A neuronal model of a global workspace in effortful cognitive tasks

A minimal hypothesis is proposed concerning the brain processes underlying effortful tasks. It distinguishes two main computational spaces: a unique global workspace composed of distributed and heavily interconnected neurons with long-range axons, and a set of specialized and modular perceptual, motor, memory, evaluative, and attentional processors. Workspace neurons are mobilized in effortful tasks for which the specialized processors do not suffice. They selectively mobilize or suppress, through descending connections, the contribution of specific processor neurons. In the course of task performance, workspace neurons become spontaneously coactivated, forming discrete though variable spatio-temporal patterns subject to modulation by vigilance signals and to selection by reward signals. A computer simulation of the Stroop task shows workspace activation to increase during acquisition of a novel task, effortful execution, and after errors. We outline predictions for spatio-temporal activation patterns during brain imaging, particularly about the contribution of dorsolateral prefrontal cortex and anterior cingulate to the workspace.

An in vitro model of nociceptors in human trigeminal nerves

Background: The oro-facial region is densely innervated by the trigeminal nerve, which when stimulated can induce noxious pain sensation and contribute to neurogenic inflammation in local tissues. Recent research on the expression of specialised ion channels on the trigeminal nerve has highlighted the need to undertake more extensive studies on ion channel expression/functionality with the aim of elucidating their role in pain sensations. A major family of such ion channels is the transient receptor potential (TRP) channels which are activated by a wide variety of thermal, mechanical or chemical stimuli and merit investigation as possible druggable targets for future analgesics.
Objective: Study of TRP channel expression and regulation in oro-facial tissues is hindered by the fact that the cell bodies of neurons innervating these tissues are located in the trigeminal ganglion. Using dental pulp stem cells differentiated towards peripheral neuronal equivalents (PNEs), we sought to determine TRP channel expression, functionality and potential modulation by cytokines in this novel model.
Method: Dental pulp stem cells (DPSCs) were grown on substrate-coated tissue culture plates and differentiated towards a neuronal phenotype using neuronal induction media. Quantitative polymerase chain reaction (qPCR) was performed on PNEs +/-cytokine treatment. Ion channel functionality was investigated using whole cell patch clamping.
Result: qPCR analysis showed that PNEs expressed the TRP channels TRPA1, TRPV1, TRPV4 and TRPM8. TRPA1 was the most abundantly expressed TRP channel studied whereas TRPM8 was lowly expressed. TRP channel expression was shown to be regulated by treatment with inflammatory cytokines. Patch clamp studies using specific agonists and antagonists for TRPA1 and TRPV1 showed these channels were functional.
Conclusion: PNEs differentiated from DPSCs provide a suitable model for TRP channel expression, regulation, and sensistisation in oro-facial tissues. This human neuronal model has potential for use in pre-clinical studies of novel analgesics.

Expression and analysis of presenilin 1 in a human neuronal system: localization in cell bodies and dendrites.

Mutations in the recently identified presenilin 1 gene on chromosome 14 cause early onset familial Alzheimer disease (FAD). Herein we describe the expression and analysis of the protein coded by presenilin 1 (PS1) in NT2N neurons, a human neuronal model system. PS1 was expressed using recombinant Semliki Forest virions and detected by introduced antigenic tags or antisera to PS1-derived peptides. Immunoprecipitation revealed two major PS1 bands of approximately 43 and 50 kDa, neither of which were N-glycosylated or O-glycosylated. Immunoreactive PS1 was detected in cell bodies and dendrites of NT2N neurons but not in axons or on the cell surface. PS1 was also detected in BHK cells, where it was also intracellular and colocalized with calnexin, a marker for the rough endoplasmic reticulum. A mutant form of PS1 linked to FAD did not differ from the wild-type protein at the light microscopic level. The model system described here will enable studies of the function of PS1 in human neurons and the role of mutant PS1 in FAD.

Perceptual Learning via Modification of Cortical Top-Down Signals

The primary visual cortex (V1) is pre-wired to facilitate the extraction of behaviorally important visual features. Collinear edge detectors in V1, for instance, mutually enhance each other to improve the perception of lines against a noisy background. The same pre-wiring that facilitates line extraction, however, is detrimental when subjects have to discriminate the brightness of different line segments. How is it possible to improve in one task by unsupervised practicing, without getting worse in the other task? The classical view of perceptual learning is that practicing modulates the feedforward input stream through synaptic modifications onto or within V1. However, any rewiring of V1 would deteriorate other perceptual abilities different from the trained one. We propose a general neuronal model showing that perceptual learning can modulate top-down input to V1 in a task-specific way while feedforward and lateral pathways remain intact. Consistent with biological data, the model explains how context-dependent brightness discrimination is improved by a top-down recruitment of recurrent inhibition and a top-down induced increase of the neuronal gain within V1. Both the top-down modulation of inhibition and of neuronal gain are suggested to be universal features of cortical microcircuits which enable perceptual learning.

