INHIBITION OF THE CAUDAL PRESSOR AREA REDUCES CARDIORESPIRATORY CHEMOREFLEX RESPONSES

The caudal pressor area (CPA) is a brainstem area located close to the spinal cord. The activation of the CPA increases sympathetic activity and mean arterial pressure (MAP) by mechanisms dependent on the commissural nucleus of the solitary tract (commNTS) and rostroventrolateral medulla, however, the signals that activate the CPA to produce these responses are still unknown. Therefore, in the present study, we investigated the activity of glutamatergic and GABAergic mechanisms from the CPA and commNTS in rats exposed to hypoxia and the effects of the inhibition of CPA neurons on cardiorespiratory responses to peripheral chemoreceptor activation with i.v. sodium cyanide (NaCN). Male Sprague-Dawley rats (250-280 g, n=5-8/group) were used. In conscious rats, most of the commNTS neurons (66 +/- 11%) and part of the CPA neurons (36 +/- 7%) activated by hypoxia (8% O2) were glutamatergic (contained VGLUT2mRNA). Small part of the neurons activated during hypoxia was GABAergic (contained GAD-67mRNA) in the commNTS (9 +/- 4%) or the CPA (6 +/- 2%). In urethane anesthetized rats, the inhibition of CPA neurons with bilateral injections of muscimol (GABA-A agonist, 2 mM) reduced baseline MAP, splanchnic sympathetic nerve discharge (SND) and phrenic nerve discharge (PND). Muscimol into the CPA also reduced by around 50% the pressor and sympathoexcitatory responses and the increase in PND to peripheral chemoreceptor activation with NaCN (50 mu g/kg i.v.), without changing sympathetic baroreflex responses. These data suggest that CPA mechanisms facilitate cardiorespiratory responses to peripheral chemoreflex activation. Immunohistochemistry results also suggest that at least part of the CPA mechanisms activated by hypoxia is glutamatergic. (C) 2011 IBRO. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Commissural nucleus of the solitary tract is important for cardiovascular responses to caudal pressor area activation

The nucleus of the solitary tract (NTS) is the site of the first synapse of cardiovascular afferent fibers in the central nervous system. Important mechanisms for cardiovascular regulation are also present in the caudal pressor area (CPA) localized at the caudal end of the ventrolateral medulla. In the present study we sought to investigate the role of the commissural subnucleus of the NTS (commNTS) on pressor and tachycardic responses induced by L-glutamate injected into the CPA. Male Holtzman rats (n=8 rats/group) anesthetized with urethane (1.2 g/kg of body weight, iv) received injections of the GABAA receptor agonist muscimol into the commNTS. Unilateral injection of L-glutamate (10 nmol/ 100 nL) into the CPA increased mean arterial pressure (MAP, 31 4 mm Hg, vs. saline: 3 +/- 2 mm Hg) and heart rate (HR, 44 8 bpm, vs. saline: 10 7 bpm). inhibition of commNTS neurons with muscimol (120 pmol/60 nL) abolished the increase in MAP (9 4 mm Hg) and HR (17 7 bpm) produced by L-glutamate into the CPA. The present results suggest that the pressor and tachycardic responses to CPA activation are dependent on commNTS mechanisms.

Inhibition of the caudal pressor area reduces cardiorespiratory chemoreflex responses

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Central cholinergic blockade reduces the pressor response to L-glutamate into the rostral ventrolateral medullary pressor area

