Glutamate receptor blockade at cortical synapses disrupts development of thalamocortical and columnar organization in somatosensory cortex.

The segregation of thalamocortical inputs into eye-specific stripes in the developing cat or monkey visual cortex is prevented by manipulations that perturb or abolish neural activity in the visual pathway. Such findings show that proper development of the functional organization of visual cortex is dependent on normal patterns of neural activity. The generalisation of this conclusion to other sensory cortices has been questioned by findings that the segregation of thalamocortical afferents into a somatotopic barrel pattern in developing rodent primary somatosensory cortex (S1) is not prevented by activity blockade. We show that a temporary block of N-methyl-D-aspartate (NMDA) and non-NMDA glutamate receptors in rat S1 during the critical period for barrel development disrupts the topographic refinement of thalamocortical connectivity and columnar organization. These effects are evident well after the blockade is ineffective and thus may be permanent. Our findings show that neural activity and specifically the activation of postsynaptic cortical neurons has a prominent role in establishing the primary sensory map in S1, as well as the topographic organization of higher order synaptic connections.

L-Allylglycine dissociates the neural substrates of fear in the periaqueductal gray of rats

The dorsal (dPAG) and ventral (vPAG) regions of the periaqueductal gray are well known to contain the neural substrates of fear and anxiety. Chemical or electrical stimulation of the dPAG induces freezing, followed by a robust behavioral reaction that has been considered an animal model of panic attack. In contrast, the vPAG is part of a neural system, in which immobility is the usual response to its stimulation. The defense reaction induced by the stimulation of either region is accompanied by anti nociception. Although GABAergic mechanisms are known to exert tonic inhibitory control on the neural substrates of fear in the dPAG, the role of these mechanisms in the vPAG is still unclear. The present study examined defensive behaviors and antinociception induced by microinjections of an inhibitor of gamma-aminobutyric acid synthesis, L-allylglycine (L-AG; 1, 3, and 5 mu g/0.2 mu l), into either the dPAG or vPAG of rats subjected to the open field and tail-flick tests. Passive or tense immobility was the predominant behavior after L-AG (1 or 3 mu g) microinjection into the vPAG and dPAG, respectively, which was replaced with intense hyperactivity, including jumps or rearings, after injections of a higher dose (5 mu g/0.2 mu l) into the dPAG or vPAG. Moreover, whereas intra-dPAG injection of 3 mu g L-AG produced intense antinociception, only weak antinociception was induced by intra-vPAG injections of 5 mu g L-AG. These findings suggest that GABA mechanisms are involved in the mediation of antinociception and behavioral inhibition to aversive stimulation of the vPAG and exert powerful control over the neural substrates of fear in the dPAG to prevent a full-blown defense reaction possibly associated with panic disorder. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Modulation of tonic immobility in guinea pig PAG by homocysteic acid, a glutamate agonist

Tonic immobility (TI) is an innate defensive behavior elicited by physical restriction and postural inversion, and is characterized by a profound and temporary state of motor inhibition. The participation of the periaqueductal gray matter (PAG) in TI modulation has previously been described. In addition, the excitatory amino acids (EAA) are important mediators involved in the adjustment of several defensive responses produced by PAG. In the present study, we investigated the effect of microinjection of the EAA agonist DL-homocysteic acid (DLH) and the N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor antagonist (MK-801) into the ventrolateral and dorsal PAG over the duration of TI in guinea pigs. Microinjection of 15 nmol/0.2 mu l of DLH into the ventrolateral PAG (vlPAG) and 30 nmol/0.2 mu l of DLH into the dorsal PAG (dPAG) promoted an increase and decrease in TI duration, respectively. These responses were blocked by prior microinjection of the NMDA receptor antagonist, MK-801 (3.6 nmol/0.2 mu l) at the same site. Microinjection of MK-801 alone into the APAG and dPAG did not alter the duration of TI episodes. These results suggest that NMDA receptors are involved in the modulation of TI in both the vlPAG and dPAG. In addition, PAC excitatory amino acids modulate the TI response via columnar organization of the PAC. In this manner, the vlPAG facilitates TI modulation whereas dPAG has an inhibitory role in TI. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Specific manipulative therapy treatment for chronic lateral epicondylalgia produces uniquely characteristic hypoalgesia

