Dissertations / Theses: 'Contrôle en neuroscience'

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Mignardot, Jean-Baptiste. "Obésité et troubles du contrôle postural rôles de certaines contraintes morphologiques et sensori-motrices." Phd thesis, Université de Grenoble, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00646963.

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Abstract:

ALK1 est un récepteur de la famille du TGF-β, principalement exprimé dans les cellules endothéliales. Le ligand physiologique et circulant d'ALK1, BMP9, a été découvert par notre laboratoire en 2007, ce qui a ouvert des possibilités d'étude de la fonction d'ALK1. La première partie de ma thèse a été consacrée à l'analyse fonctionnelle de mutants d'ALK1, retrouvés sur des patients atteints de la maladie de Rendu-Osler de type 2, en réponse à BMP9. Cette étude a permis de : 1) proposer l'haploinsuffisance fonctionnelle comme modèle de la maladie ; 2) développer un test diagnostique pour discriminer les mutations pathogènes des polymorphismes rares, basé sur leur réponse à BMP9 ; 3) d'avoir une meilleure connaissance des acides aminés d'ALK1 importants dans la réponse à BMP9. Un second travail a consisté en la production de la forme mature de BMP9 et du domaine extracellulaire d'ALK1 en vue de l'étude de la structure cristallographique du complexe. L'expression des protéines et leur purification sont en phase d'optimisation. Enfin, un troisième projet consistait en l'analyse du rôle de BMP9 dans l'angiogenèse in vivo. La neutralisation de BMP9 par deux stratégies distinctes induit une augmentation de la densité vasculaire dans la rétine de la souris. Le mécanisme est en cours d'investigation.

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Charron, Sylvain. "L'architecture fonctionnelle intégrant le contrôle cognitif et le contrôle motivationnel dans le cortex préfrontal humain." Phd thesis, Palaiseau, Ecole polytechnique, 2011. https://pastel.hal.science/docs/00/65/10/87/PDF/these_sylvain_charron.pdf.

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Abstract:

Le cortex préfrontal est le siège de la fonction exécutive, la capacité cognitive de haut niveau qui permet aux humains d'agir non seulement en réaction aux stimuli externes mais aussi en fonction de buts internes. Dans cette thèse nous étudions l'interaction entre les processus cognitifs et motivationnels de la fonction exécutive. Nous proposons que le concept clef pour comprendre l'architecture fonctionnelle des cortex préfrontaux latéral et médian est la fenêtre temporelle d'intégration de l'information qui structure la séparation des processus de contrôle selon un axe caudo-rostral. Ainsi les régions préfrontales postérieures permettent l'adaptation du comportement immédiat sur la base des informations portées par le stimulus et son contexte. Les régions préfrontales moyennes sont impliquées dans le maitien d'un ensemble de règles comportementales et des valeurs qui leur sont associées au cours d'une même série d'essais. Pendant un embranchement cognitif, les cortex préfrontaux médians droit et gauche peuvent encoder séparément les valeurs associées à la tâche interrompue et à la tâche en cours. La région frontopolaire intègre ces valeurs et contrôle l'exécution d'une tâche double. Ainsi, les propriétés du cortex préfrontal médian et frontopolaire, qui limitent à deux le nombre de tâches conjointement traitées, pourraient néanmoins jouer un rôle fondamental dans la capacité à générer un comportement complexe en coordonnant la tâche présente et les buts futurs
The prefrontal cortex subserves executive function, the high-level cognitive ability that allows humans to generate behavior which does not depend only on external stimuli but also on internal goals. In this thesis we investigate the interaction between cognitive and motivational processes involved in executive function. We propose that the key concept to understand the functional architecture of lateral and medial prefrontal cortices is time-scale of information integration, which drives the fractionation of control processes along a caudo-rostral axis. Accordingly, posterior prefrontal regions drive immediate behavior adaptation on the basis of information conveyed by a stimulus and its context. Middle prefrontal regions are involved in maintaining over a series of trials a set of behavioural rules and processing their associated values. During a cognitive branching, the left and right medial prefrontal cortices can separately encode the values associated with delayed and ongoing task. The frontopolar region integrates these values and controls dual-task performance. Thus the functional properties of frontopolar and medial prefrontal cortices, despite being limited to the processing of two concurrent tasks, may play a critical role in the ability to generate complex behavior by coordinating ongoing task and future goals

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Charron, Sylvain. "L'architecture fonctionnelle intégrant le contrôle cognitif et le contrôle motivationnel dans le cortex préfrontal humain." Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2011. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00651087.

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Abstract:

Le cortex préfrontal est le siège de la fonction exécutive, la capacité cognitive de haut niveau qui permet aux humains d'agir non seulement en réaction aux stimuli externes mais aussi en fonction de buts internes. Dans cette thèse nous étudions l'interaction entre les processus cognitifs et motivationnels de la fonction exécutive. Nous proposons que le concept clef pour comprendre l'architecture fonctionnelle des cortex préfrontaux latéral et médian est la fenêtre temporelle d'intégration de l'information qui structure la séparation des processus de contrôle selon un axe caudo-rostral. Ainsi les régions préfrontales postérieures permettent l'adaptation du comportement immédiat sur la base des informations portées par le stimulus et son contexte. Les régions préfrontales moyennes sont impliquées dans le maitien d'un ensemble de règles comportementales et des valeurs qui leur sont associées au cours d'une même série d'essais. Pendant un embranchement cognitif, les cortex préfrontaux médians droit et gauche peuvent encoder séparément les valeurs associées à la tâche interrompue et à la tâche en cours. La région frontopolaire intègre ces valeurs et contrôle l'exécution d'une tâche double. Ainsi, les propriétés du cortex préfrontal médian et frontopolaire, qui limitent à deux le nombre de tâches conjointement traitées, pourraient néanmoins jouer un rôle fondamental dans la capacité à générer un comportement complexe en coordonnant la tâche présente et les buts futurs.

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Le, Thanh Thuan. "Rôle de la convergence oculomotrice dans le contrôle de la posture." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00812531.

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Abstract:

Cette thèse traite de l'équilibre postural orthostatique chez l'Homme jeune ou âgé. Plusieurs sources d'informations sont utilisées (somesthésique, proprioceptive, vestibulaire et visuelle) pour maintenir la posture. Le but de la thèse est de montrer le rôle de la convergence des yeux (angle des axes optiques) qui varie selon la distance. L'Etude 1 montre que l'augmentation de la convergence, lorsqu'on fixe en vision proche ou lorsqu'on porte des prismes convergents, améliore la stabilité posturale. Cette amélioration est attribuée aux signaux efférents et proprioceptifs de la convergence. L'Etude 2 montre que la relation entre l'angle de convergence et la stabilité posturale n'existe qu'en vision binoculaire ; peut-être qu'en vision monoculaire, l'angle de convergence varie peu. L'Etude 3 apporte un regard nouveau sur le test de Romberg, traditionnellement considéré comme évaluant le rôle de la vision : la forte instabilité posturale avec les yeux fermés par rapport aux yeux ouverts est observée seulement en vision proche ou intermédiaire (< 90 cm). Ce résultat indique un rôle combiné de la vision et des signaux de la convergence. L'Etude 4 montre que l'exécution des saccades, horizontales ou verticales, améliore la stabilité posturale. Enfin, l'Etude 5 montre une instabilité posturale chez les personnes présentant des symptômes de fatigue visuelle, céphalées et vertiges associés à des troubles de la vergence. L'ensemble de ces études a une importance théorique et clinique et ouvre de nouvelles voies de recherche.

