Nature of crossmodal plasticity in the blind brain and interplay with sight restoration

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université catholique de Louvain.

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.

Le sens du goût chez l'aveugle congénital

Thèse réalisée en collaboration avec le Département de neurosciences et pharmacologie de l'Université de Copenhague, Danemark.

Impact de la cécité sur le système nociceptif

La vision joue un rôle très important dans la prévention du danger. La douleur a aussi pour fonction de prévenir les lésions corporelles. Nous avons donc testé l’hypothèse qu’une hypersensibilité à la douleur découlerait de la cécité en guise de compensation sensorielle. En effet, une littérature exhaustive indique qu’une plasticité intermodale s’opère chez les non-voyants, ce qui module à la hausse la sensibilité de leurs sens résiduels. De plus, plusieurs études montrent que la douleur peut être modulée par la vision et par une privation visuelle temporaire. Dans une première étude, nous avons mesuré les seuils de détection thermique et les seuils de douleur chez des aveugles de naissance et des voyants à l’aide d’une thermode qui permet de chauffer ou de refroidir la peau. Les participants ont aussi eu à quantifier la douleur perçue en réponse à des stimuli laser CO2 et à répondre à des questionnaires mesurant leur attitude face à des situations douloureuses de la vie quotidienne. Les résultats obtenus montrent que les aveugles congénitaux ont des seuils de douleur plus bas et des rapports de douleur plus élevés que leurs congénères voyants. De plus, les résultats psychométriques indiquent que les non-voyants sont plus attentifs à la douleur. Dans une deuxième étude, nous avons mesuré l’impact de l'expérience visuelle sur la perception de la douleur en répliquant la première étude dans un échantillon d’aveugles tardifs. Les résultats montrent que ces derniers sont en tous points similaires aux voyants quant à leur sensibilité à la douleur. Dans une troisième étude, nous avons testé les capacités de discrimination de température des aveugles congénitaux, car la détection de changements rapides de température est cruciale pour éviter les brûlures. Il s’est avéré que les aveugles de naissance ont une discrimination de température plus fine et qu’ils sont plus sensibles à la sommation spatiale de la chaleur. Dans une quatrième étude, nous avons examiné la contribution des fibres A∂ et C au traitement nociceptif des non-voyants, car ces récepteurs signalent la première et la deuxième douleur, respectivement. Nous avons observé que les aveugles congénitaux détectent plus facilement et répondent plus rapidement aux sensations générées par l’activation des fibres C. Dans une cinquième et dernière étude, nous avons sondé les changements potentiels qu’entrainerait la perte de vision dans la modulation descendante des intrants nociceptifs en mesurant les effets de l’appréhension d’un stimulus nocif sur la perception de la douleur. Les résultats montrent que, contrairement aux voyants, les aveugles congénitaux voient leur douleur exacerbée par l’incertitude face au danger, suggérant ainsi que la modulation centrale de la douleur est facilitée chez ces derniers. En gros, ces travaux indiquent que l’absence d’expérience visuelle, plutôt que la cécité, entraine une hausse de la sensibilité nociceptive, ce qui apporte une autre dimension au modèle d’intégration multi-sensorielle de la vision et de la douleur.

Impact de la cécité sur le système nociceptif

La vision joue un rôle très important dans la prévention du danger. La douleur a aussi pour fonction de prévenir les lésions corporelles. Nous avons donc testé l’hypothèse qu’une hypersensibilité à la douleur découlerait de la cécité en guise de compensation sensorielle. En effet, une littérature exhaustive indique qu’une plasticité intermodale s’opère chez les non-voyants, ce qui module à la hausse la sensibilité de leurs sens résiduels. De plus, plusieurs études montrent que la douleur peut être modulée par la vision et par une privation visuelle temporaire. Dans une première étude, nous avons mesuré les seuils de détection thermique et les seuils de douleur chez des aveugles de naissance et des voyants à l’aide d’une thermode qui permet de chauffer ou de refroidir la peau. Les participants ont aussi eu à quantifier la douleur perçue en réponse à des stimuli laser CO2 et à répondre à des questionnaires mesurant leur attitude face à des situations douloureuses de la vie quotidienne. Les résultats obtenus montrent que les aveugles congénitaux ont des seuils de douleur plus bas et des rapports de douleur plus élevés que leurs congénères voyants. De plus, les résultats psychométriques indiquent que les non-voyants sont plus attentifs à la douleur. Dans une deuxième étude, nous avons mesuré l’impact de l'expérience visuelle sur la perception de la douleur en répliquant la première étude dans un échantillon d’aveugles tardifs. Les résultats montrent que ces derniers sont en tous points similaires aux voyants quant à leur sensibilité à la douleur. Dans une troisième étude, nous avons testé les capacités de discrimination de température des aveugles congénitaux, car la détection de changements rapides de température est cruciale pour éviter les brûlures. Il s’est avéré que les aveugles de naissance ont une discrimination de température plus fine et qu’ils sont plus sensibles à la sommation spatiale de la chaleur. Dans une quatrième étude, nous avons examiné la contribution des fibres A∂ et C au traitement nociceptif des non-voyants, car ces récepteurs signalent la première et la deuxième douleur, respectivement. Nous avons observé que les aveugles congénitaux détectent plus facilement et répondent plus rapidement aux sensations générées par l’activation des fibres C. Dans une cinquième et dernière étude, nous avons sondé les changements potentiels qu’entrainerait la perte de vision dans la modulation descendante des intrants nociceptifs en mesurant les effets de l’appréhension d’un stimulus nocif sur la perception de la douleur. Les résultats montrent que, contrairement aux voyants, les aveugles congénitaux voient leur douleur exacerbée par l’incertitude face au danger, suggérant ainsi que la modulation centrale de la douleur est facilitée chez ces derniers. En gros, ces travaux indiquent que l’absence d’expérience visuelle, plutôt que la cécité, entraine une hausse de la sensibilité nociceptive, ce qui apporte une autre dimension au modèle d’intégration multi-sensorielle de la vision et de la douleur.