The treatment of lateral epicondylalgia, a widely-used model of musculoskeletal pain in the evaluation of many physical therapy treatments, remains somewhat of an enigma. The protagonists of a new treatment technique for lateral epicondylalgia report that it produces substantial and rapid pain relief, despite a lack of experimental evidence. A randomized, double blind, placebo-controlled repeated-measures study evaluated the initial effect of this new treatment in 24 patients with unilateral, chronic lateral epicondylalgia. Pain-free grip strength was assessed as an outcome measure before, during and after the application of the treatment, placebo and control conditions. Pressure-pain thresholds were also measured before and after the application of treatment, placebo and control conditions. The results demonstrated a significant and substantial increase in pain-free grip strength of 58% (of the order of 60 N) during treatment but not during placebo and control. In contrast, the 10% change in pressure-pain threshold after treatment, although significantly greater than placebo and control, was substantially smaller than the change demonstrated for pain-free grip strength. This effect was only present in the affected limb. The selective and specific effect of this treatment technique provides a valuable insight into the physical modulation of musculoskeletal pain and requires further investigation. (C) 2001 Harcourt Publishers Ltd.

Hypoalgesia induced by elbow manipulation in lateral epicondylalgia does not exhibit tolerance

Previous studies have demonstrated that the initial hypoalgesic effect of spinal manipulative therapy was not antagonized by naloxone and did not exhibit tolerance with repeated applications. The implication is that endogenous opioid mechanisms of pain relief are probably not at play in spinal manipulative therapy. The role of endogenous opioid peptides in manipulation of the peripheral joints has not been investigated. The aim of this study was to evaluate whether the initial hypoalgesic effect of a peripheral manipulative technique (mobilization-with-movement treatment for the elbow) demonstrated a tolerance to repeated applications (ie, reduction in magnitude of effect over repeated applications). Twenty-four participants with unilateral chronic lateral epicondylalgia participated in the study. A repeated measures study was conducted to examine the effect of repeated applications of the mobilization-with-movement treatment for the elbow on 6 separate treatment occasions at least 2 days apart. Pain-free grip strength and pressure pain threshold were chosen as the pain-related outcome measures. Changes in the percent maximum possible effect scores of measures of hypoalgesia were evaluated across the 6 treatment sessions by using linear trend analysis. The results showed no significant difference for the hypoalgesic effect of the treatment technique between sessions (P >.05). This peripheral manipulative therapy treatment technique appeared to have a similar effect profile to previously studied spinal manipulative therapy techniques, thereby contributing to the body of knowledge that indicates that manipulative therapy most likely induces a predominant non-opioid form of analgesia.

Intracortical connectivity of layer VI pyramidal cells in the barrel cortex of mice

