Mapping cortical change in Alzheimer's disease, brain development, and schizophrenia

This paper describes algorithms that can identify patterns of brain structure and function associated with Alzheimer's disease, schizophrenia, normal aging, and abnormal brain development based on imaging data collected in large human populations. Extraordinary information can be discovered with these techniques: dynamic brain maps reveal how the brain grows in childhood, how it changes in disease, and how it responds to medication. Genetic brain maps can reveal genetic influences on brain structure, shedding light on the nature-nurture debate, and the mechanisms underlying inherited neurobehavioral disorders. Recently, we created time-lapse movies of brain structure for a variety of diseases. These identify complex, shifting patterns of brain structural deficits, revealing where, and at what rate, the path of brain deterioration in illness deviates from normal. Statistical criteria can then identify situations in which these changes are abnormally accelerated, or when medication or other interventions slow them. In this paper, we focus on describing our approaches to map structural changes in the cortex. These methods have already been used to reveal the profile of brain anomalies in studies of dementia, epilepsy, depression, childhood- and adult-onset schizophrenia, bipolar disorder, attention-deficit/hyperactivity disorder, fetal alcohol syndrome, Tourette syndrome, Williams syndrome, and in methamphetamine abusers. Specifically, we describe an image analysis pipeline known as cortical pattern matching that helps compare and pool cortical data over time and across subjects. Statistics are then defined to identify brain structural differences between groups, including localized alterations in cortical thickness, gray matter density (GMD), and asymmetries in cortical organization. Subtle features, not seen in individual brain scans, often emerge when population-based brain data are averaged in this way. Illustrative examples are presented to show the profound effects of development and various diseases on the human cortex. Dynamically spreading waves of gray matter loss are tracked in dementia and schizophrenia, and these sequences are related to normally occurring changes in healthy subjects of various ages.

Apert syndrome: Analysis of associated brain malformations and conformational changes determined by surgical treatment

Apert Syndrome, also called acrocephalosyndactylia type 1, is characterized by craniostenosis with early fusion of sutures of the vault and/ or cranial base, associated to mid-face hypoplasia, symmetric syndactylia of the hands and feet and other systemic malformations. CNS malformations and intracranial hypertension are frequently observed in these patients. Early surgical treatment aims to minimize the deleterious effects of intracranial hypertension. Fronto-orbital advancement, the usual surgical technique, increases the intracranial volume and improves the disposition of encephalic structures previously deformed by a short skull. This study analyzes CNS alterations revealed by magnetic resonance in 18 patients presenting Apert Syndrome, and the conformational alterations in the encephalic structures after surgical treatment. The patients' age in February 2001 ranged from 14 to 322 months (m=107). Image study included brain magnetic resonance showing ventricular enlargement in five cases (27.8%), corpus callosum hypoplasia in five cases (27.8%), septum pellucidum hypoplasia in five cases (27.8%), cavum vergae in two cases (11.1%) and, arachnoid cyst in the posterior fossa in two cases (11.1%). Absence of CNS alterations was noted in 44.4% of cases. A corpus callosum morphologic index was established by dividing its height by its length, which revealed values that ranged from 0.4409 to 1.0237. The values of this index were correlated to the occurrence or absence of surgical treatment (p=0.012; t=2.83). Data analysis allowed the conclusion that the corpus callosum morphologic measure quantified the conformational alterations of the cerebral structures determined by the surgical treatment.

Subtelomeric deletion of chromosome 10p15.3: clinical findings and molecular cytogenetic characterization.

We describe 19 unrelated individuals with submicroscopic deletions involving 10p15.3 characterized by chromosomal microarray (CMA). Interestingly, to our knowledge, only two individuals with isolated, submicroscopic 10p15.3 deletion have been reported to date; however, only limited clinical information is available for these probands and the deleted region has not been molecularly mapped. Comprehensive clinical history was obtained for 12 of the 19 individuals described in this study. Common features among these 12 individuals include: cognitive/behavioral/developmental differences (11/11), speech delay/language disorder (10/10), motor delay (10/10), craniofacial dysmorphism (9/12), hypotonia (7/11), brain anomalies (4/6) and seizures (3/7). Parental studies were performed for nine of the 19 individuals; the 10p15.3 deletion was de novo in seven of the probands, not maternally inherited in one proband and inherited from an apparently affected mother in one proband. Molecular mapping of the 19 individuals reported in this study has identified two genes, ZMYND11 (OMIM 608668) and DIP2C (OMIM 611380; UCSC Genome Browser), mapping within 10p15.3 which are most commonly deleted. Although no single gene has been identified which is deleted in all 19 individuals studied, the deleted region in all but one individual includes ZMYND11 and the deleted region in all but one other individual includes DIP2C. There is not a clearly identifiable phenotypic difference between these two individuals and the size of the deleted region does not generally predict clinical features. Little is currently known about these genes complicating a direct genotype/phenotype correlation at this time. These data however, suggest that ZMYND11 and/or DIP2C haploinsufficiency contributes to the clinical features associated with 10p15 deletions in probands described in this study.