Converse Bergmann cline in a eucalyptus herbivore, paropsis atomaria olivier (coleoptera: chrysomelidae) : phenotypic plasticity or local adaptation?

Aim To measure latitude-related body size variation in field-collected Paropsis atomaria Olivier (Coleoptera: Chrysomelidae) individuals and to conduct common-garden experiments to determine whether such variation is due to phenotypic plasticity or local adaptation. Location Four collection sites from the east coast of Australia were selected for our present field collections: Canberra (latitude 35°19' S), Bangalow (latitude 28°43' S), Beerburrum (latitude 26°58' S) and Lowmead (latitude 24°29' S). Museum specimens collected over the past 100 years and covering the same geographical area as the present field collections came from one state, one national and one private collection. Methods Body size (pronotum width) was measured for 118 field-collected beetles and 302 specimens from collections. We then reared larvae from the latitudinal extremes (Canberra and Lowmead) to determine whether the size cline was the result of phenotypic plasticity or evolved differences (= local adaptation) between sites. Results Beetles decreased in size with increasing latitude, representing a converse Bergmann cline. A decrease in developmental temperature produced larger adults for both Lowmead (low latitude) and Canberra (high latitude) individuals, and those from Lowmead were larger than those from Canberra when reared under identical conditions. Main conclusions The converse Bergmann cline in P. atomaria is likely to be the result of local adaptation to season length.

Distributed plasticity analysis of steel frame structures comprising non-compact sections

Application of 'advanced analysis' methods suitable for non-linear analysis and design of steel frame structures permits direct and accurate determination of ultimate system strengths, without resort to simplified elastic methods of analysis and semi-empirical specification equations. However, the application of advanced analysis methods has previously been restricted to steel frames comprising only compact sections that are not influenced by the effects of local buckling. A research project has been conducted with the aim of developing concentrated plasticity methods suitable for practical advanced analysis of steel frame structures comprising non-compact sections. A primary objective was to produce a comprehensive range of new distributed plasticity analytical benchmark solutions for verification of the concentrated plasticity methods. A distributed plasticity model was developed using shell finite elements to explicitly account for the effects of gradual yielding and spread of plasticity, initial geometric imperfections, residual stresses and local buckling deformations. The model was verified by comparison with large-scale steel frame test results and a variety of existing analytical benchmark solutions. This paper presents a description of the distributed plasticity model and details of the verification study.

Myosin light chain kinase regulates synaptic plasticity and fear learning in the lateral amygdala

Learning and memory depend on signaling mole- cules that affect synaptic efficacy. The cytoskeleton has been implicated in regulating synaptic transmission but its role in learning and memory is poorly understood. Fear learning depends on plasticity in the lateral nucleus of the amygdala. We therefore examined whether the cytoskeletal-regulatory protein, myosin light chain kinase, might contribute to fear learning in the rat lateral amygdala. Microinjection of ML-7, a specific inhibitor of myosin light chain kinase, into the lateral nucleus of the amygdala before fear conditioning, but not immediately afterward, enhanced both short-term memory and long-term memory, suggesting that myosin light chain kinase is involved specifically in memory acquisition rather than in posttraining consolidation of memory. Myosin light chain kinase inhibitor had no effect on memory retrieval. Furthermore, ML-7 had no effect on behavior when the train- ing stimuli were presented in a non-associative manner. An- atomical studies showed that myosin light chain kinase is present in cells throughout lateral nucleus of the amygdala and is localized to dendritic shafts and spines that are postsynaptic to the projections from the auditory thalamus to lateral nucleus of the amygdala, a pathway specifically impli- cated in fear learning. Inhibition of myosin light chain kinase enhanced long-term potentiation, a physiological model of learning, in the auditory thalamic pathway to the lateral nu- cleus of the amygdala. When ML-7 was applied without as- sociative tetanic stimulation it had no effect on synaptic responses in lateral nucleus of the amygdala. Thus, myosin light chain kinase activity in lateral nucleus of the amygdala appears to normally suppress synaptic plasticity in the cir- cuits underlying fear learning, suggesting that myosin light chain kinase may help prevent the acquisition of irrelevant fears. Impairment of this mechanism could contribute to pathological fear learning.

