Rôle de l'habenula dans le circuit neuronal de l'autostimulation intracérébrale

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Développement de l’activité rythmique chez l’embryon du poisson-zébré

Les circuits neuronaux peuvent générer une panoplie de rythmes. Nous pouvons séparer les mécanismes de création de ces rythmes en deux grands types. Le premier consiste de circuits contrôlés par des cellules « pacemakers », ayant une activité rythmique intrinsèque, comme dans le ganglion stomatogastique des crustacés. Le deuxième consiste de circuits multi-neuronaux connectés par un réseau synaptique qui permet une activité rythmique sans la présence de neurones pacemakers, tel que démontré pour les circuits de la nage chez plusieurs vertébrés. Malgré nos connaissances des mécanismes de rhythmogénèse chez les vertébrés adultes, les mécanismes de la création et la maturation de ces circuits locomoteurs chez les embryons restent encore inconnus. Nous avons étudié cette question à l’aide du poisson-zébré où les embryons débutent leur activité motrice par des contractions spontanées alternantes à 17 heures post-fertilisation (hpf). Des études ont démontré que cette activité spontanée n’est pas sensible aux antagonistes de la transmission synaptique chimique et ne requiert pas le rhombencéphale. Après 28 hpf, les embryons commencent à nager et se propulser en réponse au toucher. Des études antérieures on démontré que l’apparition de la nage nécessite le rhombencéphale et la transmission synaptique chimique. Cette thèse explore la possibilité que ces changements comportementaux représentent la progression d’un circuit contrôle par un pacemaker à un circuit ou le rythme provient d’un circuit distribué. En mesurant le groupement des contractions de l’activité spontanée, plutôt que la fréquence moyenne, nous avons découvert une nouvelle forme d’activité spontanée qui débute à 22 hpf. Cette activité consiste de deux contractions alternantes à succession très rapide. Contrairement à l’activité spontanée présente dès 17 hpf cette nouvelle forme d’activité requiert le rhombencéphale et la transmission synaptique chimique, comme démontré pour la nage qui apparait à 28 hpf. Cette forme de comportement intermédiaire représente potentiellement une étape transitoire lors de la maturation des circuits moteurs.

Adaptation de la phase de planification et d’initiation du mouvement d’atteinte visuellement guidé à différentes dissociations visuomotrices.

L’hypothèse générale de ce projet soutient que le système moteur doit performer des transformations sensorimotrices afin de convertir les entrées sensorielles, concernant la position de la cible à atteindre, en commande motrice, afin de produire un mouvement du bras et de la main vers la cible à atteindre. Ce type de conversion doit être fait autant au niveau de la planification du mouvement que pour une éventuelle correction d’erreur de planification ou d’un changement inopiné de la position de la cible. La question de recherche du présent mémoire porte sur le ou les mécanismes, circuits neuronaux, impliqués dans ce type de transformation. Y a-t-il un seul circuit neuronal qui produit l’ensemble des transformations visuomotrices entre les entrées sensorielles et les sorties motrices, avant l’initiation du mouvement et la correction en temps réel du mouvement, lorsqu’une erreur ou un changement inattendu survient suite à l’initiation, ou sont-ils minimalement partiellement indépendants sur le plan fonctionnel? L’hypothèse de travail suppose qu’il n’y ait qu’un seul circuit responsable des transformations sensorimotrices, alors l’analyse des résultats obtenus par les participants devrait démontrer des changements identiques dans la performance pendant la phase de planification du mouvement d’atteinte et la phase de correction en temps réel après l’adaptation à des dissociations sensorimotrices arbitraires. L’approche expérimentale : Dans la perspective d’examiner cette question et vérifier notre hypothèse, nous avons jumelé deux paradigmes expérimentaux. En effet, les mouvements d’atteinte étaient soumis à une dissociation visuomotrice ainsi qu’à de rares essais composés de saut de cible. L’utilisation de dissociation visuomotrice permettait d’évaluer le degré d’adaptation des mécanismes impliqués dans le mouvement atteint. Les sauts de cible avaient l’avantage de permettre d’examiner la capacité d’adaptation à une dissociation visuomotrice des mécanismes impliqués dans la correction du mouvement (miroir : sur l’axe y, ou complète : inversion sur les axes x et y). Les résultats obtenus lors des analyses effectuées dans ce mémoire portent exclusivement sur l’habileté des participants à s’adapter aux deux dissociations visuomotrices à la première phase de planification du mouvement. Les résultats suggèrent que les mécanismes de planification du mouvement possèdent une grande capacité d’adaptation aux deux différentes dissociations visuomotrices. Les conclusions liées aux analyses présentées dans ce mémoire suggèrent que les mécanismes impliqués dans la phase de planification et d’initiation du mouvement parviennent relativement bien à s’adapter aux dissociations visuomotrices, miroir et inverse. Bien que les résultats démontrent une certaine distinction, entre les deux groupes à l’étude, quant aux délais nécessaires à cette adaptation, ils illustrent aussi un taux d’adaptation finale relativement similaire. L’analyse des réponses aux sauts de cible pourra être comparée aux résultats présentés dans ce mémoire afin de répondre à l’hypothèse de travail proposée par l’objectif initial de l’étude.