Injections of the excitatory amino acid L-glutamate (L-glu) into the rostral ventrolateral medulla (RVLM) directly activate the sympathetic nervous system and increase mean arterial pressure (MAP). A previous study showed that lesions of the anteroventral third ventricle region in the forebrain reduced the pressor response to L-glu into the RVLM. In the present study we investigated the effects produced by injections of atropine (cholinergic antagonist) into the lateral ventricle (LV) on the pressor responses produced by L-ghl into the RVLM. Male Holtzman rats (280-320 g, n=5 to 12/group) with stainless steel cannulas implanted into the RVLM, LV or 4th ventricle (4th V) were used. MAP and heart rate (HR) were recorded in unanesthetized rats. After saline into the LV, injections of L-glu (5 nmol/100 nl) into the RVLM increased MAP (51 +/- 4 mm Hg) without changes in HR. Atropine (4 nmol/1 PI) injected into the LV reduced the pressor responses to L-glu into the RVLM (36 +/- 5 mm Hg), However, atropine at the same dose into the 4th V or directly into the RVLM did not modify the pressor responses to L-glu into the RVLM (45 +/- 2 and 49 +/- 4 mm Hg, respectively, vs. control: 50 +/- 4mmHg). Central cholinergic blockade did not affect baro and chemoreflex nor the basal MAP and HR. The results suggest that cholinergic mechanisms probably from forebrain facilitate or modulate the pressor responses to L-glu into the RVLM. The mechanism is activated by acetylcholine in the forebrain, however, the neurotransmitter released in the RVLM to facilitate the effects of glutamate is not acetylcholine. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

A computational model of the anterior intraparietal area

The monkey anterior intraparietal area (AIP) encodes visual information about three-dimensional object shape that is used to shape the hand for grasping. In robotics a similar role has been played by modules that fit point cloud data to the superquadric family of shapes and its various extensions. We developed a model of shape tuning in AIP based on cosine tuning to superquadric parameters. However, the model did not fit the data well, and we also found that it was difficult to accurately reproduce these parameters using neural networks with the appropriate inputs (modelled on the caudal intraparietal area, CIP). The latter difficulty was related to the fact that there are large discontinuities in the superquadric parameters between very similar shapes. To address these limitations we adopted an alternative shape parameterization based on an Isomap nonlinear dimension reduction. The Isomap was built using gradients and curvatures of object surface depth. This alternative parameterization was low-dimensional (like superquadrics), but data-driven (similar to an alternative clustering approach that is also sometimes used in robotics) and lacked large discontinuities. Isomaps with 16 or more dimensions reproduced the AIP data fairly well. Moreover, we found that the Isomap parameters could be approximated from CIP-like input much more accurately than the superquadric parameters. We conclude that Isomaps, or perhaps alternative dimension reductions of CIP signals, provide a promising model of AIP tuning. We have now started to integrate our model with a robot hand, to explore the efficacy of Isomap shape reductions in grasp planning. Future work will consider dynamics of spike responses and integration with related visual and motor area models.

Rôle du cortex pariétal postérieur dans le processus d'intégration visuomotrice - connexions anatomiques avec le cortex moteur et activité cellulaire lors de la locomotion chez le chat

