Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Natriuresis induced by cholinergic stimulation of the locus coeruleus in the rat

Carbachol injected into the locus coeruleus (LC) induced a dose-dependent natriuresis in the rat. This natriuresis was maintained above control levels during the 120 min of urine sampling. Seizures and arterial blood pressure increase were also observed but they disappeared within 20 min after carbachol injection. Natriuresis was not obtained with either injections of carbachol outside the LC or with hypertonic solutions injected into the LC. Injection of atropine into the LC blocked the natriuresis induced by carbachol. In summary, our data show that carbachol induces natriuresis by an action on muscarinic receptors located in the LC region. © 1990.

Preoptic-periventricular tissue (AV3V): central cholinergic-induced hydromineral and cardiovascular responses, and salt intake.

The periventricular tissue of the anterior ventral portion of the third ventricle (AV3V) is an important area for the control of hydromineral balance and of cardiovascular function. The present work discusses the importance of the integrity of the AV3V for multiple responses to central cholinergic activation (water intake, hypertension, natriuresis, salivation) and for the control of salt intake.

Enhanced airways responsiveness in rats depleted of sensory neuropeptides by neonatal capsaicin treatment

This study aimed to investigate the in vivo and in vitro reactivity of airway smooth muscle in rats depleted of sensory neuropeptides by treatment with capsaicin at neonatal stage. Wistar rats were neonatally injected with either capsaicin (50 mg/kg, s.c., 2nd day of life) or its vehicle (10% ethanol and 10% Tween 80, in 0.9% w/v NaCl solution) and used at adult ages (60-70 days later). Analysis of the lungs showed a higher number of infiltrating neutrophils, eosinophils and mononuclear cells into the peribronchiolar regions of capsaicin-pretreated rats compared to vehicle group. This was associated with a higher contraction index of bronchiolar wall in the capsaicin group. The in vitro tracheal reactivity in response to methacholine (full muscarinic agonist) and pilocarpine (partial muscarinic agonist) was also significantly higher in capsaicin-pretreated rats compared to vehicle group. In conclusion, the neuropeptide depletion by capsaicin neonatal treatment lead to marked contraction of the rat airways at adult age, suggesting a protective role for C fibers in the lungs. (C) 2003 Elsevier B.V. Ireland Ltd. All rights reserved.

Two amyloid precursor protein transgenic mouse models with Alzheimer disease-like pathology

Mutations in the amyloid precursor protein (APP) gene cause early-onset familial Alzheimer disease (AD) by affecting the formation of the amyloid β (Aβ) peptide, the major constituent of AD plaques. We expressed human APP751 containing these mutations in the brains of transgenic mice. Two transgenic mouse lines develop pathological features reminiscent of AD. The degree of pathology depends on expression levels and specific mutations. A 2-fold overexpression of human APP with the Swedish double mutation at positions 670/671 combined with the V717I mutation causes Aβ deposition in neocortex and hippocampus of 18-month-old transgenic mice. The deposits are mostly of the diffuse type; however, some congophilic plaques can be detected. In mice with 7-fold overexpression of human APP harboring the Swedish mutation alone, typical plaques appear at 6 months, which increase with age and are Congo Red-positive at first detection. These congophilic plaques are accompanied by neuritic changes and dystrophic cholinergic fibers. Furthermore, inflammatory processes indicated by a massive glial reaction are apparent. Most notably, plaques are immunoreactive for hyperphosphorylated tau, reminiscent of early tau pathology. The immunoreactivity is exclusively found in congophilic senile plaques of both lines. In the higher expressing line, elevated tau phosphorylation can be demonstrated biochemically in 6-month-old animals and increases with age. These mice resemble major features of AD pathology and suggest a central role of Aβ in the pathogenesis of the disease.