Les habiletés spatio-cognitives des aveugles de naissance : résolution de labyrinthes tactiles

La navigation repose en majeure partie sur la vision puisque ce sens nous permet de rassembler des informations spatiales de façon simultanée et de mettre à jour notre position par rapport à notre environnement. Pour plusieurs aveugles qui se fient à l’audition, le toucher, la proprioception, l’odorat et l’écholocation pour naviguer, sortir à l’extérieur de chez soi peut représenter un défi considérable. Les recherches sur le circuit neuronal de la navigation chez cette population en particulier s’avèrent donc primordiales pour mieux adapter les ressources aux handicapés visuels et réussir à les sortir de leur isolement. Les aveugles de naissance constituent aussi une population d’intérêt pour l’étude de la neuroplasticité. Comme leur cerveau s’est construit en absence d’intrant visuel, la plupart des structures reliées au sens de la vue sont réduites en volume par rapport à ceux de sujets voyants. De plus, leur cortex occipital, une région normalement dédiée à la vision, possède une activité supramétabolique au repos, ce qui peut représenter un territoire vierge pouvant être recruté par les autres modalités pour exécuter diverses tâches sensorielles. Plusieurs chercheurs ont déjà démontré l’implication de cette région dans des tâches sensorielles comme la discrimination tactile et la localisation auditive. D’autres changements plastiques de nature intramodale ont aussi été observés dans le circuit neuronal de la navigation chez ces aveugles. Par exemple, la partie postérieure de l’hippocampe, impliquée dans l’utilisation de cartes mentales, est réduite en volume alors que la section antérieure est élargie chez ces sujets. Bien que ces changements plastiques anatomiques aient bel et bien été observés chez les aveugles de naissance, il reste toutefois à les relier avec leur aspect fonctionnel. Le but de la présente étude était d’investiguer les corrélats neuronaux de la navigation chez l’aveugle de naissance tout en les reliant avec leurs habiletés spatio-cognitives. La première étude comportementale a permis d’identifier chez les aveugles congénitaux une difficulté d’apprentissage de routes tactiles construites dans des labyrinthes de petite échelle. La seconde étude, employant la technique d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, a relié ces faiblesses au recrutement de régions cérébrales impliquées dans le traitement d’une perspective égocentrique, comme le lobule pariétal supérieur droit. Alors que des sujets voyants aux yeux bandés excellaient dans la tâche des labyrinthes, ces derniers recrutaient des structures impliquées dans un traitement allocentrique, comme l’hippocampe et le parahippocampe. Par ailleurs, la deuxième étude a confirmé le recrutement du cortex occipital dans une tâche de navigation chez les aveugles seulement. Ceci confirme l’implication de la plasticité intermodale dans des tâches cognitives de plus haut niveau, comme la navigation.