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Orłowski, Jakub. "Adaptive control of time-delay systems to counteract pathological brain oscillations." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS605.

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Abstract:

Les oscillations beta (10-30 Hz) observées dans les ganglions de la base sont un bio-marqueur connu de la maladie de Parkinson. Leur intensité est corrélée à une augmentation des symptômes d'akinésie et de bradykinésie. La stimulation cérébrale profonde (SCP) conduit à une réduction de ces oscillations cérébrales ainsi qu'à une amélioration de la qualité vie du patient. La SCP actuellement utilisée en clinique est toutefois de nature boucle ouverte: les paramètres du signal de stimulation délivré sont constants, indépendamment de l'activité cérébrale ou de l'état du patient. Ceci peut conduire à une sur-stimulation, pouvant induire des effets secondaires et un raccourcissement de l'autonomie du stimulateur, ou au contraire à une sous-stimulation en cas de dégradation des symptômes. Des stratégies de SCP en boucle fermée, qui exploitent des mesures de l'activité cérébrale du patient pour adapter la stimulation en temps réel, constituent une approche prometteuse pour contrer ces limitations. Dans cette thèse, nous exploitons un modèle existant du taux de décharges neuronales de la boucle noyau sous-thalamique (STN) - globus pallidus externe (GPe) pour proposer une SCP proportionnelle adaptative.Nous analysons tout d'abord le modèle bouclé par une commande proportionnelle sur le STN et montrons qu'un gain proportionnel suffisamment élevé assure sa stabilité globale exponentielle (GES). A cette fin, nous proposons un nouveau critère, plus simple à appliquer que les conditions existantes, pour garantir la GES de systèmes globalement Lipschitz au moyen d'une fonctionnelle de Lyapunov-Krasovskii.Nous étendons ensuite l'approche par sigma modification, proposée initialement par Ioannou et Kokotovic, aux systèmes à retards et proposons des conditions explicites sous lesquelles cette commande adaptative stabilise le système. Nous montrons que cette loi de commande garantit alors une stabilité pratique, dans laquelle la norme L_1 de l'état sur une fenêtre temporelle suffisamment longue converge vers un voisinage de l'équilibre à une erreur près, dont l'amplitude peut être arbitrairement réduite par le réglage d'un paramètre de commande. Appliquée au modèle STN-GPe, cette stratégie conduit à une commande proportionnelle dont le gain s'ajuste automatiquement sur la base de mesures de l'activité du STN pour contrer les oscillations cérébrales pathologiques. L'analyse de la robustesse de cette stratégie vis-à-vis de perturbations ou de dynamiques non-modélisées nous a en outre conduit à réfuter, au travers d'un contre-exemple, un résultat existant sur la stabilité partielle des systèmes non-linéaires.Enfin nous illustrons, par des simulations sur une extension spatio-temporelle du modèle, que la stratégie de commande proposée est capable d'atténuer sélectivement les oscillations cérébrales, suivant leur gamme fréquentielle, qu'elles proviennent de la boucle STN-GPe elle-même ou d'entrées corticales du STN
Beta oscillations (10-30 Hz) observed in the basal ganglia are a well-known biomarker of Parkinson's disease, correlated with increased symptoms of akinesia and bradykinesia. Deep brain stimulation (DBS) leads to a reduction of these oscillations, as well as improvement in the patients' quality of life. Clinically used DBS, however, is since its inception delivered in an open-loop fashion, where the parameters of the stimulation are constant regardless of the underlying brain activity and the state of the patient. This can lead to overstimulation, inducing side-effects and shortening battery life of the impulse generator, as well as understimulation when the symptoms of the disease worsen. Closed-loop DBS, exploiting measurements on the patient's brain activity to adapt the stimulation in real-time, is a promising way to overcome these limitations. In this thesis, we rely on an existing firing-rate model of the activity of the subthalamic nucleus (STN) - external globus pallidus (GPe) loop to propose an adaptive proportional DBS.We first analyze the model under proportional feedback and show that high-gain proportional stimulation makes the system globally exponentially stable (GES). To that aim, we propose a relaxed Lyapunov-Krasovskii condition for GES, valid for globally Lipschitz systems. We then extend the sigma modification approach, originally proposed by Ioannou and Kokotovic, to time-delay systems by providing explicit conditions under which this adaptive control stabilizes the system. We show that this controller then induces a practical stability property, in which the L_1 norm of the state over a sufficiently long time window converges to a neighborhood of the equilibrium up to a steady-state error that can be made arbitrarily small by tuning a control parameter. When applied to the STN-GPe firing-rate model, this leads to a proportional control law, whose gain is automatically adjusted based on the measured activity of the STN, to successfully disrupt pathological brain oscillations. In an attempt to assess the robustness of this adaptive control strategy to exogenous inputs or unmodeled dynamics, we also disprove an existing result on partial stability of nonlinear systems.Finally, we illustrate with numerical simulations on a spatiotemporal extension of this model that the proposed control law is capable of selectively quenching the pathological oscillations, based on their frequency band, regardles of whether the oscillations originate within the STN-GPe loop, or in the cortical neurons projecting to the STN

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Boisgontier, Matthieu. "Effets de contraintes musculaire, cognitive et temporelle sur le contrôle proprioceptif des mouvements de la cheville chez les adules jeunes et âgés." Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00781726.