Plasticity of neuroanatomical relationships between cholinergic and dopaminergic axon varicosities and pyramidal cells in the rat medial prefrontal cortex

Les systèmes cholinergique et dopaminergique jouent un rôle prépondérant dans les fonctions cognitives. Ce rôle est exercé principalement grâce à leur action modulatrice de l’activité des neurones pyramidaux du cortex préfrontal. L’interaction pharmacologique entre ces systèmes est bien documentée mais les études de leurs interactions neuroanatomiques sont rares, étant donné qu’ils sont impliqués dans une transmission diffuse plutôt que synaptique. Ce travail de thèse visait à développer une expertise pour analyser ce type de transmission diffuse en microscopie confocale. Nous avons étudié les relations de microproximité entre ces différents systèmes dans le cortex préfrontal médian (mPFC) de rats et souris. En particulier, la densité des varicosités axonales en passant a été quantifiée dans les segments des fibres cholinergiques et dopaminergiques à une distance mutuelle de moins de 3 µm ou à moins de 3 µm des somas de cellules pyramidales. Cette microproximité était considérée comme une zone d’interaction probable entre les éléments neuronaux. La quantification était effectuée après triple-marquage par immunofluorescence et acquisition des images de 1 µm par microscopie confocale. Afin d’étudier la plasticité de ces relations de microproximité, cette analyse a été effectuée dans des conditions témoins, après une activation du mPFC et dans un modèle de schizophrénie par déplétion des neurones cholinergiques du noyau accumbens. Les résultats démontrent que 1. Les fibres cholinergiques interagissent avec des fibres dopaminergiques et ce sur les mêmes neurones pyramidaux de la couche V du mPFC. Ce résultat suggère différents apports des systèmes cholinergique et dopaminergique dans l’intégration effectuée par une même cellule pyramidale. 2. La densité des varicosités en passant cholinergiques et dopaminergiques sur des segments de fibre en microproximité réciproque est plus élevée comparé aux segments plus distants les uns des autres. Ce résultat suggère un enrichissement du nombre de varicosités axonales dans les zones d’interaction. 3. La densité des varicosités en passant sur des segments de fibre cholinergique en microproximité de cellules pyramidales, immunoúactives pour c-Fos après une stimulation visuelle et une stimulation électrique des noyaux cholinergiques projetant au mPFC est plus élevée que la densité des varicosités de segments en microproximité de cellules pyramidales non-activées. Ce résultat suggère un enrichissement des varicosités axonales dépendant de l’activité neuronale locale au niveau de la zone d'interaction avec d'autres éléments neuronaux. 4. La densité des varicosités en passant des fibres dopaminergiques a été significativement diminuée dans le mPFC de rats ayant subi une déplétion cholinergique dans le noyau accumbens, comparée aux témoins. Ces résultats supportent des interrelations entre la plasticité structurelle des varicosités dopaminergiques et le fonctionnement cortical. L’ensemble des donneès démontre une plasticité de la densité locale des varicosités axonales en fonction de l’activité neuronale locale. Cet enrichissement activité-dépendant contribue vraisemblablement au maintien d’une interaction neurochimique entre deux éléments neuronaux.

Visualization of the vesicular acetylcholine transporter in cholinergic nerve terminals and its targeting to a specific population of small synaptic vesicles.

