans le cortex transenthorinal pour ensuite se propager là où ces neurones projettent, c’est-à-dire au cortex entorhinal. Les NFTs s’étendent ensuite à l’hippocampe puis à différentes régions du cortex et néocortex. De plus, des études récentes ont démontré que la protéine Tau peut être sécrétée par des lignées neuronales et que lorsqu’on injecte des agrégats de Tau dans un cerveau de souris, ceux-ci peuvent pénétrer dans les neurones et induire la pathologie de Tau dans le cerveau. Ces observations ont mené à l’hypothèse que la protéine Tau pathologique pourrait être sécrétée par les neurones, pour ensuite être endocytée par les cellules avoisinantes et ainsi propager la maladie. L’objectif de la présente étude était donc de prouver la sécrétion de la protéine Tau par les neurones et d’identifier par quelle voie elle est secrétée. Nos résultats ont permis de démontrer que la protéine Tau est sécrétée par des neurones corticaux de souris de type sauvage ainsi que dans un modèle de surexpression dans des cellules HeLa et PC12. Nos résultats indiquent que la sécrétion de Tau se ferait par les autophagosomes. Finalement, nous avons démontré que la protéine Tau sécrétée est déphosphorylée et clivée par rapport à la protéine Tau intracellulaire non sécrétée.

Étude du trafic du récepteur delta-opiacé suite à sa stimulation par différents agonistes

Les opiacés figurent parmi les analgésiques les plus puissants pour le traitement des douleurs sévères. Les agonistes du DOR (récepteur delta opiacé) induisent moins d'effets secondaires que ceux du mu, ce qui les rend une cible d'intérêt pour le traitement des douleurs chroniques. Cependant, ils induisent la tolérance à l'analgésie. Des hypothèses récentes proposent que le potentiel des drogues à induire la tolérance soit la conséquence de la stabilisation de différentes conformations du récepteur induites par la liaison avec différents ligands, chacune ayant différentes propriétés de trafic. Dans ce contexte, nous avons déterminé si différents ligands du DOR différaient dans leur capacité à induire la signalisation et le trafic du récepteur. Nos résultats indiquent que DPDPE et SNC-80 sont les drogues les plus efficaces à inhiber la production d’AMPc, suivis par UFP-512, morphine et TIPP. DPDPE et SNC-80 induisent à eux seuls l’internalisation du DOR dans les cellules HEK-293 de façon dépendante de la β-arrestine mais pas de la GRK2 ni PKC. Ces deux drogues induisent également l’internalisation du DOR dans les neurones corticaux et c’est seulement le DPDPE qui permet au DOR de regagner la membrane des cellules HEK-293 et des neurones après récupération. Cette capacité de recyclage était suggérée comme un mécanisme protégeant contre la survenue de la tolérance. Ces observations indiquent que le DOR peut subir différentes régulations en fonction du ligand lui étant associé. Cette propriété de sélectivité fonctionnelle des ligands pourrait être utile pour le développement de nouveaux opiacés ayant une activité analgésique plus durable.

L'impact du vieillissement neuroanatomique sur les ondes lentes du sommeil

Les ondes lentes (OL) sur l’électroencéphalogramme caractérisent le sommeil dit lent. Leur production dépend de la synchronisation de l’activité neuronale dans un large réseau néocortical. Les OL présentent d’importants changements au cours du vieillissement, et ce, dès le milieu de l’âge adulte. L’objectif de ce mémoire est d’évaluer la contribution de l’amincissement cortical dans les modifications des caractéristiques des OL durant l’âge adulte. Notre étude montre que la densité (nb/min) et l’amplitude (µV) des OL est liée à l’épaisseur de plusieurs régions du cortex chez des sujets jeunes et âgés. Toutefois, la pente des OL (µV/s) n’a pas semblé en relation avec la neuroanatomie. Des analyses de médiation montrent que la diminution de la densité des OL chez les personnes âgés s’explique par l’amincissement de gyri frontaux et temporaux, alors que les effets de l’âge sur l’amplitude des OL s’expliquent par l’amincissement d’un ensemble plus grand de régions corticales.

Vector-Based Integration of Local and Long-Range Information in Visual Cortex

Integration of inputs by cortical neurons provides the basis for the complex information processing performed in the cerebral cortex. Here, we propose a new analytic framework for understanding integration within cortical neuronal receptive fields. Based on the synaptic organization of cortex, we argue that neuronal integration is a systems--level process better studied in terms of local cortical circuitry than at the level of single neurons, and we present a method for constructing self-contained modules which capture (nonlinear) local circuit interactions. In this framework, receptive field elements naturally have dual (rather than the traditional unitary influence since they drive both excitatory and inhibitory cortical neurons. This vector-based analysis, in contrast to scalarsapproaches, greatly simplifies integration by permitting linear summation of inputs from both "classical" and "extraclassical" receptive field regions. We illustrate this by explaining two complex visual cortical phenomena, which are incompatible with scalar notions of neuronal integration.