Down syndrome-critical region contains a gene homologous to Drosophila sim expressed during rat and human central nervous system development.

Many features of Down syndrome might result from the overdosage of only a few genes located in a critical region of chromosome 21. To search for these genes, cosmids mapping in this region were isolated and used for trapping exons. One of the trapped exons obtained has a sequence very similar to part of the Drosophila single-minded (sim) gene, a master regulator of the early development of the fly central nervous system midline. Mapping data indicated that this exonic sequence is only present in the Down syndrome-critical region in the human genome. Hybridization of this exonic sequence with human fetal kidney poly(A)+ RNA revealed two transcripts of 6 and 4.3 kb. In situ hybridization of a probe derived from this exon with human and rat fetuses showed that the corresponding gene is expressed during early fetal life in the central nervous system and in other tissues, including the facial, skull, palate, and vertebra primordia. The expression pattern of this gene suggests that it might be involved in the pathogenesis of some of the morphological features and brain anomalies observed in Down syndrome.

Modifications neurométaboliques et microstructurales à la suite d'une commotion cérébrale chez les athlètes féminines.

L’utilisation de méthodes d’investigation cérébrale avancées a permis de mettre en évidence la présence d’altérations à court et à long terme à la suite d’une commotion cérébrale. Plus spécifiquement, des altérations affectant l’intégrité de la matière blanche et le métabolisme cellulaire ont récemment été révélées par l’utilisation de l’imagerie du tenseur de diffusion (DTI) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), respectivement. Ces atteintes cérébrales ont été observées chez des athlètes masculins quelques jours après la blessure à la tête et demeuraient détectables lorsque les athlètes étaient à nouveau évalués six mois post-commotion. En revanche, aucune étude n’a évalué les effets neurométaboliques et microstructuraux dans la phase aigüe et chronique d’une commotion cérébrale chez les athlètes féminines, malgré le fait qu’elles présentent une susceptibilité accrue de subir ce type de blessure, ainsi qu’un nombre plus élevé de symptômes post-commotionnels et un temps de réhabilitation plus long. Ainsi, les études composant le présent ouvrage visent globalement à établir le profil d’atteintes microstructurales et neurométaboliques chez des athlètes féminines par l’utilisation du DTI et de la SRM. La première étude visait à évaluer les changements neurométaboliques au sein du corps calleux chez des joueurs et joueuses de hockey au cours d’une saison universitaire. Les athlètes ayant subi une commotion cérébrale pendant la saison ont été évalués 72 heures, 2 semaines et 2 mois après la blessure à la tête en plus des évaluations pré et post-saison. Les résultats démontrent une absence de différences entre les athlètes ayant subi une commotion cérébrale et les athlètes qui n’en ont pas subie. De plus, aucune différence entre les données pré et post-saison a été observée chez les athlètes masculins alors qu’une diminution du taux de N-acetyl aspartate (NAA) n’a été mise en évidence chez les athlètes féminines, suggérant ainsi un impact des coups d’intensité sous-clinique à la tête. La deuxième étude, qui utilisait le DTI et la SRM, a révélé des atteintes chez des athlètes féminines commotionnées asymptomatiques en moyenne 18 mois post-commotion. Plus spécifiquement, la SRM a révélé une diminution du taux de myo-inositol (mI) au sein de l’hippocampe et du cortex moteur primaire (M1) alors que le DTI a mis en évidence une augmentation de la diffusivité moyenne (DM) dans plusieurs faisceaux de matière blanche. De iii plus, une approche par région d’intérêt a mis en évidence une diminution de la fraction d’anisotropie (FA) dans la partie du corps calleux projetant vers l’aire motrice primaire. Le troisième article évaluait des athlètes ayant subi une commotion cérébrale dans les jours suivant la blessure à la tête (7-10 jours) ainsi que six mois post-commotion avec la SRM. Dans la phase aigüe, des altérations neuropsychologiques combinées à un nombre significativement plus élevé de symptômes post-commotionnels et dépressifs ont été trouvés chez les athlètes féminines commotionnées, qui se résorbaient en phase chronique. En revanche, aucune différence sur le plan neurométabolique n’a été mise en évidence entre les deux groupes dans la phase aigüe. Dans la phase chronique, les athlètes commotionnées démontraient des altérations neurométaboliques au sein du cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) et M1, marquées par une augmentation du taux de glutamate/glutamine (Glx). De plus, une diminution du taux de NAA entre les deux temps de mesure était présente chez les athlètes contrôles. Finalement, le quatrième article documentait les atteintes microstructurales au sein de la voie corticospinale et du corps calleux six mois suivant une commotion cérébrale. Les analyses n’ont démontré aucune différence au sein de la voie corticospinale alors que des différences ont été relevées par segmentation du corps calleux selon les projections des fibres calleuses. En effet, les athlètes commotionnées présentaient une diminution de la DM et de la diffusivité radiale (DR) au sein de la région projetant vers le cortex préfrontal, un volume moindre des fibres de matière blanche dans la région projetant vers l’aire prémotrice et l’aire motrice supplémentaire, ainsi qu’une diminution de la diffusivité axiale (DA) dans la région projetant vers l’aire pariétale et temporale. En somme, les études incluses dans le présent ouvrage ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets métaboliques et microstructuraux des commotions cérébrales et démontrent des effets délétères persistants chez des athlètes féminines. Ces données vont de pair avec la littérature scientifique qui suggère que les commotions cérébrales n’entraînent pas seulement des symptômes temporaires.