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Abstract:

Comme l'indiquent les divergences observées dans la littérature, la question de l'existence d'une modification du contrôle proprioceptif du mouvement au cours du vieillissement physiologique de l'adulte fait encore débat. Pour mieux comprendre ces divergences, 3 études ont été menées afin de tester les effets de contraintes d'origines musculaire, attentionnelle et temporelle sur le contrôle proprioceptif du mouvement. La tâche commune à ces 3 études était une tâche d'estimation active directe controlatérale de la cheville. Les effets de contraintes musculaire, cognitive et temporelle sur les performances de contrôle proprioceptif ont été respectivement testés dans les conditions de fatigue et non fatigue, de simple et double tâche, et de vitesses libre et rapide. Pour évaluer la performance de contrôle proprioceptif, les erreurs totales, variables et constantes ainsi que des variables temporelles et cinématiques ont été analysées. Chez les participants jeunes, les résultats de la première étude montrent que la fatigue musculaire altère la performance d'estimation de position lorsque la cheville de référence est maintenue activement en position mais pas lorsqu'elle est maintenue passivement. Afin d'éviter de confondre un effet de la fatigue musculaire éventuellement induite par la répétition de la tâche d'estimation de position, les deuxième et troisième études ont été réalisées avec la référence maintenue passivement en position. Les résultats de ces deux études montrent qu'en l'absence de contrainte cognitive et temporelle la position finale dans la tâche proprioceptive est comparable entre les adultes jeunes et âgés. Cependant, la stratégie utilisée pour atteindre cette position est différente selon l'âge. L'adjonction d'une contrainte cognitive ou temporelle produit une dégradation de la performance de contrôle proprioceptif des adultes âgés par rapport aux adultes jeunes. Dans l'ensemble, ces résultats montrent que les adultes âgés ont une capacité de résistance aux contraintes inférieure à celle des adultes jeunes. Cette thèse met donc en évidence la modification de contrôle proprioceptif du mouvement qui s'opère au cours du vieillissement physiologique.

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Bouchacourt, Flora. "Hebbian mechanisms and temporal contiguity for unsupervised task-set learning." Thesis, Paris 6, 2016. http://www.theses.fr/2016PA066379/document.

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Abstract:

L'homme est capable d'utiliser des stratégies ou règles concurrentes selon les contraintes environnementales. Nous étudions un modèle plausible pour une tâche nécessitant l'apprentissage de plusieurs règles associant des stimuli visuels à des réponses motrices. Deux réseaux de populations neurales à sélectivité mixte interagissent. Le réseau décisionnel apprend les associations stimulus-réponse une à une, mais ne peut gérer qu'une règle à la fois. Son activité modifie la plasticité synaptique du second réseau qui apprend les statistiques d'évènements sur une échelle de temps plus longue. Lorsque des motifs entre les associations stimulus-réponse sont détectés, un biais d'inférence vers le réseau décisionnel guide le comportement futur. Nous montrons que le mécanisme de Hebb non-supervisé dans le second réseau est suffisant pour l'implémentation des règles. Leur récupération dans le réseau de décision améliore la performance. Le modèle prédit des changements comportementaux en fonction de la séquence des réponses précédentes, dont les effets sur la performance peuvent être positifs ou négatifs. Les prédictions sont confirmées par les données, et permettent d'identifier les sujets ayant appris la structure de la tâche. Le signal d'inférence corrèle avec l'activité BOLD dans le réseau fronto-pariétal. Au sein de ce réseau, les n¿uds préfrontaux dorsomédial et dorsolatéral sont préférentiellement recrutés lorsque les règles sont récurrentes: l'activité dans ces régions pourrait biaiser les circuits de décision lorsqu'une règle est récupérée. Ces résultats montrent que le mécanisme de Hebb peut expliquer l'apprentissage de comportements complexes en contrôle cognitif
Depending on environmental demands, humans performing in a given task are able to exploit multiple concurrent strategies, for which the mental representations are called task-sets. We examine a candidate model for a specific human experiment, where several stimulus-response mappings, or task-sets, need to be learned and monitored. The model is composed of two interacting networks of mixed-selective neural populations. The decision network learns stimulus-response associations, but cannot learn more than one task-set. Its activity drives synaptic plasticity in a second network that learns event statistics on a longer timescale. When patterns in stimulus-response associations are detected, an inference bias to the decision network guides successive behavior. We show that a simple unsupervised Hebbian mechanism in the second network is sufficient to learn an implementation of task-sets. Their retrieval in the decision network improves performance. The model predicts abrupt changes in behavior depending on the precise statistics of previous responses, corresponding to positive (task-set retrieval) or negative effects on performance. The predictions are borne out by the data, and enable to identify subjects who have learned the task structure. The inference signal correlates with BOLD activity in the fronto-parietal network. Within this network, dorsomedial and dorsolateral prefrontal nodes are preferentially recruited when task-sets are recurrent: activity in these regions may provide a bias to decision circuits when a task-set is retrieved. These results show that Hebbian mechanisms and temporal contiguity may parsimoniously explain the learning of rule-guided behavior

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Collins, Anne. "Apprentissage et contrôle cognitif : une théorie computationnelle de la fonction exécutive préfontale humaine." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00814840.

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Abstract:

Le contrôle cognitif est la capacité à réagir à des stimuli de manière adaptée au contexte présent ou aux indices passés, en tenant compte de nos buts internes. Le contrôle cognitif et l'apprentissage entretiennent des liens profonds et réciproques. D'un côté, le contrôle cognitif requiert que nous ayons appris un répertoire de comportements ainsi que leur valeur dans différentes conditions, afin de les utiliser à bon escient. D'un autre côté, l'apprentissage d'un répertoire de comportements nécessite du contrôle cognitif, notamment pour réguler l'équilibre entre exploration et exploitation, mais également pour généraliser, décider d'un switch, induire une structure dans un problème, etc.. . . Le contrôle cognitif et l'apprentissage sont donc indissociablement liés dans la flexibilité qui carac- térise la fonction exécutive préfrontale humaine. Cependant, ce lien est actuellement mal compris et peu de travaux de psychologie ou neurosciences cognitives intègrent ces deux aspects. De même, les modèles computationnels d'apprentissage ou de décision existants ne rendent pas compte de leur interaction. Dans ce travail de thèse, nous proposons une théorie mathématique reposant sur des mécanismes d'apprentissage par renforcement et d'inférence bayésienne, qui intègre l'apprentissage de répertoires de comportements (task-sets) dans un milieu incertain et le contrôle cognitif (task-switching) en présence ou en l'absence d'information contextuelle. Cette théorie permet de faire des prédictions spécifiques que nous avons testées dans le cadre de deux expériences comportementales. Celles-ci ont permis de valider les prédictions de la théorie et d'invalider d'autres modèles existants. De plus, la théorie proposée permet d'avancer un facteur explicatif des différences qualitatives de stratégies d'exploration observées entre différents individus. La théorie proposée caractérise de façon intrinsèque des notions essentielles telles que le comporte- ment par défaut, le switch et l'exploration. Elle permet de faire émerger naturellement un mécanisme de contrôle du compromis exploitation - exploration, ainsi que son facteur de pondération. Enfin, les résultats empiriques valident les prédictions et confirment les hypothèses du modèle. Celui-ci pourra être utilisé pour comprendre les computations effectuées par le cerveau dans des études d'imagerie fonctionnelle, avec le cortex préfrontal, les ganglions de la base et des neuromodulateurs (dopamine et norépinephrine) comme centres d'intérêt principaux.

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Arduin, Pierre-Jean. "Conditionnement opérant de neurones du cortex moteur du rat pour un contrôle gradué de prothèse." Phd thesis, Ecole Normale Supérieure de Paris - ENS Paris, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00669347.