ModelDB in Computational Neuroscience Education - A research tool as interactive educational media

ModelDB's mission is to link computational models and publications, supporting the field of computational neuroscience (CNS) by making model source code readily available. It is continually expanding, and currently contains source code for more than 300 models that cover more than 41 topics. Investigators, educators, and students can use it to obtain working models that reproduce published results and can be modified to test for new domains of applicability. Users can browse ModelDB to survey the field of computational neuroscience, or pursue more focused explorations of specific topics. Here we describe tutorials and initial experiences with ModelDB as an interactive educational tool.

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.

Attentional shifting and the role of the dorsal pathway in visual word recognition

A substantial amount of evidence has been collected to propose an exclusive role for the dorsal visual pathway in the control of guided visual search mechanisms, specifically in the preattentive direction of spatial selection [Vidyasagar, T. R. (1999). A neuronal model of attentional spotlight: Parietal guiding the temporal. Brain Research and Reviews, 30, 66-76; Vidyasagar, T. R. (2001). From attentional gating in macaque primary visual cortex to dyslexia in humans. Progress in Brain Research, 134, 297-312]. Moreover, it has been suggested recently that the dorsal visual pathway is specifically involved in the spatial selection and sequencing required for orthographic processing in visual word recognition. In this experiment we manipulate the demands for spatial processing in a word recognition, lexical decision task by presenting target words in a normal spatial configuration, or where the constituent letters of each word are spatially shifted relative to each other. Accurate word recognition in the Shifted-words condition should demand higher spatial encoding requirements, thereby making greater demands on the dorsal visual stream. Magnetoencephalographic (MEG) neuroimaging revealed a high frequency (35-40 Hz) right posterior parietal activation consistent with dorsal stream involvement occurring between 100 and 300 ms post-stimulus onset, and then again at 200-400 ms. Moreover, this signal was stronger in the shifted word condition, compared to the normal word condition. This result provides neurophysiological evidence that the dorsal visual stream may play an important role in visual word recognition and reading. These results further provide a plausible link between early stage theories of reading, and the magnocellular-deficit theory of dyslexia, which characterises many types of reading difficulty. © 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Imaging in vivo Neuronal Transport in Genetic Model Organisms Using Microfluidic Devices

Microfluidic devices have been developed for imaging behavior and various cellular processes in Caenorhabditis elegans, but not subcellular processes requiring high spatial resolution. In neurons, essential processes such as axonal, dendritic, intraflagellar and other long-distance transport can be studied by acquiring fast time-lapse images of green fluorescent protein (GFP)-tagged moving cargo. We have achieved two important goals in such in vivo studies namely, imaging several transport processes in unanesthetized intact animals and imaging very early developmental stages. We describe a microfluidic device for immobilizing C. elegans and Drosophila larvae that allows imaging without anesthetics or dissection. We observed that for certain neuronal cargoes in C. elegans, anesthetics have significant and sometimes unexpected effects on the flux. Further, imaging the transport of certain cargo in early developmental stages was possible only in the microfluidic device. Using our device we observed an increase in anterograde synaptic vesicle transport during development corresponding with synaptic growth. We also imaged Q neuroblast divisions and mitochondrial transport during early developmental stages of C. elegans and Drosophila, respectively. Our simple microfluidic device offers a useful means to image high-resolution subcellular processes in C. elegans and Drosophila and can be readily adapted to other transparent or translucent organisms.

An organizing center in a planar model of neuronal excitability

This paper studies the excitability properties of a generalized FitzHugh-Nagumo model. The model differs from the classical FitzHugh-Nagumo model in that it accounts for the effect of cooperative gating variables such as activation of calcium currents. Excitability is explored by unfolding a pitchfork bifurcation that is shown to organize five different types of excitability. In addition to the three classical types of neuronal excitability, two novel types are described and distinctly associated to the presence of cooperative variables. © 2012 Society for Industrial and Applied Mathematics.

How neurons migrate: a dynamic in-silico model of neuronal migration in the developing cortex.