La progression d’un individu au travers d’un environnement diversifié dépend des informations visuelles qui lui permettent d’évaluer la taille, la forme ou même la distance et le temps de contact avec les obstacles dans son chemin. Il peut ainsi planifier en avance les modifications nécessaires de son patron locomoteur afin d’éviter ou enjamber ces entraves. Ce concept est aussi applicable lorsque le sujet doit atteindre une cible, comme un prédateur tentant d’attraper sa proie en pleine course. Les structures neurales impliquées dans la genèse des modifications volontaires de mouvements locomoteurs ont été largement étudiées, mais relativement peu d’information est présentement disponible sur les processus intégrant l’information visuelle afin de planifier ces mouvements. De nombreux travaux chez le primate suggèrent que le cortex pariétal postérieur (CPP) semble jouer un rôle important dans la préparation et l’exécution de mouvements d’atteinte visuellement guidés. Dans cette thèse, nous avons investigué la proposition que le CPP participe similairement dans la planification et le contrôle de la locomotion sous guidage visuel chez le chat. Dans notre première étude, nous avons examiné l’étendue des connexions cortico-corticales entre le CPP et les aires motrices plus frontales, particulièrement le cortex moteur, à l’aide d’injections de traceurs fluorescents rétrogrades. Nous avons cartographié la surface du cortex moteur de chats anesthésiés afin d’identifier les représentations somatotopiques distales et proximales du membre antérieur dans la partie rostrale du cortex moteur, la représentation du membre antérieur située dans la partie caudale de l’aire motrice, et enfin la représentation du membre postérieur. L’injection de différents traceurs rétrogrades dans deux régions motrices sélectionnées par chat nous a permis de visualiser la densité des projections divergentes et convergentes pariétales, dirigées vers ces sites moteurs. Notre analyse a révélé une organisation topographique distincte de connexions du CPP avec toutes les régions motrices identifiées. En particulier, nous avons noté que la représentation caudale du membre antérieur reçoit majoritairement des projections du côté rostral du sillon pariétal, tandis que la partie caudale du CPP projette fortement vers la représentation rostrale du membre antérieur. Cette dernière observation est particulièrement intéressante, parce que le côté caudal du sillon pariétal reçoit de nombreux inputs visuels et sa cible principale, la région motrice rostrale, est bien connue pour être impliquée dans les fonctions motrices volontaires. Ainsi, cette étude anatomique suggère que le CPP, au travers de connexions étendues avec les différentes régions somatotopiques du cortex moteur, pourrait participer à l’élaboration d’un substrat neural idéal pour des processus tels que la coordination inter-membre, intra-membre et aussi la modulation de mouvements volontaires sous guidage visuel. Notre deuxième étude a testé l’hypothèse que le CPP participe dans la modulation et la planification de la locomotion visuellement guidée chez le chat. En nous référant à la cartographie corticale obtenue dans nos travaux anatomiques, nous avons enregistré l’activité de neurones pariétaux, situés dans les portions des aires 5a et 5b qui ont de fortes connexions avec les régions motrices impliquées dans les mouvements de la patte antérieure. Ces enregistrements ont été effectués pendant une tâche de locomotion qui requiert l’enjambement d’obstacles de différentes tailles. En dissociant la vitesse des obstacles de celle du tapis sur lequel le chat marche, notre protocole expérimental nous a aussi permit de mettre plus d’emphase sur l’importance de l’information visuelle et de la séparer de l’influx proprioceptif généré pendant la locomotion. Nos enregistrements ont révélé deux groupes de cellules pariétales activées en relation avec l’enjambement de l’obstacle: une population, principalement située dans l’aire 5a, qui décharge seulement pendant le passage du membre au dessus del’entrave (cellules spécifiques au mouvement) et une autre, surtout localisée dans l’aire 5b, qui est activée au moins un cycle de marche avant l’enjambement (cellules anticipatrices). De plus, nous avons observé que l’activité de ces groupes neuronaux, particulièrement les cellules anticipatrices, était amplifiée lorsque la vitesse des obstacles était dissociée de celle du tapis roulant, démontrant l’importance grandissante de la vision lorsque la tâche devient plus difficile. Enfin, un grand nombre des cellules activées spécifiquement pendant l’enjambement démontraient une corrélation soutenue de leur activité avec le membre controlatéral, même s’il ne menait pas dans le mouvement (cellules unilatérales). Inversement, nous avons noté que la majorité des cellules anticipatrices avaient plutôt tendance à maintenir leur décharge en phase avec l’activité musculaire du premier membre à enjamber l’obstacle, indépendamment de sa position par rapport au site d’enregistrement (cellules bilatérales). Nous suggérons que cette disparité additionnelle démontre une fonction diversifiée de l’activité du CPP. Par exemple, les cellules unilatérales pourraient moduler le mouvement du membre controlatéral au-dessus de l’obstacle, qu’il mène ou suive dans l’ordre d’enjambement, tandis que les neurones bilatéraux sembleraient plutôt spécifier le type de mouvement volontaire requis pour éviter l’entrave. Ensembles, nos observations indiquent que le CPP a le potentiel de moduler l’activité des centres moteurs au travers de réseaux corticaux étendus et contribue à différents aspects de la locomotion sous guidage visuel, notamment l’initiation et l’ajustement de mouvements volontaires des membres antérieurs, mais aussi la planification de ces actions afin d’adapter la progression de l’individu au travers d’un environnement complexe.

The effect of lesion size on cortical reorganization in the ipsi and contralesional hemispheres.