Immunohistochemical visualization of the rat vesicular acetylcholine transporter (VAChT) in cholinergic neurons and nerve terminals has been compared to that for choline acetyltransferase (ChAT), heretofore the most specific marker for cholinergic neurons. VAChT-positive cell bodies were visualized in cerebral cortex, basal forebrain, medial habenula, striatum, brain stem, and spinal cord by using a polyclonal anti-VAChT antiserum. VAChT-immuno-reactive fibers and terminals were also visualized in these regions and in hippocampus, at neuromuscular junctions within skeletal muscle, and in sympathetic and parasympathetic autonomic ganglia and target tissues. Cholinergic nerve terminals contain more VAChT than ChAT immunoreactivity after routine fixation, consistent with a concentration of VAChT within terminal neuronal arborizations in which secretory vesicles are clustered. These include VAChT-positive terminals of the median eminence or the hypothalamus, not observed with ChAT antiserum after routine fixation. Subcellular localization of VAChT in specific organelles in neuronal cells was examined by immunoelectron microscopy in a rat neuronal cell line (PC 12-c4) expressing VAChT as well as the endocrine and neuronal forms of the vesicular monoamine transporters (VMAT1 and VMAT2). VAChT is targeted to small synaptic vesicles, while VMAT1 is found mainly but not exclusively on large dense-core vesicles. VMAT2 is found on large dense-core vesicles but not on the small synaptic vesicles that contain VAChT in PC12-c4 cells, despite the presence of VMAT2 immunoreactivity in central and peripheral nerve terminals known to contain monoamines in small synaptic vesicles. Thus, VAChT and VMAT2 may be specific markers for "cholinergic" and "adrenergic" small synaptic vesicles, with the latter not expressed in nonstimulated neuronally differentiated PC12-c4 cells.

The strength and failure of silica optical fibers

The mechanical strength and failure behavior of conventional and microstructured silica optical fibers was investigated using a tensile test and fracture mechanics and numerical analyses. The effect of polymer coating on failure behavior was also studied. The results indicate that all these fibers fail in a brittle manner and failure normally starts from fiber surfaces. The failure loads observed in coated fibers are higher than those in bare fibers. The introduction of air holes reduces fiber strength and their geometrical arrangements have a remarkable effect on stress distribution in the longitudinal direction. These results are potentially useful for the design, fabrication and evaluation of optical fibers for a wide range of applications.

Detecting and Analyzing Linear Structures in Biomedical Images : A Case Study Using Corneal Nerve Fibers

Diabetic peripheral neuropathy (DPN) is one of the most common long-term complications of diabetes. The accurate detection and quantification of DPN are important for defining at-risk patients, anticipating deterioration, and assessing new therapies. Current methods of detecting and quantifying DPN, such as neurophysiology, lack sensitivity, require expert assessment and focus primarily on large nerve fibers. However, the earliest damage to nerve fibers in diabetic neuropathy is to the small nerve fibers. At present, small nerve fiber damage is currently assessed using skin/nerve biopsy; both are invasive technique and are not suitable for repeated investigations.

Active fibers: Matching deformable tract templates to diffusion tensor images

Reliable quantitative analysis of white matter connectivity in the brain is an open problem in neuroimaging, with common solutions requiring tools for fiber tracking, tractography segmentation and estimation of intersubject correspondence. This paper proposes a novel, template matching approach to the problem. In the proposed method, a deformable fiber-bundle model is aligned directly with the subject tensor field, skipping the fiber tracking step. Furthermore, the use of a common template eliminates the need for tractography segmentation and defines intersubject shape correspondence. The method is validated using phantom DTI data and applications are presented, including automatic fiber-bundle reconstruction and tract-based morphometry. © 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Automatic clustering of white matter fibers in brain diffusion mri with an application to genetics

To understand factors that affect brain connectivity and integrity, it is beneficial to automatically cluster white matter (WM) fibers into anatomically recognizable tracts. Whole brain tractography, based on diffusion-weighted MRI, generates vast sets of fibers throughout the brain; clustering them into consistent and recognizable bundles can be difficult as there are wide individual variations in the trajectory and shape of WM pathways. Here we introduce a novel automated tract clustering algorithm based on label fusion - a concept from traditional intensity-based segmentation. Streamline tractography generates many incorrect fibers, so our top-down approach extracts tracts consistent with known anatomy, by mapping multiple hand-labeled atlases into a new dataset. We fuse clustering results from different atlases, using a mean distance fusion scheme. We reliably extracted the major tracts from 105-gradient high angular resolution diffusion images (HARDI) of 198 young normal twins. To compute population statistics, we use a pointwise correspondence method to match, compare, and average WM tracts across subjects. We illustrate our method in a genetic study of white matter tract heritability in twins.