ABSTRACT : The whisker-to-barrel pathway of rodents is formed by a series of somatotopic projections from the mystacial whisker follicles to the layer IV of the primary somatosensory cortex such that each follicle corresponds to a cluster of cortical neurons called barrel. Barrels are present in layer IV but form part of functional columns that comprise the entire depth of the somatosensory cortex. Interestingly, the cortex of the barrelless mouse strain (BRL) is organized such a manner that thalamocortical afferents do not remodel their projections in layer IV and barrels fail to appear. Nevertheless, functionally, a columnar organization persists, indicating that functional columns are not only provided by thalamocortical projections and layer IV cells. Since in the visual cortex of cats, layer VI cells contribute to the response properties of layer IV neurons, we wonder whether layer VI pyramidal cells could contribute to the columnar organization of the primary somatosensory cortex of mice. To address -this question, we morphologically analyzed the distribution of intracortical axon collaterals of layer VI neurons after in-vivo juxtacellular injections of biocytin in the C2 barrel column. Injected hemispheres were tangentially serial cut and intracortical collaterals of individual layer VI neurons were reconstructed at the light microscopic level. The position of axonal boutons was recorded to evaluate the distribution of presumed synaptic contacts. In normal (NOR) mice, cluster analysis shows that layer VI pyramidal cells can be classified in four statistically different clusters of neurons. Moreover, we assume that two classes are formed by cortico-cortical neurons and two classes are formed by cortico-thalamic neurons. Looking at the direction of the main axon in the white matter, we noticed that its orientation correlates perfectly with the type of neuron: cortico-cortical neurons send main axon medially whereas cortico-thalamic neurons send main axon laterally. Performing the same study in the BRL strain, we showed that the BRL mutation affects layer VI pyramidal cells tangentially and radially: the effects of the mutation are illustrated by a significant decrease of the index of colurnnarization and a significant decrease of percentage of boutons in granular and supragranular layers comparing to NOR neurons. In spite of these differences, the same four classes of layer VI neurons have been found in BRL mice. Using a tangential analysis of the boutons distribution, we showed that putative synapses are distributed mainly in the C2 barrel column. This was observed for each layer, type of neuron, cluster or strain, indicating that layer VI pyramidal cells could participate to the functional columnar organization of the barrel cortex. To determine post-synaptic partners of layer VI neurons in layer IV, we conducted an ultrastructural analysis of layer VI-to-IV contacts. We showed that synapses principally occur on spines and spiny dendritic shafts, supposed to belong to excitatory neurons. We furthermore showed that pre-synaptic elements are significantly different between en passant and terminaux contacts, which support hypothesis that terminaux boutons should show longer duration of facilitation than en passant boutons. RÉSUMÉ : Le «whisker-to-barrel pathway» des rongeurs est caractérisé par une série de projections somatotopiques depuis les follicules des moustaches ('whiskers') jusqu'à la couche IV de l'aire somatosensorielle primaire, de telle façon que chaque follicule corresponde à un groupe de neurones corticaux appelés tonneaux (`barrels'). Les tonneaux sont seulement présents en couche IV mais font partie de colonnes fonctionnelles qui s'étendent sur toute la profondeur du cortex somatosensoriel. Chez les souris mutantes barrelless (BRL), le cortex somatosensoriel est organisé de façon telle que lés afférences thalamocorticales ne remodellent pas leurs projections en couche IV et que les tonneaux n'apparaissent pas. Fonctionnellement, pourtant, une organisation en colonnes persiste, ce qui indique que les colonnes fonctionnelles ne sont pas uniquement produites par les projections thalamocorticales et par les cellules de la couche IV. Puisque les cellules de la couche VI contribuent à influencer les réponses des cellules de la couche IV dans le cortex visuel du chat, nous nous sommes demandé si ces cellules ne pourraient pas aussi contribuer à l'organisation en colonnes du cortex somatosensoriel primaire de la souris. Pour répondre à cette question, nous avons analysé de façon morphologique la distribution intracorticale des collatéraux axonaux de neurones de la couche VI. Suite à des injections juxtacellulaires de biocytine in-vivo dans la colonne C2, les hémisphères cérébraux ont été tangentiellement coupés en série et les collatéraux intracorticaux des neurones de la couche VI ont été reconstruits en microscopie optique. La position des boutons axonaux a aussi été enregistrée pour évaluer la distribution des contacts synpptiques potentiels. Chez les souris NOR, une analyse multivariée montre que les cellules pyramidales de la couche VI sont distribuées en quatre classes. Deux de ces classes sont probablement formées de neurons cortico-corticaux, alors que les deux autres sont probablement formées de neurones corticothalamiques. En observant la direction de l'axone principal dans la matière blanche, nous avons noté que son orientation est parfaitement corrélée avec le type supposé de neurone : les neurones corticocorticaux envoient leurs axones principaux médiallement, alors que les neurons cortico-thalamiques envoient leurs axones principaux latéralement. En menant la même étude chez les souris BRL, nous avons montré que la mutation affecte les cellules pyramidales de la couche VI de façon tangentielle, mais aussi radiaire : les effets de 1a mutation se traduisent par une diminution significative de l'index de « columnarization » et de la connectivité en couches granulaire et supragranulaire. Malgré ces différences, les quatre mêmes classes de neurones ont été retrouvées. En utilisant une analyse tangentielle de la distribution des boutons, nous avons montré que les synapses potentielles sont distribuées principalement dans la colonne C2. Cette observation a été faite dans chaque couche, chaque type de neurones, chaque classe de neurones et chaque souche de souris, indicant que les cellules de la couche VI participent certainement à l'organisation en colonne du cortex somatosensoriel. Pour déterminer les partenaires post-synaptiques des cellules de la couche VI en couche IV, nous avons conduit une analyse ultrastructurelle de ces contacts. Nous avons montré que les synapses interviennent principalement sur les épines et sur les dendrites supposés appartenir à des cellules excitatrices. Nous avons aussi montré que les éléments pré-synaptiques de ces synapses sont significativement differents selon le type de bouton, en passant ou terminal, ce qui supporte l'hypothèse que les boutons terminaux seraient capables d'une plus longue facilitation.