Quantification of the total neuronal structure of the fear conditioning circuit of the lateral amygdala of the rat

During Pavlovian auditory fear conditioning a previously neutral auditory stimulus (CS) gains emotional significance through pairing with a noxious unconditioned stimulus (US). These associations are believed to be formed by way of plasticity at auditory input synapses on principal neurons in the lateral nucleus of the amygdala (LA). In order to begin to understand how fear memories are stored and processed by synaptic changes in the LA, we have quantified both the entire neural number and the sub-cellular structure of LA principal neurons.We first used stereological cell counting methods on Gimsa or GABA immunostained rat brain. We identified 60,322+/-1408 neurons in the LA unilaterally (n=7). Of these 16,917+/-471 were GABA positive. The intercalated nuclei were excluded from the counts and thus GABA cells are believed to represent GABAergic interneurons. The sub-nuclei of the LA were also independently counted. We then quantified the morphometric properties of in vitro electrophysiologically identified principal neurons of the LA, corrected for shrinkage in xyz planes. The total dendritic length was 9.97+/-2.57mm, with 21+/-4 nodes (n=6). Dendritic spine density was 0.19+/-0.03 spines/um (n=6). Intra-LA axon collaterals had a bouton density of 0.1+/-0.02 boutons/um (n=5). These data begin to reveal the finite cellular and sub-cellular processing capacity of the lateral amygdala, and should facilitate efforts to understand mechanisms of plasticity in LA.

State-dependent modulation of neuronal circuits in C. elegans sleep

C. elegans is a compact system of 302 neurons with identifiable and mapped connections that makes it ideal for systems analysis. This work is a demonstration of what I have been able to learn about the nature of state-specific modulation and reversibility during a state called lethargus, a sleep-like state in the worm. I begin with description about the nervous system of the worm, the nature of sleep in the worm, the questions about behavior and its apparent circuit properties, the tools available and used to manipulate the nervous system, and what I have been able to learn from these studies. I end with clues that the physiology helps to teach us about the dynamics of state specific modulation, what makes sleep so different from other states, and how we can use these measurements to understand which modulators, neurotransmitters, and channels can be used to create different dynamics in a simple model system.

Behavioral and synaptic circuit analysis in models of neuropsychiatric disorders: Dissecting the in vivo role of the postsynaptic density proteins nArgBP2 and Shank3 using genetic engineered mice

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

Changes in cortical and sub-cortical patterns of activity associated with aging during the performance of a lexical set-shifting task

Bien que le passage du temps altère le cerveau, la cognition ne suit pas nécessairement le même destin. En effet, il existe des mécanismes compensatoires qui permettent de préserver la cognition (réserve cognitive) malgré le vieillissement. Les personnes âgées peuvent utiliser de nouveaux circuits neuronaux (compensation neuronale) ou des circuits existants moins susceptibles aux effets du vieillissement (réserve neuronale) pour maintenir un haut niveau de performance cognitive. Toutefois, la façon dont ces mécanismes affectent l’activité corticale et striatale lors de tâches impliquant des changements de règles (set-shifting) et durant le traitement sémantique et phonologique n’a pas été extensivement explorée. Le but de cette thèse est d’explorer comment le vieillissement affecte les patrons d’activité cérébrale dans les processus exécutifs d’une part et dans l’utilisation de règles lexicales d’autre part. Pour cela nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) lors de la performance d’une tâche lexicale analogue à celle du Wisconsin. Cette tâche a été fortement liée à de l’activité fronto-stritale lors des changements de règles, ainsi qu’à la mobilisation de régions associées au traitement sémantique et phonologique lors de décisions sémantiques et phonologiques, respectivement. Par conséquent, nous avons comparé l’activité cérébrale de jeunes individus (18 à 35 ans) à celle d’individus âgés (55 à 75 ans) lors de l’exécution de cette tâche. Les deux groupes ont montré l’implication de boucles fronto-striatales associées à la planification et à l’exécution de changements de règle. Toutefois, alors que les jeunes semblaient activer une « boucle cognitive » (cortex préfrontal ventrolatéral, noyau caudé et thalamus) lorsqu’ils se voyaient indiquer qu’un changement de règle était requis, et une « boucle motrice » (cortex postérieur préfrontal et putamen) lorsqu’ils devaient effectuer le changement, les participants âgés montraient une activation des deux boucles lors de l’exécution des changements de règle seulement. Les jeunes adultes tendaient à présenter une augmentation de l’activité du cortex préfrontal ventrolatéral, du gyrus fusiforme, du lobe ventral temporale et du noyau caudé lors des décisions sémantiques, ainsi que de l’activité au niveau de l’aire de Broca postérieur, de la junction temporopariétale et du cortex moteur lors de décisions phonologiques. Les participants âgés ont montré de l’activité au niveau du cortex préfrontal latéral et moteur durant les deux types de décisions lexicales. De plus, lorsque les décisions sémantiques et phonologiques ont été comparées entre elles, les jeunes ont montré des différences significatives au niveau de plusieurs régions cérébrales, mais pas les âgés. En conclusion, notre première étude a montré, lors du set-shifting, un délai de l’activité cérébrale chez les personnes âgées. Cela nous a permis de conceptualiser l’Hypothèse Temporelle de Compensation (troisième manuscrit) qui consiste en l’existence d’un mécanisme compensatoire caractérisé par un délai d’activité cérébrale lié au vieillissement permettant de préserver la cognition au détriment de la vitesse d’exécution. En ce qui concerne les processus langagiers (deuxième étude), les circuits sémantiques et phonologiques semblent se fusionner dans un seul circuit chez les individus âgés, cela représente vraisemblablement des mécanismes de réserve et de compensation neuronales qui permettent de préserver les habilités langagières.