Alzheimer’s electroencephalogram event scalp and source localization

Alzheimer’s disease is the most common cause of dementia which causes a progressive and irreversible impairment of several cognitive functions. The aging population has been increasing significantly in recent decades and this disease affects mainly the elderly. Its diagnostic accuracy is relatively low and there is not a biomarker able to detect AD without invasive tests. Despite the progress in better understanding the disease there remains no prospect of cure at least in the near future. The electroencephalogram (EEG) test is a widely available technology in clinical settings. It may help diagnosis of brain disorders, once it can be used in patients who have cognitive impairment involving a general decrease in overall brain function or in patients with a located deficit. This study is a new approach to improve the scalp localization and the detection of brain anomalies (EEG temporal events) sources associated with AD by using the EEG.

Modifications neurométaboliques et microstructurales à la suite d'une commotion cérébrale chez les athlètes féminines

L’utilisation de méthodes d’investigation cérébrale avancées a permis de mettre en évidence la présence d’altérations à court et à long terme à la suite d’une commotion cérébrale. Plus spécifiquement, des altérations affectant l’intégrité de la matière blanche et le métabolisme cellulaire ont récemment été révélées par l’utilisation de l’imagerie du tenseur de diffusion (DTI) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), respectivement. Ces atteintes cérébrales ont été observées chez des athlètes masculins quelques jours après la blessure à la tête et demeuraient détectables lorsque les athlètes étaient à nouveau évalués six mois post-commotion. En revanche, aucune étude n’a évalué les effets neurométaboliques et microstructuraux dans la phase aigüe et chronique d’une commotion cérébrale chez les athlètes féminines, malgré le fait qu’elles présentent une susceptibilité accrue de subir ce type de blessure, ainsi qu’un nombre plus élevé de symptômes post-commotionnels et un temps de réhabilitation plus long. Ainsi, les études composant le présent ouvrage visent globalement à établir le profil d’atteintes microstructurales et neurométaboliques chez des athlètes féminines par l’utilisation du DTI et de la SRM. La première étude visait à évaluer les changements neurométaboliques au sein du corps calleux chez des joueurs et joueuses de hockey au cours d’une saison universitaire. Les athlètes ayant subi une commotion cérébrale pendant la saison ont été évalués 72 heures, 2 semaines et 2 mois après la blessure à la tête en plus des évaluations pré et post-saison. Les résultats démontrent une absence de différences entre les athlètes ayant subi une commotion cérébrale et les athlètes qui n’en ont pas subie. De plus, aucune différence entre les données pré et post-saison a été observée chez les athlètes masculins alors qu’une diminution du taux de N-acetyl aspartate (NAA) n’a été mise en évidence chez les athlètes féminines, suggérant ainsi un impact des coups d’intensité sous-clinique à la tête. La deuxième étude, qui utilisait le DTI et la SRM, a révélé des atteintes chez des athlètes féminines commotionnées asymptomatiques en moyenne 18 mois post-commotion. Plus spécifiquement, la SRM a révélé une diminution du taux de myo-inositol (mI) au sein de l’hippocampe et du cortex moteur primaire (M1) alors que le DTI a mis en évidence une augmentation de la diffusivité moyenne (DM) dans plusieurs faisceaux de matière blanche. De iii plus, une approche par région d’intérêt a mis en évidence une diminution de la fraction d’anisotropie (FA) dans la partie du corps calleux projetant vers l’aire motrice primaire. Le troisième article évaluait des athlètes ayant subi une commotion cérébrale dans les jours suivant