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Abstract:

Les traumatismes médullaires, ainsi que les myopathies, les accidents vasculaires cérébraux ou les amputations peuvent entraîner de très lourds handicaps où la commande motrice ne peut plus être exécutée correctement. Les interfaces cerveau-machine ont été développées pour contrecarrer ces déficits. La plupart des groupes de recherche travaillant dans le domaine ont conçu des interfaces qui tentent de reconstruire un mouvement à partir de l'activité neuronale du cerveau. Dans notre cas, nous attaquons le problème différemment en conditionnant un neurone ou un petit nombre d'entre eux dans le cortex moteur de rats éveillés afin qu'ils contrôlent la vitesse d'un actuateur en une dimension en augmentant ou en diminuant leur taux de décharge. Dans ce protocole, connaître l'espace initial de codage des neurones conditionnés n'était pas un prérequis. Nous avons observé que l'activité de la plupart des neurones pouvait être modulée par conditionnement opérant, et pouvaient contrôler en temps réel et pendant plusieurs secondes la position d'une bouteille contenant une récompense liquide située en face de l'animal. De plus, pendant la période d'apprentissage, les neurones conditionnés ont affiché des propriétés spéciales comparées aux autres neurones non conditionnés, en termes de variabilité du taux de décharge, de latence de la réponse et de force de la modulation. Cela constitue la première démonstration d'un outil externe contrôlé en temps réel par des neurones conditionnés devant ajuster leur activité selon des objectifs constamment redéfinis.

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Petit, Olivia. "Le plaisir et la santé dans la consommation alimentaire : activité cérébrale, motivation et simulation sensorielle." Thesis, Aix-Marseille, 2014. http://www.theses.fr/2014AIXM1036/document.

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Abstract:

L'autorégulation est une ressource essentielle pour ne pas succomber à la tentation de consommer des aliments fortement caloriques. Elle demande de la volonté et de contrôler ses émotions et sensations. Cependant, nous évoluons dans un environnement valorisant le plaisir alimentaire où les informations de santé sont mal prises en compte, entrainant des difficultés d'autorégulation. Ces difficultés se retrouvent notamment chez les personnes en surpoids et/ou au régime. Nous avons émis l'hypothèse que valoriser le goût des aliments sains pourrait aider ces personnes à s'autoréguler et nous avons conduit deux expériences pour la tester. Dans la première, les messages basés sur le plaisir de consommer des fruits et légumes se sont avérés plus persuasifs pour ces individus. De la même manière, dans la seconde étude lors de la prise de décision simuler le plaisir procuré par ces aliments augmente davantage le choix d'aliments sains pour ces individus. Par le recours à la neuro-imagerie fonctionnelle, nous montrons également des différences significatives d'activité cérébrale entre ces individus au moment du choix d'aliments sains dans cette condition. Il apparaît plus impulsif chez les sujets les plus sensibles à la récompense, se rapprochant du choix d'aliments fortement caloriques. Au contraire, il apparaît plus réfléchi chez les sujets ayant un IMC élevé, facilitant ainsi l'autorégulation. Au niveau théorique, cette recherche met en avant le rôle positif des émotions et sensations liées au plaisir dans l'autorégulation. Au niveau managérial, elle suggère l'importance d'adapter les stratégies de promotion des aliments sains au public ciblé
Self-regulation is an essential resource for not succumbing to (junk) food. It requires willpower and control of emotions and sensations. However, individuals operate in an environment enhancing food pleasure where health informations are few and poorly considered, causing difficulties in self-regulation. These difficulties are found especially in overweight people and/or dieter. We hypothesized that value the taste of healthy foods could help people to self-regulate and we conducted two experiments to test it. In the first study, messages highlighting the pleasure of eating fruits and vegetables are more persuasive to subjects taking risks to health. Similarly, in the second study in decision making, focusing on the tatste of these foods increases more healthy food choices for these subjects. By using neuroimaging, we have shown brain activity distinctions between these subjects when choosing healthy food in this condition. Choosing healthy food is more impulsive for the most sensitive to reward subjects, approaching the choice of junk foods. Instead, it appears more reflective for subjects with a high BMI and choosing more junk foods, facilitating self-regulation. At the theoretical level this research highlights the positive role of emotions and sensations related to pleasure in self-regulation. At the managerial level, it suggests the importance of adapting strategies to the target audience in order to efficiently healthy food consumption

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Serres, Julien. "DE L'ABEILLE AU ROBOT : LA RÉGULATION DU FLUX OPTIQUE. Contrôle conjoint de vitesse et d'évitements d'obstacles latéraux pour véhicules totalement actionnés." Phd thesis, Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00645272.

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Abstract:

Nous avons conçu un pilote automatique, dénommé LORA (Lateral Optic flow Regulation Autopilot), qui s'inspire de la vision du mouvement des insectes ailés. Il se compose de deux régulateurs de flux optique interdépendants, chacun contrôlant un degré de liberté de translation : un régulateur de flux optique bilatéral contrôle la vitesse du robot, tandis qu'un régulateur de flux optique unilatéral lui permet d'éviter les obstacles latéraux. Des expériences de simulation montrent qu'un robot totalement actionné, équipé du seul pilote automatique LORA, franchit sans collision un corridor droit, fuselé, ou même non stationnaire. Le robot n'a besoin que d'une paire d'yeux latéraux mesurant les flux optiques droit et gauche et ne fait appel à aucun autre capteur, ni de vitesse, ni de distance. LORA est destiné à équiper un aéroglisseur miniature de 0,8 kg, doté de deux yeux élémentaires (à 2 pixels) et rendu totalement actionné par l'adjonction de deux propulseurs latéraux. Nous avons identifié tous les paramètres dynamiques de ce robot avant de les inclure dans les simulations. Ce travail constitue un premier pas vers un système de guidage agile et léger pour micro-aéronefs. La genèse du pilote automatique LORA a suivi trois étapes : LORA I, LORA II et LORA III, enrichies progressivement par l'analyse parallèle du comportement d'abeilles entraînées à pénétrer dans divers corridors pour y butiner un nectar artificiel. L'enregistrement vidéo à haute résolution et l'analyse statistique de trajectoires d'abeilles dans divers environnements ont permis de mettre à jour les ressorts du système visuo-moteur sous-jacent. Ainsi notre travail remet en question l'hypothèse d'" équilibrage des flux optiques latéraux ", proposée voici 20 ans pour expliquer " la réaction de centrage " de l'abeille dans un corridor. Bien que ce comportement ait inspiré maints roboticiens dans le monde, il apparaît en fait comme un cas particulier d'un comportement beaucoup plus général de l'insecte : le suivi de paroi. Le va-et-vient permanent biologie-robotique qui a animé notre travail offre aujourd'hui des retombées dans les deux camps. Il permet de comprendre comment un insecte de 100 mg peut naviguer sans SONAR, ni RADAR, ni LIDAR, ni GPS, et offre aux véhicules autonomes la possibilité de se comporter pareillement, sans avoir à mesurer ni vitesse ni distance.