Breast cancer stem cells and epithelial mesenchymal plasticity : implications for chemoresistance

Tumour heterogeneity is a key characteristic of cancer and has significant implications relating to tumour response to chemotherapy as well as patient prognosis and potential relapse. It is being increasingly accepted that tumours are clonal in origin, suggestive of a tumour arising from a deregulated or mutated cell. Cancer stem cells (CSC) possess these capabilities, and with appropriate intracellular triggers and/or signalling from extracellular environments, can purportedly differentiate to initiate tumour formation. Additionally through epithelial mesenchymal plasticity (EMP), where cells gain and maintain characteristics of both epithelial and mesenchymal cell types, epithelial-derived tumour cells have been shown to de-differentiate to acquire cancer stem attributes, which also impart chemotherapy resistance. This new paradigm places EMP centrally in the process of tumour progression and metastasis, as well as modulating drug response to current forms of chemotherapy. Furthermore, EMP and CSCs have been identified in cancers arising from different tissue types making it a possible generic therapeutic target in cancer biology. Using breast cancer (BrCa) as an example, we summarise here the current understanding of CSCs, the role of EMP in cancer biology - especially in CSCs and different molecular subtypes, and the implications this has for current and future cancer treatment strategies.

Soiling the seed : microenvironment and epithelial mesenchymal plasticity

In the past decade we have come to appreciate that the microenvironment has the potential for major influence on the cancer cell. An extreme case for this occurs when the cancer cell changes its environment in the context of metastasis, where this may in part underpin the altered biology of cells in metasases. Increasing evidence suggests that changes in the cellular microenvironment contribute to tumourigenesis and metastasis, but the molecular basis of these alterations is not well understood. Reactive stroma provides oncogenic signals to facilitate tumourigenesis and metastasis—co-implantation of normal human epithelial cells in vivo with irradiated, carcinogen treated, or cancer derived fibroblasts leads to the enhancement or formation of malignant tumours.

Paradoxical enhancement of fear extinction memory and synaptic plasticity by inhibition of the histone acetyltransferase p300

It is well established that the coordinated regulation of activity-dependent gene expression by the histone acetyltransferase (HAT) family of transcriptional coactivators is crucial for the formation of contextual fear and spatial memory, and for hippocampal synaptic plasticity. However, no studies have examined the role of this epigenetic mechanism within the infralimbic prefrontal cortex (ILPFC), an area of the brain that is essential for the formation and consolidation of fear extinction memory. Here we report that a postextinction training infusion of a combined p300/CBP inhibitor (Lys-CoA-Tat), directly into the ILPFC, enhances fear extinction memory in mice. Our results also demonstrate that the HAT p300 is highly expressed within pyramidal neurons of the ILPFC and that the small-molecule p300-specific inhibitor (C646) infused into the ILPFC immediately after weak extinction training enhances the consolidation of fear extinction memory. C646 infused 6 h after extinction had no effect on fear extinction memory, nor did an immediate postextinction training infusion into the prelimbic prefrontal cortex. Consistent with the behavioral findings, inhibition of p300 activity within the ILPFC facilitated long-term potentiation (LTP) under stimulation conditions that do not evoke long-lasting LTP. These data suggest that one function of p300 activity within the ILPFC is to constrain synaptic plasticity, and that a reduction in the function of this HAT is required for the formation of fear extinction memory.

Coordination and plasticity in leaf anatomical traits of invasive and native vine species

Premise of the study: Plant invasiveness can be promoted by higher values of adaptive traits (e.g., photosynthetic capacity, biomass accumulation), greater plasticity and coordination of these traits, and by higher and positive relative influence of these functionalities on fitness, such as increasing reproductive output. However, the dataset for this premise rarely include linkages between epidermal-stomatal traits, leaf internal anatomy, and physiological performance. Methods: Three ecological pairs of invasive vs non-invasive (native) woody vine species of South-East Queensland, Australia were investigated for trait differences in leaf morphology and anatomy under varying light intensity. The linkages of these traits with physiological performance (e.g. water use efficiency, photosynthesis, and leaf construction cost) and plant adaptive traits of specific leaf area, biomass, and relative growth rates were also explored. Key results: Mean leaf anatomical trait differed significantly between the two groups, except for stomatal size. Plasticity of traits, and to a very limited extent, their phenotypic integration were higher in the invasive relative to the native species. ANOVA, ordination, and analysis of similarity suggest that for leaf morphology and anatomy, the three functional strategies contribute to the differences between the two groups in the order phenotypic plasticity > trait means > phenotypic integration. Conclusions: The linkages demonstrated in the study between stomatal complex/gross anatomy and physiology are scarce in the ecological literature of plant invasiveness, but the findings suggest that leaf anatomical traits need to be considered routinely as part of weed species assessment and in the worldwide leaf economic spectrum.