la blessure à la tête (7-10 jours) ainsi que six mois post-commotion avec la SRM. Dans la phase aigüe, des altérations neuropsychologiques combinées à un nombre significativement plus élevé de symptômes post-commotionnels et dépressifs ont été trouvés chez les athlètes féminines commotionnées, qui se résorbaient en phase chronique. En revanche, aucune différence sur le plan neurométabolique n’a été mise en évidence entre les deux groupes dans la phase aigüe. Dans la phase chronique, les athlètes commotionnées démontraient des altérations neurométaboliques au sein du cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) et M1, marquées par une augmentation du taux de glutamate/glutamine (Glx). De plus, une diminution du taux de NAA entre les deux temps de mesure était présente chez les athlètes contrôles. Finalement, le quatrième article documentait les atteintes microstructurales au sein de la voie corticospinale et du corps calleux six mois suivant une commotion cérébrale. Les analyses n’ont démontré aucune différence au sein de la voie corticospinale alors que des différences ont été relevées par segmentation du corps calleux selon les projections des fibres calleuses. En effet, les athlètes commotionnées présentaient une diminution de la DM et de la diffusivité radiale (DR) au sein de la région projetant vers le cortex préfrontal, un volume moindre des fibres de matière blanche dans la région projetant vers l’aire prémotrice et l’aire motrice supplémentaire, ainsi qu’une diminution de la diffusivité axiale (DA) dans la région projetant vers l’aire pariétale et temporale. En somme, les études incluses dans le présent ouvrage ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets métaboliques et microstructuraux des commotions cérébrales et démontrent des effets délétères persistants chez des athlètes féminines. Ces données vont de pair avec la littérature scientifique qui suggère que les commotions cérébrales n’entraînent pas seulement des symptômes temporaires.

Characterization of an Evolutionarily Conserved Metallophosphoesterase That Is Expressed in the Fetal Brain and Associated with the WAGR Syndrome

Among the human diseases that result from chromosomal aberrations, a de novo deletion in chromosome 11p13 is clinically associated with a syndrome characterized by Wilms' tumor, aniridia, genitourinary anomalies, and mental retardation (WAGR). Not all genes in the deleted region have been characterized biochemically or functionally. We have recently identified the first Class III cyclic nucleotide phosphodiesterase, Rv0805, from Mycobacterium tuberculosis, which biochemically and structurally belongs to the superfamily of metallophosphoesterases. We performed a large scale bioinformatic analysis to identify orthologs of the Rv0805 protein and identified many eukaryotic genes that included the human 239FB gene present in the region deleted in the WAGR syndrome. We report here the first detailed biochemical characterization of the rat 239FB protein and show that it possesses metallophosphodiesterase activity. Extensive mutational analysis identified residues that are involved in metal interaction at the binuclear metal center. Generation of a rat 239FB protein with a mutation corresponding to a single nucleotide polymorphism seen in human 239FB led to complete inactivation of the protein. A close ortholog of 239FB is found in adult tissues, and biochemical characterization of the 239AB protein demonstrated significant hydrolytic activity against 2',3'-cAMP, thus representing the first evidence for a Class III cyclic nucleotide phosphodiesterase in mammals. Highly conserved orthologs of the 239FB protein are found in Caenorhabditis elegans and Drosophila and, coupled with available evidence suggesting that 239FB is a tumor suppressor, indicate the important role this protein must play in diverse cellular events.