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Petit, Olivia. "Le plaisir et la santé dans la consommation alimentaire : activité cérébrale, motivation et simulation sensorielle." Electronic Thesis or Diss., Aix-Marseille, 2014. http://www.theses.fr/2014AIXM1036.

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Abstract:

L'autorégulation est une ressource essentielle pour ne pas succomber à la tentation de consommer des aliments fortement caloriques. Elle demande de la volonté et de contrôler ses émotions et sensations. Cependant, nous évoluons dans un environnement valorisant le plaisir alimentaire où les informations de santé sont mal prises en compte, entrainant des difficultés d'autorégulation. Ces difficultés se retrouvent notamment chez les personnes en surpoids et/ou au régime. Nous avons émis l'hypothèse que valoriser le goût des aliments sains pourrait aider ces personnes à s'autoréguler et nous avons conduit deux expériences pour la tester. Dans la première, les messages basés sur le plaisir de consommer des fruits et légumes se sont avérés plus persuasifs pour ces individus. De la même manière, dans la seconde étude lors de la prise de décision simuler le plaisir procuré par ces aliments augmente davantage le choix d'aliments sains pour ces individus. Par le recours à la neuro-imagerie fonctionnelle, nous montrons également des différences significatives d'activité cérébrale entre ces individus au moment du choix d'aliments sains dans cette condition. Il apparaît plus impulsif chez les sujets les plus sensibles à la récompense, se rapprochant du choix d'aliments fortement caloriques. Au contraire, il apparaît plus réfléchi chez les sujets ayant un IMC élevé, facilitant ainsi l'autorégulation. Au niveau théorique, cette recherche met en avant le rôle positif des émotions et sensations liées au plaisir dans l'autorégulation. Au niveau managérial, elle suggère l'importance d'adapter les stratégies de promotion des aliments sains au public ciblé
Self-regulation is an essential resource for not succumbing to (junk) food. It requires willpower and control of emotions and sensations. However, individuals operate in an environment enhancing food pleasure where health informations are few and poorly considered, causing difficulties in self-regulation. These difficulties are found especially in overweight people and/or dieter. We hypothesized that value the taste of healthy foods could help people to self-regulate and we conducted two experiments to test it. In the first study, messages highlighting the pleasure of eating fruits and vegetables are more persuasive to subjects taking risks to health. Similarly, in the second study in decision making, focusing on the tatste of these foods increases more healthy food choices for these subjects. By using neuroimaging, we have shown brain activity distinctions between these subjects when choosing healthy food in this condition. Choosing healthy food is more impulsive for the most sensitive to reward subjects, approaching the choice of junk foods. Instead, it appears more reflective for subjects with a high BMI and choosing more junk foods, facilitating self-regulation. At the theoretical level this research highlights the positive role of emotions and sensations related to pleasure in self-regulation. At the managerial level, it suggests the importance of adapting strategies to the target audience in order to efficiently healthy food consumption

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Nazari, Mohammad Ali. "Modélisation biomécanique du visage: Etude du contrôle des gestes oro-faciaux en production de la parole." Phd thesis, Université de Grenoble, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00665373.

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Abstract:

Un modèle tridimensionnel du visage a été élaboré, dans la perspective de contribuer à l'étude de questions importantes sur le contrôle moteur de la production de la parole. Ce modèle est construit sur un maillage constitué d'éléments hexahédraux et de clavettes, qui comporte 3 couches distinctes et est symétrique par rapport au plan medio-sagittal. Les muscles faciaux sont représentés dans le maillage par un sous-ensemble d'éléments contigus. Les propriétés élastiques des éléments du maillage sont décrites par une loi de comportement de type isotrope quasi incompressible et hyperélastique. Dans une première phase de ce travail, pour étudier les conséquences globales de l'activation des muscles oro-faciaux sur les mimiques faciales et les gestes labiaux, et plus particulièrement sur les gestes labiaux en parole, un modèle linéaire de muscle a été élaboré. L'influence des variations de la raideur des tissus mous sur les gestes faciaux a été étudiée. En effet, l'activation des muscles entraîne un raidissement des tissus mous musculaires concernés. Cet effet est pris en compte dans le modèle de muscle par un changement de la loi de comportement hyperélastique avec l'activation musculaire. Une attention particulière a été portée dans cette étude à la production du geste de protrusion/arrondissement des lèvres qui est un geste fondamental dans la production des voyelles arrondies, en particulier en Français. Nous montrons que le raidissement des tissus mous musculaires facilite la production précise de ce geste grâce à l'existence d'un effet de saturation dans la relation entre les activations musculaires et les paramètres géométriques des lèvres qui sont pertinents acoustiquement. Ce résultat souligne l'importance des propriétés dynamiques des articulateurs dans la production des gestes de la parole, et il nous a incités à améliorer encore la modélisation de la source principale de force en production de la parole, c'est-à-dire les muscles. C'est pourquoi, un modèle de muscles plus réaliste a été élaboré qui se fonde sur une loi de comportement transversalement isotrope quasi incompressible et hyperélastique et sur un modèle de muscle de type Hill. Ce modèle a été implémenté dans le logiciel éléments finis ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERMAT. La prise en compte supplémentaire d'une loi caractéristique force-vitesse a permis la modélisation complète d'un modèle de muscle de type Hill. Ceci a été fait sous ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERELEM. Cette loi caractéristique force-vitesse introduit un effet d'amortissement dans le mouvement du muscle du fait d'une atténuation croissante de la force musculaire lorsque la vitesse de compression du muscle augmente. Ce nouvel élément de type muscle a été conçu de manière telle qu'il est possible d'implémenter d'autres modèles de muscles que le modèle de type Hill. C'est pourquoi nous avons aussi implémenté le modèle de Feldman, qui a été utilisé de manière importante à Gipsa-lab dans les dernières années. L'intégration du modèle de Feldman dans une structure à éléments finis a nécessité une reformulation de façon à le rendre compatible avec une modélisation distribuée. Les modèles de Hill et de Feldman ont ensuite été incorporés dans le modèle de visage pour remplacer le modèle linéaire initial. Dans ces conditions les premières simulations du geste de protrusion/arrondissement labial ont donné des résultats réalistes. Finalement une comparaison des résultats obtenus avec le modèle de Hill avec ceux qui génère le modèle de Feldman montrent que les formes labiales finales sont très similaires pour les deux modèles.

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Tamekue, Cyprien. "Controllability, Visual Illusions and Perception." Electronic Thesis or Diss., université Paris-Saclay, 2023. http://www.theses.fr/2023UPAST105.