Quantifying network properties in multi-electrode recordings: spatiotemporal characterization and inter-trial variation of evoked gamma oscillations in mouse somatosensory cortex in vitro.

Linking the structural connectivity of brain circuits to their cooperative dynamics and emergent functions is a central aim of neuroscience research. Graph theory has recently been applied to study the structure-function relationship of networks, where dynamical similarity of different nodes has been turned into a "static" functional connection. However, the capability of the brain to adapt, learn and process external stimuli requires a constant dynamical functional rewiring between circuitries and cell assemblies. Hence, we must capture the changes of network functional connectivity over time. Multi-electrode array data present a unique challenge within this framework. We study the dynamics of gamma oscillations in acute slices of the somatosensory cortex from juvenile mice recorded by planar multi-electrode arrays. Bursts of gamma oscillatory activity lasting a few hundred milliseconds could be initiated only by brief trains of electrical stimulations applied at the deepest cortical layers and simultaneously delivered at multiple locations. Local field potentials were used to study the spatio-temporal properties and the instantaneous synchronization profile of the gamma oscillatory activity, combined with current source density (CSD) analysis. Pair-wise differences in the oscillation phase were used to determine the presence of instantaneous synchronization between the different sites of the circuitry during the oscillatory period. Despite variation in the duration of the oscillatory response over successive trials, they showed a constant average power, suggesting that the rate of expenditure of energy during the gamma bursts is consistent across repeated stimulations. Within each gamma burst, the functional connectivity map reflected the columnar organization of the neocortex. Over successive trials, an apparently random rearrangement of the functional connectivity was observed, with a more stable columnar than horizontal organization. This work reveals new features of evoked gamma oscillations in developing cortex.

Intracortical connectivity of layer VI pyramidal neurons in the somatosensory cortex of normal and barrelless mice.

In mice, barrels in layer IV of the somatosensory cortex correspond to the columnar representations of whisker follicles. In barrelless (BRL) mice, barrels are absent, but functionally, a columnar organization persists. Previously we characterized the aberrant geometry of thalamic projection of BRL mice using axonal reconstructions of individual neurons. Here we proceeded with the analysis of the intracortical projections from layer VI pyramidal neurons, to assess their contribution to the columnar organization. From series of tangential sections we reconstructed the axon collaterals of individual layer VI pyramidal neurons in the C2 barrel column that were labelled with biocytin [controls from normal (NOR) strain, 19 cells; BRL strain, nine cells]. Using six morphological parameters in a cluster analysis, we showed that layer VI neurons in NOR mice are distributed into four clusters distinguished by the radial and tangential extent of their intracortical projections. These clusters correlated with the cortical or subcortical projection of the main axon. In BRL mice, neurons were distributed within the same four clusters, but their projections to the granular and supragranular layers were significantly smaller and their tangential projection was less columnar than in NOR mice. However, in both strains the intracortical projections had a preference for the appropriate barrel column (C2), indicating that layer VI pyramidal cells could participate in the functional columnar organization of the barrel cortex. Correlative light and electron microscopy analyses provided morphometric data on the intracortical synaptic boutons and synapses of layer VI pyramidal neurons and revealed that projections to layer IV preferentially target excitatory dendritic spines and shafts.