Exact Solution of the Nonlinear Dynamics of Recurrent Neural Mechanisms for Direction Selectivity

Different theoretical models have tried to investigate the feasibility of recurrent neural mechanisms for achieving direction selectivity in the visual cortex. The mathematical analysis of such models has been restricted so far to the case of purely linear networks. We present an exact analytical solution of the nonlinear dynamics of a class of direction selective recurrent neural models with threshold nonlinearity. Our mathematical analysis shows that such networks have form-stable stimulus-locked traveling pulse solutions that are appropriate for modeling the responses of direction selective cortical neurons. Our analysis shows also that the stability of such solutions can break down giving raise to a different class of solutions ("lurching activity waves") that are characterized by a specific spatio-temporal periodicity. These solutions cannot arise in models for direction selectivity with purely linear spatio-temporal filtering.

Convergencia de vías de señalización en un modelo de apoptosis

La sepsis es un evento inflamatorio generalizado del organismo inducido por un daño causado generalmente por un agente infeccioso. El patógeno más frecuentemente asociado con esta entidad es el Staphylococcus aureus, responsable de la inducción de apoptosis en células endoteliales debida a la producción de ceramida. Se ha descrito el efecto protector de la proteína C activada (PCA) en sepsis y su relación con la disminución de la apoptosis de las células endoteliales. En este trabajo se analizó la activación de las quinasas AKT, ASK1, SAPK/JNK y p38 en un modelo de apoptosis endotelial usando las técnicas de Western Blotting y ELISA. Las células endoteliales (EA.hy926), se trataron con C2-ceramida (130μM) en presencia de inhibidores químicos de cada una de estas quinasas y PCA. La supervivencia de las células en presencia de inhibidores químicos y PCA fue evaluada por medio de ensayos de activación de las caspasas 3, 7 y 9, que verificaban la muerte celular por apoptosis. Los resultados evidencian que la ceramida reduce la activación de AKT y aumenta la activación de las quinasas ASK, SAPK/JNK y p38, en tanto que PCA ejerce el efecto contrario. Adicionalmente se encontró que la tiorredoxina incrementa la activación/fosforilación de AKT, mientras que la quinasa p38 induce la defosforilación de AKT.

Peroxynitrite induced formation of the neurotoxins 5-S-cysteinyl-dopamine and DHBT-1: implications for Parkinson's disease and protection by polyphenols

Mechanisms of nigral cell injury in Parkinson's disease remain unclear, although a combination of increased oxidative stress, the formation of catecholamine-quinones and the subsequent formation of neurotoxic cysteinyl-catecholamine conjugates may contribute. In the present study, peroxynitrite was observed to generate both 2-S- and 5-S-cysteinyl-dopamine and a dihydrobenzothiazine species, DHBT-1, following the reaction of dopamine with L-cysteine. The formation of 5-S-cysteinyl-dopamine and DHBT-1 in the presence of peroxynitrite induced significant neuronal injury. Pre-treatment of cortical neurons with pelargonidin, quercetin, hesperetin, caffeic acid, the 4'-O-Me derivatives of catechin and epicatechin (0.1-3.0 mu M) resulted in concentration dependant protection against 5-S-cysteinyl-dopamine-induced neurotoxicity. These data suggest that polyphenols may protect against neuronal injury induced by endogenous neurotoxins relevant to the aetiology of the Parkinson disease. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Modulation of pro-survival Akt/protein kinase B and ERK1/2 signaling cascades by quercetin and its in vivo metabolites underlie their action on neuronal viability

Much recent interest has focused on the potential of flavonoids to interact with intracellular signaling pathways such as with the mitogen-activated protein kinase cascade. We have investigated whether the observed strong neurotoxic potential of quercetin in primary cortical neurons may occur via specific and sensitive interactions within neuronal mitogen-activated protein kinase and Akt/protein kinase B (PKB) signaling cascades, both implicated in neuronal apoptosis. Quercetin induced potent inhibition of both Akt/PKB and ERK phosphorylation, resulting in reduced phosphorylation of BAD and a strong activation of caspase-3. High quercetin concentrations (30 microM) led to sustained loss of Akt phosphorylation and subsequent Akt cleavage by caspase-3, whereas at lower concentrations (<10 microM) the inhibition of Akt phosphorylation was transient and eventually returned to basal levels. Lower levels of quercetin also induced strong activation of the pro-survival transcription factor cAMP-responsive element-binding protein, although this did not prevent neuronal damage. O-Methylated quercetin metabolites inhibited Akt/PKB to lesser extent and did not induce such strong activation of caspase-3, which was reflected in the lower amount of damage they inflicted on neurons. In contrast, neither quercetin nor its O-methylated metabolites had any measurable effect on c-Jun N-terminal kinase phosphorylation. The glucuronide of quercetin was not toxic and did not evoke any alterations in neuronal signaling, probably reflecting its inability to enter neurons. Together these data suggest that quercetin and to a lesser extent its O-methylated metabolites may induce neuronal death via a mechanism involving an inhibition of neuronal survival signaling through the inhibition of both Akt/PKB and ERK rather than by an activation of the c-Jun N-terminal kinase-mediated death pathway.