Glutathione deficit during development induces anomalies in the rat anterior cingulate GABAergic neurons: Relevance to schizophrenia.

A series of studies in schizophrenic patients report a decrease of glutathione (GSH) in prefrontal cortex (PFC) and cerebrospinal fluid, a decrease in mRNA levels for two GSH synthesizing enzymes and a deficit in parvalbumin (PV) expression in a subclass of GABA neurons in PFC. GSH is an important redox regulator, and its deficit could be responsible for cortical anomalies, particularly in regions rich in dopamine innervation. We tested in an animal model if redox imbalance (GSH deficit and excess extracellular dopamine) during postnatal development would affect PV-expressing neurons. Three populations of interneurons immunolabeled for calcium-binding proteins were analyzed quantitatively in 16-day-old rat brain sections. Treated rats showed specific reduction in parvalbumin immunoreactivity in the anterior cingulate cortex, but not for calbindin and calretinin. These results provide experimental evidence for the critical role of redox regulation in cortical development and validate this animal model used in schizophrenia research.

Correlation between topographic N400 anomalies and reduced cerebral blood flow in the anterior temporal lobes of patients with dementia

In Alzheimer's disease (AD) patients, episodic memory impairments are apparent, yet semantic memory difficulties are also observed. While the episodic pathology has been thoroughly studied, the neurophysiological mechanisms of the semantic impairments remain obscure. Semantic dementia (SD) is characterized by isolated semantic memory deficits. The present study aimed to find an early marker of mild AD and SD by employing a semantic priming paradigm during electroencephalogram recordings. Event-related potentials (ERP) of early (P1, N1) and late (N400) word processing stages were obtained to measure semantic memory functions. Separately, baseline cerebral blood flow (CBF) was acquired with arterial spin labeling. Thus, the analysis focused on linear regressions of CBF with ERP topographical similarity indices in order to find the brain structures that showed altered baseline functionality associated with deviant ERPs. All participant groups showed semantic priming in their reaction times. Furthermore, decreased CBF in the temporal lobes was associated with abnormal N400 topography. No significant CBF clusters were found for the early ERPs. Taken together, the neurophysiological results suggested that the automatic spread of activation during semantic word processing was preserved in mild dementia, while controlled access to the words was impaired. These findings suggested that N400-topography alterations might be a potential marker for the detection of early dementia. Such a marker could be beneficial for differential diagnosis due to its low cost and non-invasive application as well as its relationship with semantic memory dysfunctions that are closely associated to the cortical deterioration in regions crucial for semantic word processing.

Brain and cognitive development

'The Millennial Adolescent' offers contemporary, stimulating insights for those currently teaching as well as those preparing to teach. This book investigates the characteristics of Generation Y, using students own voices, generational theory and case studies. The text is structured around the principle that effective teachers need to know who they are teaching as well as what to teach, how to teach it, and how to assess the outcome. Using generational theory, 'The Millennial Adolescent' investigates the characteristics of Generation Y, or the Millennial Generation, and points out what all teachers need to know about working with this current generation of students who are described in a number of ways digital natives, team oriented, confident, multi-taskers, high achievers, and a generation unlike any other. The book contains well-known frameworks for developing understandings about adolescents, blended and contrasted with a contemporary socio-cultural construction of adolescence, set in our particular time, era and society. This book reflects the uniqueness of Australian contexts, while connecting with international trends and global patterns. Engaging and full of insights, this book is essential reading for all professionals dealing with adolescents.

Human brain regions required for the dividing and switching of attention between two features of a single object

This combined PET and ERP study was designed to identify the brain regions activated in switching and divided attention between different features of a single object using matched sensory stimuli and motor response. The ERP data have previously been reported in this journal [64]. We now present the corresponding PET data. We identified partially overlapping neural networks with paradigms requiring the switching or dividing of attention between the elements of complex visual stimuli. Regions of activation were found in the prefrontal and temporal cortices and cerebellum. Each task resulted in different prefrontal cortical regions of activation lending support to the functional subspecialisation of the prefrontal and temporal cortices being based on the cognitive operations required rather than the stimuli themselves.