A fast cholinergic modulation of the primary acoustic startle circuit in rats

Cochlear root neurons (CRNs) are the first brainstem neurons which initiate and participate in the full expression of the acoustic startle reflex. Although it has been suggested that a cholinergic pathway from the ventral nucleus of the trapezoid body (VNTB) conveys auditory prepulses to the CRNs, the neuronal origin of the VNTB-CRNs projection and the role it may play in the cochlear root nucleus remain uncertain. To determine the VNTB neuronal type which projects to CRNs, we performed tract-tracing experiments combined with mechanical lesions, and morphometric analyses. Our results indicate that a subpopulation of non-olivocochlear neurons projects directly and bilaterally to CRNs via the trapezoid body. We also performed a gene expression analysis of muscarinic and nicotinic receptors which indicates that CRNs contain a cholinergic receptor profile sufficient to mediate the modulation of CRN responses. Consequently, we investigated the effects of auditory prepulses on the neuronal activity of CRNs using extracellular recordings in vivo. Our results show that CRN responses are strongly inhibited by auditory prepulses. Unlike other neurons of the cochlear nucleus, the CRNs exhibited inhibition that depended on parameters of the auditory prepulse such as intensity and interstimulus interval, showing their strongest inhibition at short interstimulus intervals. In sum, our study supports the idea that CRNs are involved in the auditory prepulse inhibition of the acoustic startle reflex, and confirms the existence of multiple cholinergic pathways that modulate the primary acoustic startle circuit. © 2013 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Diverse levels of an inwardly rectifying potassium conductance generate heterogeneous neuronal behavior in a population of dorsal cochlear nucleus pyramidal neurons

Leao RM, Li S, Doiron B, Tzounopoulos T. Diverse levels of an inwardly rectifying potassium conductance generate heterogeneous neuronal behavior in a population of dorsal cochlear nucleus pyramidal neurons. J Neurophysiol 107: 3008-3019, 2012. First published February 29, 2012; doi:10.1152/jn.00660.2011.-Homeostatic mechanisms maintain homogeneous neuronal behavior among neurons that exhibit substantial variability in the expression levels of their ionic conductances. In contrast, the mechanisms, which generate heterogeneous neuronal behavior across a neuronal population, remain poorly understood. We addressed this problem in the dorsal cochlear nucleus, where principal neurons exist in two qualitatively distinct states: spontaneously active or not spontaneously active. Our studies reveal that distinct activity states are generated by the differential levels of a Ba2+-sensitive, inwardly rectifying potassium conductance (K-ir). Variability in K-ir maximal conductance causes variations in the resting membrane potential (RMP). Low K-ir conductance depolarizes RMP to voltages above the threshold for activating subthreshold-persistent sodium channels (Na-p). Once Na-p channels are activated, the RMP becomes unstable, and spontaneous firing is triggered. Our results provide a biophysical mechanism for generating neural heterogeneity, which may play a role in the encoding of sensory information.