Multiscale evolving complex network model of functional connectivity in neuronal cultures

Cultures of cortical neurons grown on multielectrode arrays exhibit spontaneous, robust and recurrent patterns of highly synchronous activity called bursts. These bursts play a crucial role in the development and topological selforganization of neuronal networks. Thus, understanding the evolution of synchrony within these bursts could give insight into network growth and the functional processes involved in learning and memory. Functional connectivity networks can be constructed by observing patterns of synchrony that evolve during bursts. To capture this evolution, a modelling approach is adopted using a framework of emergent evolving complex networks and, through taking advantage of the multiple time scales of the system, aims to show the importance of sequential and ordered synchronization in network function.

Electrorhythmogenesis and anaesthesia in a physiological mean field theory

We solve eight partial-differential, two-dimensional, nonlinear mean field equations, which describe the dynamics of large populations of cortical neurons. Linearized versions of these equations have been used to generate the strong resonances observed in the human EEG, in particular the α-rhythm (8–), with physiologically plausible parameters. We extend these results here by numerically solving the full equations on a cortex of realistic size, which receives appropriately “colored” noise as extra-cortical input. A brief summary of the numerical methods is provided. As an outlook to future applications, we explain how the effects of GABA-enhancing general anaesthetics can be simulated and present first results.

Voltage-gated sodium (NaV) channel blockade by plant cannabinoids does not confer anticonvulsant effects per se

Cannabidiol (CBD) is a non-psychoactive, well-tolerated, anticonvulsant plant cannabinoid, although its mechanism(s) of seizure suppression remains unknown. Here, we investigate the effect of CBD and the structurally similar cannabinoid, cannabigerol (CBG), on voltage-gated Na+ (NaV) channels, a common anti-epileptic drug target. CBG’s anticonvulsant potential was also assessed in vivo. CBD effects on NaV channels were investigated using patch-clamp recordings from rat CA1 hippocampal neurons in brain slices, human SH-SY5Y (neuroblastoma) cells and mouse cortical neurons in culture. CBG effects were also assessed in SH-SY5Y cells and mouse cortical neurons. CBD and CBG effects on veratridine-stimulated human recombinant NaV1.1, 1.2 or 1.5 channels were assessed using a membrane potential-sensitive fluorescent dye high-throughput assay. The effect of CBG on pentyleneterazole-induced (PTZ) seizures was assessed in rat. CBD (10M) blocked NaV currents in SH-SY5Y cells, mouse cortical neurons and recombinant cell lines, and affected spike parameters in rat CA1 neurons; CBD also significantly decreased membrane resistance. CBG blocked NaV to a similar degree to CBD in both SH-SY5Y and mouse recordings, but had no effect (50-200mg/kg) on PTZ-induced seizures in rat. CBD and CBG are NaV channel blockers at micromolar concentrations in human and murine neurons and recombinant cells. In contrast to previous reports investigating CBD, CBG had no effect upon PTZ-induced seizures in rat, indicating that NaV blockade per se does not correlate with anticonvulsant effects.

Amyloid beta-peptide activates nuclear factor-kappa B through an N-methyl-D-aspartate signaling pathway in cultured cerebellar cells

Amyloid P-peptide (A beta) likely causes functional alterations in neurons well prior to their death. Nuclear factor-kappa B (NF-kappa B), a transcription factor that is known to play important roles in cell survival and apoptosis, has been shown to be modulated by A beta in neurons and glia, but the mechanism is unknown. Because A beta has also been shown to enhance activation of N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors, we investigated the role of NMDA receptor-mediated intracellular signaling pathways in A beta-induced NF-kappa B activation in primary cultured rat cerebellar cells. Cells were treated with different concentrations of A beta 1-40 (1 or 2 mu M) for different periods (6, 12, or 24 hr). MK-801 (NMDA antagonist), manumycin A and FTase inhibitor 1 (farnesyltransferase inhibitors), PP1 (Src-family tyrosine kinase inhibitor), PD98059 [mitogen-activated protein kinase (MAPK) inhibitor], and LY294002 [phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-k) inhibitor] were added 20 min before A beta treatment of the cells. A beta induced a time- and concentration-dependent activation of NF-kappa B (1 mu M, 12 hr); both p50/p65 and p50/p50 NF-kappa B dimers were involved. This activation was abolished by MK-801 and attenuated by manumycin A, FTase inhibitor 1, PP1, PD98059, and LY294002. AP at 1 mu M increased the expression of inhibitory protein I kappa B, brain-derived neurotrophic factor, inducible nitric oxide synthase, tumor necrosis factor-alpha, and interleukin-1 beta as shown by RTPCR assays. Collectively, these findings suggest that AP activates NF-kappa B by an NMDA-Src-Ras-like protein through MAPK and PI3-k pathways in cultured cerebellar cells. This pathway may mediate an adaptive, neuroprotective response to A beta. (c) 2007 Wiley-Liss, Inc.