The role of PPARgamma in cartilage growth and development using cartilage-specific PPARgamma knockout mice

Le cartilage est un tissu conjonctif composé d’une seule sorte de cellule nommée chondrocytes. Ce tissu offre une fondation pour la formation des os. Les os longs se développent par l'ossification endochondral. Ce processus implique la coordination entre la prolifération, la différenciation et l'apoptose des chondrocytes, et résulte au remplacement du cartilage par l'os. Des anomalies au niveau du squelette et des défauts liés à l’âge tels que l’arthrose (OA) apparaissent lorsqu’il y a une perturbation dans l’équilibre du processus de développement. À ce jour, les mécanismes exacts contrôlant la fonction et le comportement des chondrocytes pendant la croissance et le développement du cartilage sont inconnus. Le récepteur activateur de la prolifération des peroxysomes (PPAR) gamma est un facteur de transcription impliqué dans l'homéostasie des lipides. Plus récemment, son implication a aussi été suggérée dans l'homéostasie osseuse. Cependant, le rôle de PPARγ in vivo dans la croissance et le développement du cartilage est inconnu. Donc, pour la première fois, cette étude examine le rôle spécifique de PPARγ in vivo dans la croissance et le développement du cartilage. Les souris utilisées pour l’étude avaient une délétion conditionnelle au cartilage du gène PPARγ. Ces dernières ont été générées en employant le système LoxP/Cre. Les analyses des souris ayant une délétion au PPARγ aux stades embryonnaire et adulte démontrent une réduction de la croissance des os longs, une diminution des dépôts de calcium dans l’os, de la densité osseuse et de la vascularisation, un délai dans l’ossification primaire et secondaire, une diminution cellulaire, une perte d’organisation colonnaire et une diminution des zones hypertrophiques, une désorganisation des plaques de croissance et des chondrocytes déformés. De plus, la prolifération et la différenciation des chondrocytes sont anormales. Les chondrocytes et les explants isolés du cartilage mutant démontrent une expression réduite du facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGF)-A et des éléments de production de la matrice extracellulaire. Une augmentation de l’expression de la métalloprotéinase matricielle (MMP)-13 est aussi observée. Dans les souris âgées ayant une délétion au PPARγ, y est aussi noté des phénotypes qui ressemblent à ceux de l’OA tel que la dégradation du cartilage et l'inflammation de la membrane synoviale, ainsi qu’une augmentation de l’expression de MMP-13 et des néoépitopes générés par les MMPs. Nos résultats démontrent que le PPARγ est nécessaire pour le développement et l’homéostasie du squelette. PPARγ est un régulateur essentiel pour la physiologie du cartilage durant les stades de croissance, de développement et de vieillissement.

Periaqueductal gray matter modulates the hypercapnic ventilatory response

The periaqueductal gray (PAG) is a midbrain structure directly involved in the modulation of defensive behaviors. It has direct projections to several central nuclei that are involved in cardiorespiratory control. Although PAG stimulation is known to elicit respiratory responses, the role of the PAG in the CO2-drive to breathe is still unknown. The present study assessed the effect of chemical lesion of the dorsolateral and dorsomedial and ventrolateral/lateral PAG (dlPAG, dmPAG, and vPAG, respectively) on cardiorespiratory and thermal responses to hypercapnia. Ibotenic acid (IBO) or vehicle (PBS, Sham group) was injected into the dlPAG, dmPAG, or vPAG of male Wistar rats. Rats with lesions outside the dlPAG, dmPAG, or vPAG were considered as negative controls (NC). Pulmonary ventilation (Ve), mean arterial pressure (MAP), heart rate (HR), and body temperature (Tb) were measured in unanesthetized rats during normocapnia and hypercapnic exposure (5, 15, 30 min, 7 % CO2). IBO lesioning of the dlPAG/dmPAG caused 31 % and 26.5 % reductions of the respiratory response to CO2 (1,094.3 +/- 115 mL/kg/min) compared with Sham (1,589.5 +/- 88.1 mL/kg/min) and NC groups (1,488.2 +/- 47.7 mL/kg/min), respectively. IBO lesioning of the vPAG caused 26.6 % and 21 % reductions of CO2 hyperpnea (1,215.3 +/- 108.6 mL/kg/min) compared with Sham (1,657.3 +/- 173.9 mL/kg/min) and NC groups (1,537.6 +/- 59.3). Basal Ve, MAP, HR, and Tb were not affected by dlPAG, dmPAG, or vPAG lesioning. The results suggest that dlPAG, dmPAG, and vPAG modulate hypercapnic ventilatory responses in rats but do not affect MAP, HR, or Tb regulation in resting conditions or during hypercapnia.