Behavioral and EEG effects of GABAergic manipulation of the nigro-tectal pathway in the Wistar audiogenic rat (WAR) strain II: An EEG wavelet analysis and retrograde neuronal tracer approach

The role of the substantia nigra pars reticulata (SNPr) and superior colliculus (SC) network in rat strains susceptible to audiogenic seizures still remain underexplored in epileptology. In a previous study from our laboratory, the GABAergic drugs bicuculline (BIC) and muscimol (MUS) were microinjected into the deep layers of either the anterior SC (aSC) or the posterior SC (pSC) in animals of the Wistar audiogenic rat (WAR) strain submitted to acoustic stimulation, in which simultaneous electroencephalographic (EEG) recording of the aSC, pSC, SNPr and striatum was performed. Only MUS microinjected into the pSC blocked audiogenic seizures. In the present study, we expanded upon these previous results using the retrograde tracer Fluorogold (FG) microinjected into the aSC and pSC in conjunction with quantitative EEG analysis (wavelet transform), in the search for mechanisms associated with the susceptibility of this inbred strain to acoustic stimulation. Our hypothesis was that the WAR strain would have different connectivity between specific subareas of the superior colliculus and the SNPr when compared with resistant Wistar animals and that these connections would lead to altered behavior of this network during audiogenic seizures. Wavelet analysis showed that the only treatment with an anticonvulsant effect was MUS microinjected into the pSC region, and this treatment induced a sustained oscillation in the theta band only in the SNPr and in the pSC. These data suggest that in WAR animals, there are at least two subcortical loops and that the one involved in audiogenic seizure susceptibility appears to be the pSC-SNPr circuit. We also found that WARs presented an increase in the number of FG + projections from the posterior SNPr to both the aSC and pSC (primarily to the pSC), with both acting as proconvulsant nuclei when compared with Wistar rats. We concluded that these two different subcortical loops within the basal ganglia are probably a consequence of the WAR genetic background. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Optogenetic identification of a rapid eye movement sleep modulatory circuit in the hypothalamus.

Rapid-eye movement (REM) sleep correlates with neuronal activity in the brainstem, basal forebrain and lateral hypothalamus. Lateral hypothalamus melanin-concentrating hormone (MCH)-expressing neurons are active during sleep, but their effects on REM sleep remain unclear. Using optogenetic tools in newly generated Tg(Pmch-cre) mice, we found that acute activation of MCH neurons (ChETA, SSFO) at the onset of REM sleep extended the duration of REM, but not non-REM, sleep episodes. In contrast, their acute silencing (eNpHR3.0, archaerhodopsin) reduced the frequency and amplitude of hippocampal theta rhythm without affecting REM sleep duration. In vitro activation of MCH neuron terminals induced GABAA-mediated inhibitory postsynaptic currents in wake-promoting histaminergic neurons of the tuberomammillary nucleus (TMN), and in vivo activation of MCH neuron terminals in TMN or medial septum also prolonged REM sleep episodes. Collectively, these results suggest that activation of MCH neurons maintains REM sleep, possibly through inhibition of arousal circuits in the mammalian brain.