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Abstract:

Cette thèse explore deux applications distinctes de la théorie du contrôle dans différents domaines scientifiques : la physique et les neurosciences. La première application se concentre sur la contrôlabilité nulle de l'équation parabolique associée à l'opérateur de Baouendi-Grushin sur la sphère de dimension 2. En revanche, la deuxième application concerne la description mathématique des illusions visuelles du type MacKay, et se focalise sur l'effet MacKay et les expériences psychophysiques de Billock et Tsou, via le contrôle de l'équation des champs neuronaux à une seule couche du type Amari. De plus, pour le besoin d'application à la stabilité entrée-état et la stabilisation robuste, la thèse examine l'existence d'un équilibre dans un modèle de population de champs neuronaux à plusieurs couches de Wilson-Cowan, plus précisément lorsque l'entrée sensorielle est un retour d'état proportionnelle agissant uniquement sur l'état des populations de neurones excitateurs.Dans la première partie, nous étudions les propriétés de contrôlabilité nulle de l'équation parabolique associée à l'opérateur de Baouendi-Grushin défini par la structure presque-riemannienne canonique sur la sphère bidimensionnelle. Cet opérateur présente une dégénérescence à l'équateur de la sphère. Nous fournissons certaines propriétés de contrôlabilité nulle de cette équation dans ce cadre courbé, ce qui généralise celles de l'équation parabolique de Baouendi-Grushin définie sur le plan.Concernant les neurosciences, dans un premier temps, on s'intéresse à la description des illusions visuelles pour lesquelles les outils de la théorie du contrôle et même de l'analyse multiéchelle semblent inappropriés.Dans notre discussion, nous utilisons l'équation des champs neuronaux de type Amari, dans laquelle l'entrée sensorielle est interprétée comme une représentation corticale du stimulus visuel utilisé dans chaque expérience. Elle contient une fonction de contrôle distribuée localisée qui modélise la spécificité du stimulus, par exemple, l'information redondante au centre du motif en entonnoir de MacKay (``rayons de MacKay'') ou le fait que les stimuli visuels dans les expériences de Billock et Tsou sont localisés dans le champ visuel.Toujours dans le cadre des neurosciences, nous étudions l'existence d'un équilibre dans un modèle de population de champs neuronaux à plusieurs couches de Wilson-Cowan lorsque l'entrée sensorielle est un retour d'état proportionnelle agissant uniquement sur l'état du système des populations de neurones excitateurs. Nous proposons une condition suffisante modérée sur les fonctions de réponse garantissant l'existence d'un tel point d'équilibre. L'intérêt de ce travail réside dans son application lors de l'étude de la pertubation des oscillations cérébrales pathologiques associées à la maladie de Parkinson lorsqu'on stimule et mesure uniquement la population de neurones excitateurs
This thesis explores two distinct control theory applications in different scientific domains: physics and neuroscience. The first application focuses on the null controllability of the parabolic, spherical Baouendi-Grushin equation. In contrast, the second application involves the mathematical description of the MacKay-type visual illusions, focusing on the MacKay effect and Billock and Tsou's psychophysical experiments by controlling the one-layer Amari-type neural fields equation. Additionally, intending to study input-to-state stability and robust stabilization, the thesis investigates the existence of equilibrium in a multi-layer neural fields population model of Wilson-Cowan, specifically when the sensory input is a proportional feedback acting only on the system's state of the populations of excitatory neurons.In the first part, we investigate the null controllability properties of the parabolic equation associated with the Baouendi-Grushin operator defined by the canonical almost-Riemannian structure on the 2-dimensional sphere. It presents a degeneracy at the equator of the sphere. We provide some null controllability properties of this equation to this curved setting, which generalize that of the parabolic Baouendi-Grushin equation defined on the plane.Regarding neuroscience, initially, the focus lies on the description of visual illusions for which the tools of bifurcation theory and even multiscale analysis appear unsuitable. In our study, we use the neural fields equation of Amari-type in which the sensory input is interpreted as a cortical representation of the visual stimulus used in each experiment. It contains a localised distributed control function that models the stimulus's specificity, e.g., the redundant information in the centre of MacKay's funnel pattern (``MacKay rays'') or the fact that visual stimuli in Billock and Tsou's experiments are localized in the visual field.Always within the framework of neurosciences, we investigate the existence of equilibrium in a multi-layers neural fields population model of Wilson-Cowan when the sensory input is a proportional feedback that acts only on the system's state of the population of excitatory neurons. There, we provide a mild condition on the response functions under which such an equilibrium exists. The interest of this work lies in its application in studying the disruption of pathological brain oscillations associated with Parkinson's disease when stimulating and measuring only the population of excitatory neurons

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Hu, Wen Fan. "Building a Bigger Brain: Centriole Control of Cerebral Cortical Development." Thesis, Harvard University, 2014. http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:13070046.

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Abstract:

Human genetics has identified essential roles for many centriole- and cilia-related proteins during human development. Mutations in centrosome-associated genes commonly cause microcephaly, or "small brain," and mutations in cilia-associated genes cause a diverse spectrum of diseases termed "ciliopathies." However, the functional relationships between these two crucial organelles are less well studied. The activities of centrosome-related proteins during mitosis and cytoskeletal remodeling are well-characterized, but their in vivo functions are incompletely understood. Here, we identify novel human mutations in a centrosomal gene which encodes a regulatory subunit of a microtubule interacting protein, and uncover unexpected pathways during vertebrate development. Human mutations cause severe microlissencephaly, reflecting defects in cerebral cortical neurogenesis, and loss of function in mice and zebrafish confirm essential roles in embryonic development, neurogenesis, and cell survival. Surprisingly, null mutant embryos display hallmarks of aberrant Sonic hedgehog signaling, including holoprosencephaly. Deficient induced pluripotent stem cells and lymphoblasts show defective proliferation and spindle structure, while deficient fibroblasts also demonstrate a remarkable excess of centrioles, including excessive maternal centrioles, with supernumerary cilia but deficient Hedgehog signaling. Our results reveal novel roles for this protein in regulating overall centriole number, mother centriole and cilia number, and as an essential gene for normal Hedgehog signaling during neocortical development.

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Bailey, Phoebe Elizabeth Psychology Faculty of Science UNSW. "The social cognitive neuroscience of empathy in older adulthood." Awarded By:University of New South Wales. Psychology, 2009. http://handle.unsw.edu.au/1959.4/44506.