BACKGROUND: Neuronal migration, the process by which neurons migrate from their place of origin to their final position in the brain, is a central process for normal brain development and function. Advances in experimental techniques have revealed much about many of the molecular components involved in this process. Notwithstanding these advances, how the molecular machinery works together to govern the migration process has yet to be fully understood. Here we present a computational model of neuronal migration, in which four key molecular entities, Lis1, DCX, Reelin and GABA, form a molecular program that mediates the migration process. RESULTS: The model simulated the dynamic migration process, consistent with in-vivo observations of morphological, cellular and population-level phenomena. Specifically, the model reproduced migration phases, cellular dynamics and population distributions that concur with experimental observations in normal neuronal development. We tested the model under reduced activity of Lis1 and DCX and found an aberrant development similar to observations in Lis1 and DCX silencing expression experiments. Analysis of the model gave rise to unforeseen insights that could guide future experimental study. Specifically: (1) the model revealed the possibility that under conditions of Lis1 reduced expression, neurons experience an oscillatory neuron-glial association prior to the multipolar stage; and (2) we hypothesized that observed morphology variations in rats and mice may be explained by a single difference in the way that Lis1 and DCX stimulate bipolar motility. From this we make the following predictions: (1) under reduced Lis1 and enhanced DCX expression, we predict a reduced bipolar migration in rats, and (2) under enhanced DCX expression in mice we predict a normal or a higher bipolar migration. CONCLUSIONS: We present here a system-wide computational model of neuronal migration that integrates theory and data within a precise, testable framework. Our model accounts for a range of observable behaviors and affords a computational framework to study aspects of neuronal migration as a complex process that is driven by a relatively simple molecular program. Analysis of the model generated new hypotheses and yet unobserved phenomena that may guide future experimental studies. This paper thus reports a first step toward a comprehensive in-silico model of neuronal migration.

Oral Resveratrol Reduces Neuronal Damage in a Model of Multiple Sclerosis

Background: Neuronal loss in multiple sclerosis (MS) and its animal model, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), correlates with permanent neurological dysfunction. Current MS therapies have limited the ability to prevent neuronal damage. Methods: We examined whether oral therapy with SRT501, a pharmaceutical grade formulation of resveratrol, reduces neuronal loss during relapsing-remitting EAE. Resveratrol activates SIRT1, an NAD-dependent deacetylase that promotes mitochondrial function. Results: Oral SRT501 prevented neuronal loss during optic neuritis, an inflammatory optic nerve lesion in MS and EAE. SRT501 also suppressed neurological dysfunction during EAE remission, and spinal cords from SRT501-treated mice had significantly higher axonal density than vehicle-treated mice. Similar neuroprotection was mediated by SRT1720, another SIRT1-activating compound; and sirtinol, an SIRT1 inhibitor, attenuated SRT501 neuroprotective effects. SIRT1 activators did not prevent inflammation. Conclusions: These studies demonstrate that SRT501 attenuates neuronal damage and neurological dysfunction in EAE by a mechanism involving SIRT1 activation. SIRT1 activators are a potential oral therapy in MS. © 2010 by North American Neuro-Ophthalmology Society.

The up-regulation of voltage-gated sodium channels subtypes coincides with an increased sodium current in hippocampal neuronal culture model

Voltage-gated sodium channels (VGSC) have been linked to inherited forms of epilepsy. The expression and biophysical properties of VGSC in the hippocampal neuronal culture model have not been clarified. In order to evaluate mechanisms of epileptogenesis that are related to VGSC, we examined the expression and function of VGSC in the hippocampal neuronal culture model in vitro and spontaneously epileptic rats (SER) in vivo. Our data showed that the peak amplitude of transient, rapidly–inactivating Na+ current (INa,T) in model neurons was significantly increased compared with control neurons, and the activation curve was shifted to the negative potentials in model neurons in whole cell recording by patch–clamp. In addition, channel activity of persistent, non-inactivating Na+ current (INa,P) was obviously increased in the hippocampal neuronal culture model as judged by single–channel patch–clamp recording. Furthermore, VGSC subtypes NaV1.1, NaV1.2 and NaV1.3 were up-regulated at the protein expression level in model neurons and SER as assessed by Western blotting. Four subtypes of VGSC proteins in SER were clearly present throughout the hippocampus, including CA1, CA3 and dentate gyrus regions, and neurons expressing VGSC immunoreactivity were also detected in hippocampal neuronal culture model by immunofluorescence. These findings suggested that the up-regulation of voltage-gated sodium channels subtypes in neurons coincided with an increased sodium current in the hippocampal neuronal culture model, providing a possible explanation for the observed seizure discharge and enhanced excitability in epilepsy.