Bien que la plasticité ipsilesionnelle suite à un accident vasculo-cérébral (AVC) soit bien établie, la réorganisation du cortex contralésionnel et son effet sur la récupération fonctionnelle restent toujours non élucidés. Les études publiées présentent des points de vue contradictoires sur le rôle du cortex contralésionnel dans la récupération fonctionnelle. La taille de lésion pourrait être le facteur déterminant la réorganisation de ce dernier. Le but principal de cette étude fut donc d’évaluer l’effet des AVC de tailles différentes dans la région caudal forelimb area (CFA) du rat sur la réorganisation physiologique et la récupération comportementale de la main. Suite à une période de récupération spontanée pendant laquelle la performance motrice des deux membres antérieurs fut observée, les cartes motrices bilatérales du CFA et du rostral forelimb area (RFA) furent obtenues. Nous avons trouvé que le volume de lésion était en corrélation avec le niveau de récupération comportementale et l’étendue de la réorganisation des RFA bilatéraux. Aussi, les rats ayant de grandes lésions avaient des plus grandes représentations de la main dans le RFA de l’hémisphère ipsilésionnel et un déficit de fonctionnement plus persistant de la main parétique. Dans l’hémisphère contralésionnel nous avons trouvé que les rats avec des plus grandes représentations de la main dans le RFA avaient des lésions plus grandes et une récupération incomplète de la main parétique. Nos résultats confirment l’effet du volume de lésion sur la réorganisation du cortex contralésionnel et soulignent que le RFA est l’aire motrice la plus influencée dans le cortex contralésionnel.

Modeling the shape hierarchy for visually guided grasping

The monkey anterior intraparietal area (AIP) encodes visual information about three-dimensional object shape that is used to shape the hand for grasping. We modeled shape tuning in visual AIP neurons and its relationship with curvature and gradient information from the caudal intraparietal area (CIP). The main goal was to gain insight into the kinds of shape parameterizations that can account for AIP tuning and that are consistent with both the inputs to AIP and the role of AIP in grasping. We first experimented with superquadric shape parameters. We considered superquadrics because they occupy a role in robotics that is similar to AIP , in that superquadric fits are derived from visual input and used for grasp planning. We also experimented with an alternative shape parameterization that was based on an Isomap dimension reduction of spatial derivatives of depth (i.e., distance from the observer to the object surface). We considered an Isomap-based model because its parameters lacked discontinuities between similar shapes. When we matched the dimension of the Isomap to the number of superquadric parameters, the superquadric model fit the AIP data somewhat more closely. However, higher-dimensional Isomaps provided excellent fits. Also, we found that the Isomap parameters could be approximated much more accurately than superquadric parameters by feedforward neural networks with CIP-like inputs. We conclude that Isomaps, or perhaps alternative dimension reductions of visual inputs to AIP, provide a promising model of AIP electrophysiology data. Further work is needed to test whether such shape parameterizations actually provide an effective basis for grasp control.

Central mechanisms involved in pilocarpine-induced pressor response

Pilocarpine (cholinergic muscarinic agonist) injected peripherally may act centrally to produce pressor responses; in the present study, using c-fos immunoreactive expression, we investigated the forebrain and brainstem areas activated by pressor doses of intravenous (i.v.) pilocarpine. In addition, the importance of vasopressin secretion and/or sympathetic activation and the effects of lesions in the anteroventral third ventricle (AV3V) region in awake rats were also investigated. In male Holtzman rats, pilocarpine (0.04 to 4 mu mol/kg b.w.) i.v. induced transitory hypotension followed by long lasting hypertension. Sympathetic blockade with prazosin (1 mg/kg b.w.) i.v. or AV3V lesions (1 day) almost abolished the pressor response to i. v. pilocarpine (2 mu mol/kg b.w.), whereas the vasopressin antagonist (10 mu g/kg b.w.) i.v. reduced the response to pilocarpine. Pilocarpine (2 and 4 mu mol/kg b.w.) i.v. increased the number of c-fos immunoreactive cells in the subfornical organ, paraventricular and supraoptic nuclei of the hypothalamus, organ vasculosum of the lamina terminalis, median preoptic nucleus, nucleus of the solitary tract and caudal and rostral ventrolateral medulla. These data suggest that i.v. pilocarpine activates specific forebrain and brainstem mechanisms increasing sympathetic activity and vasopressin secretion to induce pressor response. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Involvement of the intermediate nucleus of the lateral septal area on angiotensin II-induced dipsogenic and pressor responses