Behavioral responses to methylphenidate: correlations with neuronal activity in the caudate nucleus

Methylphenidate is currently a drug of abuse and readily prescribed to both adolescents and adults. Chronic methylphenidate (MPH) exposure results in an increase in DA in the motive circuit, including the caudate nucleus (CN), similar to other drugs of abuse. This study focuses on research aimed to elucidate if there are intrinsic underlying differences in the CN electrophysiological activity of animals exhibiting different chronic responses to the same dose of MPH. Behavioral and caudate nucleus (CN) neuronal activity following acute and chronic doses of MPH was assessed by simultaneously recording the behavioral and neuronal activity. The experimental protocol lasted for 10 days using four groups; saline, 0.6, 2.5 and 10.0mg/kg MPH. Initially, the study determined that animals exposed to the same dose of MPH exhibited either behavioral sensitization or behavioral tolerance. Therefore animals were classified into two groups (behaviorally sensitized/tolerant) and their neuronal activity was evaluated. Four hundred and fifty one units were evaluated. Overall, a mixture of increases and decreases in CN neuronal populations was observed at initial MPH exposure, and at ED10 baseline and ED10 rechallenge. When separated based on their behavioral response (sensitized/tolerant), significant differences in neuronal response patterns was revealed. Animals exhibiting sensitization were more likely to increase their neuronal activity at ED1 and ED10 baseline, expressing the opposite response at ED10 rechallenge. Furthermore, when neuronal populations recorded from those animals exhibiting behavioral sensitization were statistically compared to those from animals exhibiting behavioral tolerance significant differences were observed. Collectively, these findings tell us that animals exposed to the same dose of MPH can respond oppositely and moreover that there is in fact some intrinsic difference in the two population’s neuronal activity. This study offers new insight into the electrophysiological differences between sensitized and tolerant animals.

Changes in the Papez Circuit in early stages of Alzheimer's Disease

Alzheimer's disease (AD) is the most common cause of demenMa. Neuronal and synapMc losses occur iniMally and predominantly in the medial temporal lobe structures including hippocampus, amygdala and thalamus, structures that belong to the Papez circuit. The integrity of the connecMons amongst them is essenMal for episodic memory, which is specifically impaired in AD. For this reason we have invesMgated the degeneraMon paRern of subcorMcal structures and its relaMon to early stages of AD, i.e. Mild CogniMve Impairment (MCI), both in the amnesic and mulMdomain types using structural magneMc resonance imaging (using a 3T GE scanner) and VBM‐DARTEL.

Suppression of trkB expression by antisense oligonucleotides alters a neuronal phenotype in the rod pathway of the developing rat retina.

trkB is the high-affinity receptor for brain-derived neurotrophic factor (BDNF), a trophic molecule with demonstrated effects on the survival and differentiation of a wide variety of neuronal populations. In the mammalian retina, trkB is localized to both ganglion cells and numerous cells in the inner nuclear layer. Much information on the role of BDNF in neuronal development has been derived from the study of trkB- and BDNF-deficient mutant mice. This includes an attenuation of the numbers of cortical neurons immunopositive for the calcium-binding proteins, parvalbumin, and calbindin. Unfortunately, these mutant animals typically fail to survive for > 24-48 hr after birth. Since most retinal neuronal differentiation occurs postnatally, we have devised an alternative scheme to suppress the expression of trkB in the retina to examine the role of BDNF on the postnatal development of neurons of the inner retina. Neonatal rats were treated with intraocular injection of an antisense oligonucleotide (1-2 microliters of 10-100 microM solution) targeted to the trkB mRNA. Immunohistochemistry with a polyclonal antibody to trkB showed that the expression of trkB in retinal neurons was suppressed 48-72 hr following a single injection. Northern blot analysis demonstrated that antisense treatment had no effect on the level of trkB mRNA, even after multiple injections. This suggests an effect of trkB antisense treatment on protein translation, but not on RNA transcription. No alterations were observed in the thickness of retinal cellular or plexiform layers, suggesting that BDNF is not the sole survival factor for these neurons. There were, however, alterations in the patterns of immunostaining for parvalbumin, a marker for the narrow-field, bistratified AII amacrine cell-a central element of the rod (scotopic) pathway. This was evidenced by a decrease in both the number of immunostained somata (> 50%) and in the intensity of immunolabeling. However, the immunostaining pattern of calbindin was not affected. These studies suggest that the ligands for trkB have specific effects on the neurochemical phenotypic expression of inner retinal neurons and in the development of a well-defined retinal circuit.