The neocortical column

In the middle of the twentieth century, Rafael Lorente de Nó (1902?1990) introduced the fundamental concept of the ?elementary cortical unit of operation,? proposing that the cerebral cortex is formed of small cylinders containing vertical chains of neurons (Lorente de Nó, 1933, 1938). On the basis of this idea, the hypothesis was later developed of the columnar organization of the cerebral cortex, primarily following the physiological and anatomical studies of Vernon Mountcastle, David Hubel, Torsten Wiesel, János Szentágothai, Ted Jones, and Pasko Rakic (for a review of these early studies, see Mountcastle, 1998). The columnar organization hypothesis is currently the most widely adopted to explain the cortical processing of information, making its study of potential interest to any researcher interested in this tissue, both in a healthy and pathological state. However, it is frequently remarked that the nomenclature surrounding this hypothesis often generates problems, as the term ?Column? is used freely and promiscuously to refer to multiple, distinguishable entities, such as cellular or dendritic minicolumns or afferent macrocolumns, with respective diameters of menor que50 and 200?500 ?m. Another problem is the degree to which classical criteria may need to be modified (shared response properties, shared input, and common output) and if so, how. Moreover, similar problems arise when we consider the need to define area-specific and species-specific variations. Finally, and what is more an ultimate goal than a problem, it is still necessary to achieve a better fundamental understanding of what columns are and how they are used in cortical processes. Accordingly, it is now very important to translate recent technical advances and new findings in the neurosciences into practical applications for neuroscientists, clinicians, and for those interested in comparative anatomy and brain evolution.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Control of the long-range self-organization of polycyclic aromatic hydrocarbons for device applications

Electronic devices based on organic semiconductors have gained increased attention in nanotechnology, especially applicable to the field of field-effect transistors and photovoltaic. A promising class of materials in this reseach field are polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Alkyl substitution of these graphenes results in the selforganization into one-dimensional columnar superstructures and provides solubility and processibility. The nano-phase separation between the π-stacking aromatic cores and the disordered peripheral alkyl chains leads to the formation of thermotropic mesophases. Hexa-peri-hexabenzocoronenes (HBC), as an example for a PAH, exhibits some of the highest values for the charge carrier mobility for mesogens, which makes them promising candidates for electronic devices. Prerequisites for efficient charge carrier transport between electrodes are a high purity of the material to reduce possible trapping sites for charge carriers and a pronounced and defect-free, long-range order. Appropriate processing techniques are required to induce a high degree of aligned structures in the discotic material over macroscopic dimensions. Highly-ordered supramolecular structures of different discotics, in particular, of HBC derivatives have been obtained by solution processing using the zone-casting technique, zone-melting or simple extrusion. Simplicity and fabrication of highly oriented columnar structures over long-range are the most essential advantages of these zone-processing methods. A close relation between the molecular design, self-aggregation and the processing conditions has been revealed. The long-range order achieved by the zone-casting proved to be suitable for field effect transistors (FET).

Organization of hue selectivity in macaque V2 thin stripes.

V2 has long been recognized to contain functionally distinguishable compartments that are correlated with the stripelike pattern of cytochrome oxidase activity. Early electrophysiological studies suggested that color, direction/disparity, and orientation selectivity were largely segregated in the thin, thick, and interstripes, respectively. Subsequent studies revealed a greater degree of homogeneity in the distribution of response properties across stripes, yet color-selective cells were still found to be most prevalent in the thin stripes. Optical recording studies have demonstrated that thin stripes contain both color-preferring and luminance-preferring modules. These thin stripe color-preferring modules contain spatially organized hue maps, whereas the luminance-preferring modules contain spatially organized luminance-change maps. In this study, the neuronal basis of these hue maps was determined by characterizing the selectivity of neurons for isoluminant hues in multiple penetrations within previously characterized V2 thin stripe hue maps. The results indicate that neurons within the superficial layers of V2 thin stripe hue maps are organized into columns whose aggregated hue selectivity is closely related to the hue selectivity of the optically defined hue maps. These data suggest that thin stripes contain hue maps not simply because of their moderate percentage of hue-selective neurons, but because of the columnar and tangential organization of hue selectivity.