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Hypothalamic disconnection caudal to paraventricular nucleus affects cardiovascular and drinking responses to central angiotensin II and carbachol

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

ROLE OF CHOLINERGIC AND ADRENERGIC PATHWAYS OF THE MEDIAL SEPTAL AREA IN THE WATER-INTAKE AND PRESSOR-RESPONSE TO CENTRAL ANGIOTENSIN-II AND CARBACHOL IN RATS

In the present study, we investigated the effect of previous injection of either prazosin (alpha 1-adrenergic antagonist) or atropine (muscarinic cholinergic antagonist) into the medial septal area (MSA) on the presser and dipsogenic responses induced by intracerebroventricular (ICV) injection of carbachol (cholinergic agonist) and angiotensin II (ANGII) in rats. The presser and dipsogenic responses to ICV carbachol (7 nmol) were reduced after previous treatment of the MSA with atropine (0.5 to 5 nmol), but not prazosin (20 and 40 nmol). The dipsogenic response to ICV ANGII (25 ng) was reduced after prazosin (40 nmol) into the MSA. The presser response to ICV ANGII was not changed either by previous treatment of the MSA with prazosin or atropine. The present results suggest a dissociation among the pathways subserving the control of dipsogenic and presser responses to central cholinergic or angiotensinergic activation.

LESIONS OF THE LATERAL HYPOTHALAMUS IMPAIR THE PRESSOR-RESPONSE TO CLONIDINE INJECTED INTO THE MEDIAL SEPTAL AREA OF CONSCIOUS RATS

The central injection of clonidine (an alpha-2-adrenoceptor agonist) in conscious normotensive rats produces hypertensive responses and bradycardia. The present study was performed to investigate the effect of electrolytic lesions of the lateral hypothalamus (LH) on the pressor and bradycardic responses induced by clonidine injected into the medial septal area (MSA) in conscious and unrestrained rats. Male Holtzman rats weighing 250-300 g were used. Mean arterial pressure and heart rate were recorded in sham- or bilateral LH-lesioned rats with a cerebral stainless steel cannula implanted into the MSA. The injection of clonidine (40 nmol/mu-l) into the MSA of sham rats (N = 8) produced a pressor response (36 +/- 7 mmHg, P<0.05) and bradycardia (-70 +/- 13 bpm, P<0.05) compared to saline. Fourteen days after LH-lesion (N = 9) the pressor response was reduced (9 +/- 10 mmHg, P<0.05) but no change was observed in the bradycardia (-107 +/- 24 bpm). These results show that LH is an important area involved in the pressor response to clonidine injected into the MSA of rats.

AV3V LESION SUPPRESSES THE PRESSOR, DIPSOGENIC AND NATRIURETIC RESPONSES TO CHOLINERGIC ACTIVATION OF THE SEPTAL AREA IN RATS

In the present study we investigated the effect of anteroventral third ventricle (AV3V) lesion on pressor, dipsogenic, natriuretic and kaliuretic responses induced by the injection of carbachol (a cholinergic agonist) into the medial septal area (MSA) of rats. Male rats with sham or AV3V lesion and a stainless-steel cannula implanted into the MSA were used. Carbachol (2 nmol) injected into the MSA in sham lesion rats produced pressor (43 +/- 2 mmHg), dipsogenic (9.6 +/- 1.2 ml/h), natriuretic (531 +/- 82-mu-Eq/120 min) and kaliuretic (164 +/- 14-mu-Eq/120 min) responses. In AV3V-lesioned rats (1-5 days and 14-18 days), the pressor (11 +/- 2 mmHg, respectively), dipsogenic (1.9 +/- 0.7 and 1.4 +/- 0.6 ml/h), natriuretic (21 +/- 5 and 159 +/- 44-mu-Eq/120 min) and kaliuretic (124 +/- 14 and 86 +/- 13-mu-Eq/120 min) responses induced by carbachol injection into the MSA were reduced. These results show that the AV3V region is essential for the pressor, dipsogenic, natriuretic and kaliuretic responses induced by cholinergic activation of the MSA in rats.