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Abstract:

Empathy is an essential prerequisite for the development and maintenance of close interpersonal relationships. Given that older adults are particularly vulnerable to the negative consequences of loneliness and social isolation, it is surprising that few studies have assessed empathy in this group. The current programme of research addressed this gap in the literature by testing competing predictions derived from Socioemotional Selectivity Theory and the Ageing-Brain Model for age-related sparing and impairment of empathy, respectively. Study 1 compared young (N = 80) and older (N = 49) adults?? self-reported levels of cognitive and affective empathy, and engagement in social activities. It was found that although affective empathy is spared, cognitive empathy is subject to age-related decline, and this decline mediates reductions in social participation. These data therefore affirmed the importance of further investigation into the nature, causes and potential consequences of age-related differences in empathy. Since disinhibition is one mechanism contributing to difficulty taking the perspective of another, and is known to increase with age, in Study 2, behavioural measures sensitive to inhibitory failure and to cognitive empathy were administered to young (N = 36) and older (N = 33) adults. One of the measures of cognitive empathy directly manipulated inhibitory demands, involving either high or low levels of self-perspective inhibition. The results indicated that older adults were selectively impaired on the high-inhibition condition, with cognitive disinhibition mediating this association. Study 2 therefore provided important evidence relating to one potential mechanism that contributes to age-related difficulties in perspective-taking. Studies 3 and 4 provided the first behavioural assessments of age-related differences in affective empathy by using electromyography to index facial expression mimicry. Study 3 found that young (N = 35) and older (N = 35) adults?? demonstrate comparable mimicry of anger, but older adults?? initial (i.e., implicit) reactions were associated with reduced anger recognition. Thus, to test the possibility that despite explicit recognition difficulties, implicit processing of facial expressions may be preserved in older adulthood, Study 4 compared young (N = 46) and older (N = 40) adults?? mimicry responses to subliminally presented angry and happy facial expressions. As predicted, the two groups demonstrated commensurate subconscious mimicry of these expressions. Taken together, these studies indicate that separate components of empathy are differentially affected by healthy adult ageing. Implications for competing perspectives of socioemotional functioning in older adulthood are discussed.

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Hunt, Alexander Jacob. "Neurologically Based Control for Quadruped Walking." Case Western Reserve University School of Graduate Studies / OhioLINK, 2016. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=case1445947104.

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Godefroy, Olivier. "Contrôle cognitif et lobes frontaux." Lyon 1, 1996. http://www.theses.fr/1996LYO1T052.

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Khan, Rishi Lee. "Engineering systems neuroscience modeling of a key adaptive brain control system involved in hypertension /." Access to citation, abstract and download form provided by ProQuest Information and Learning Company; downloadable PDF file, 281 p, 2007. http://proquest.umi.com/pqdweb?did=1362523091&sid=21&Fmt=2&clientId=8331&RQT=309&VName=PQD.

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Yamanaka, Juri. "Anticipatory grip force control in stroke." Thesis, McGill University, 2011. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=97235.

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Abstract:

When moving the arm while holding an object, grip force (GF) increases at movement onset (anticipatory control; AC). Post-stroke individuals preserve AC in some tasks but few of these have been ecological. We hypothesized that post-stroke individuals will have problems in AC during functional hand tasks. Subjects lifted a 63.5g load cell (lift) with the thumb and index finger and held it (hold) while flexing or extending the elbow (transport). GF, EMG activity of the elbow and thumb, and forearm acceleration were recorded. Stroke subjects had no impairments in AC between GF and acceleration. However, they used higher GF, had deficits in maintaining constant GF during hold, demonstrated abnormal couplings between GF and temporal parameters of grasp and had disrupted timing of muscle activation between thumb and elbow flexors during flexion movements. These findings suggest that people with stroke have disruptions in the patterns of grasping during functional arm tasks.
Quand le bras en mouvement tient un objet, la force de préhension (FdP) augmente en début de mouvement (contrôle anticipatoire; CA). Après un accident vasculaire cérébral (AVC), les personnes conservent le CA dans quelques tâches mais peu d'entre elles sont écologiques. Nous avons émis l'hypothèse que l'AVC entraîne des problèmes de CA lors de tâches fonctionnelles. Les sujets ont levé un capteur de force de 63,5g (lever) avec le pouce et l'index et l'ont tenu (maintien) tout en fléchissant ou allongeant le coude (transport). La FdP, l'activité EMG des muscles du coude et du pouce ainsi que l'accélération de l'avant-bras ont été enregistrées. Les sujets avec un AVC n'avaient pas de déficience dans le CA entre la FdP et l'accélération. Toutefois, ils utilisaient plus de FdP; ils avaient des déficits dans le maintien de la FdP; ils ont démontrés des relations anormales entre la PdF et les paramètres temporels de préhension et ils présentaient une perturbation temporelle de l'activation musculaires entre le fléchisseurs du coude et du pouce lors des mouvements de flexion. Ces résultats suggèrent que les l'AVC altère les patrons de préhension lors de tâches fonctionnelles du bras.

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Yen, Jasper Tong-Biau. "Force control during human bouncing gaits." Diss., Georgia Institute of Technology, 2011. http://hdl.handle.net/1853/43698.

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Abstract:

Every movement has a goal. For reaching, the goal is to move the hand to a specific location. For locomotion, however, goals for each step cycle are unclear and veiled by the automatic nature of lower limb control. What mechanical variables does the nervous system "care" about during locomotion? Abundant evidence from the biomechanics literature suggests that the force generated on the ground, or endpoint force, is an important task variable during hopping and running. Hopping and running are called bouncing gaits for the reason that the endpoint force trajectory is like that of bouncing on a pogo stick. In this work, I captured kinematics and kinetics of human bouncing gaits, and tested whether structure in the inherent step-to-step variability is consistent with control of endpoint force. I found that joint torques covary from step to step to stabilize only peak force. When two limbs are used to generate force on the ground at the same time, individual forces of the limbs are not stabilized, but the total peak force is stabilized. Moreover, passive dynamics may be exploited during forward progression. These results suggest that the number of kinetic goals is minimal, and this simple control scheme involves goals for discrete times during the gait cycle. Uncovering biomechanical goals of locomotion provides a functional context for understanding how complex joints, muscles, and neural circuits are coordinated.

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Leonard, Julia Anne. "The feedforward control of posture and movement." Thesis, McGill University, 2013. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=114142.

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Abstract:

Goal-directed arm movements performed in the standing position potentially disturb the body's equilibrium as a result of the multi-linked structure of the musculoskeletal system. To compensate for these disturbances and ensure that stability is maintained, the central nervous system (CNS) organizes postural adjustments preceding and accompanying the voluntary movement in a feedforward manner (Massion 1992) using knowledge of the dynamics of the body (Bouisset and Zattara 1981). To date, most studies investigating the control of posture during voluntary movements in humans have focused on either the role of the postural activity preceding the movement or on the temporal structure of these anticipatory postural adjustments (APAs) with respect to the focal movement. As such, detailed knowledge about the spatial organization of postural activity is lacking. Furthermore, it is not clear how posture is coordinated when the goal of a voluntary movement changes online. Therefore, the studies in this thesis were aimed at addressing these questions to develop a greater understanding of the organization of feedforward postural control during voluntary movements. Muscle activity, kinetics and kinematics were recorded as subjects performed unperturbed and perturbed reaching movements to targets located in multiple directions while standing. Feedforward postural control strategies preceding and accompanying the reaching movements were quantified. Characterization of the spatial and temporal patterns of muscle activity and ground reaction forces of postural adjustments preceding reach movements revealed that muscle activity was directionally-tuned to reach direction and forces that were constrained to two principal directions. Also, muscle synergies were able to explain the spatial and temporal variability in postural muscle activity in the period preceding the reaching movements, suggesting that a modular organization of muscle recruitment is adopted for this task. Overall, these strategies are similar to those observed for feedback postural responses, suggesting that the CNS relies on shared neural structures for controlling posture in both modes of control. Lastly, the nature of postural control was examined when reaching movements were perturbed with a shift of the visual target after the reaching movement was initiated. Here, muscle activity in the legs was consistently modulated prior to changes in the muscle activity related to the online correction of the arm trajectory.Taken together, the findings of this thesis provide important insights into how the brain coordinates the control of posture and movement. This work provides a measure of feedforward postural control strategies in healthy, young adults as a first step to understanding how and why deficits in balance control may occur during the execution of voluntary movements in fall-prone individuals.
Les mouvements volontaires effectués dans la position debout peuvent engendrer des perturbations de l'équilibre en raison de la structure complexe du système musculo-squelettique. Pour amorcer ces perturbations et s'assurer que l'équilibre est maintenu, le système nerveux central (SNC) amorce le déplacement du centre de masse (CM) par la mise en jeu d'ajustements posturaux avant et accompagnant les mouvements programmés en mode proactif (Massion 1992) en utilisant des représentations internes du corps et de l'environnement. À ce jour, la majorité des études portant sur le contrôle de la posture lors des mouvements volontaires chez l'homme ont comme but soit l'identification du rôle ou la caractérisation de la structure temporelle de ces ajustements posturaux anticipateurs. Cependant, une connaissance approfondie concernant l'organisation spatiale de l'activité posturale est manquante. De plus, ce n'est pas évident comment la posture est coordonnée lorsque le but du mouvement change après le commencement du mouvement. Ainsi, les études présentées ici ont comme but de répondre à ces questions pour développer une meilleure compréhension de l'organisation centrale de la posture et le mouvement. Les signaux électromyographiques, les forces de réaction au sol et la cinématique tridimensionnelle ont été enregistrés pendant que les sujets effectuaient des mouvements de pointage vers des cibles distinctes dans la position debout. Les stratégies posturales organisées en mode proactif ont été quantifiées sans pertubations et avect des pertubations visuomotrices des movements d'atteinte. La caractérisation de l'organisation spatiale et temporelle de l'éléctromyographie et des forces appliquées au sol ont révélé que l'activité des muscles était biaisée vers la direction de pointage ('directionally-tuned') mais que les forces au sol étaient appliquées dans un nombre de directions limitées ('force constraint strategy'). De plus, la variabilité spatiale et temporelle de l'activité des muscles posturaux était expliquée par les synergies musculaires. Ceci suggère qu'une organisation modulaire est utilisée par le SNC pour faciliter la tâche de contrôle de la posture. Ces stratégies sont similaires à celles observées pour les ajustements posturaux compensatoires (à base de 'feedback' ou rétroaction), ce qui suggère que le SNC dépend des mêmes structures neuronales pour contrôler la posture dans la mode proactif et rétroactif. Par la suite, la nature du signal pour le contrôle de la posture a été examinée lors des mouvements de pointage qui ont été perturbés avec un déplacement de la cible visuelle après que le mouvement ait été commencé. Ici, l'activité musculaire dans les jambes était modulée avant la modulation de l'activité musculaire liée à la correction de la trajectoire du bras. Ensemble, les conclusions de cette thèse fournissent un aperçu important sur la façon dont le cerveau coordonne le contrôle de la posture et du mouvement. Les résultats présentés supportent la conclusion que les commandes centrales pour la posture et le mouvement interagissent dans le SNC, et que les structures neuronales sont partagées pour la posture organisée de façon anticipatoire, ou proactif, et compensatoire. Les stratégies posturales typiques dans les jeunes adultes en santé sont quantifiées et forment une base de données pour la comparaison avec des gens sujets au déséquilibre lors de la performance des mouvements volontaires.

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Grabski, Krystyna. "Les cartes sensorimotrices de la parole : Corrélats neurocognitifs et couplage fonctionnel des systèmes de perception et de production des voyelles du Français." Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00753249.

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Abstract:

LES CARTES SENSORIMOTRICES DE LA PAROLE : Corrélats neurocognitifs et couplage fonctionnel des systèmes de perception et de production des voyelles du Français --- La parole est construite sur un jeu de correspondances entre représentations sensorielles et articulatoires, notamment lors de l'acquisition du langage les premières années de vie. Par l'utilisation de l'imagerie par résonance magnétique fonctionelle, l'objectif premier de nos travaux était de déterminer, chez l'adulte, un possible couplage fonctionnel des systèmes de perception et de production des voyelles du Français, considérées comme unités élémentaires de la parole. En parallèle, nos travaux devaient permettre de clarifier les structures cérébrales liées au contrôle moteur orofacial de mouvements simples supralaryngés et, à l'aide de la technique de stimulation magnétique transcrânienne, de déterminer une possible implication causale des régions sensorielles et motrices lors de la perception de la parole. Nos travaux ont permis de souligner l'implication des régions sensorielles et motrices aussi bien lors de la réalisation des gestes orofaciaux que lors de la production et de la perception des voyelles. La mise en évidence d'un effet d'adaptation pour ces régions motrices, auditives et somatosensorielles lors de l'écoute ou de la réalisation répétée d'une même voyelle ou d'un même geste suggère de plus l'existence de boucles sensorimotrices communes, impliquées dans des mécanismes adaptatifs de contrôle en ligne des gestes de parole perçus et produits. Enfin, nous avons pu démontrer le rôle causal et fonctionnel des régions sensorielles et motrices de la voie dorsale lors de la catégorisation de sons de parole. Pris ensemble, nos travaux soulignent la nature distribuée sensorimotrice des représentations cérébrales des unités de parole. Mots clés: perception et production de la parole, voyelles, contrôle moteur orofacial, interactions sensorimotrices, représentations et cartes neurocognitives, IRMf, TMS.

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Wee, Caroline Lei. "Neuromodulatory Control of Motivated Behavior in the Larval Zebrafish." Thesis, Harvard University, 2016. http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:33493507.

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Abstract:

An animal’s behavior is strongly influenced by homeostatic drives that are crucial for survival and reproduction, such as the drive to eat, or to escape from harmful threats. In vertebrates, an evolutionarily ancient brain structure, the hypothalamus, is particularly important for coordinating these essential survival functions. Here, I leverage the simple and transparent brain of the vertebrate larval zebrafish to dissect the conserved hypothalamic networks that regulate appetite and defensive behaviors, focusing on how these overlapping circuits interact with and influence each other. By using an unbiased brain-wide activity mapping approach, I pinpoint hypothalamic oxytocin (OXT) neurons as a key hub for the control of defensive behaviors against pain. I show that OXT neurons integrate multiple noxious stimuli, in particular input from TRPA1 damage-sensing receptors, to drive pain avoidance behavior via co-release of OXT and glutamate in the hindbrain and spinal cord. Furthermore, OXT neurons can also integrate information about the animal’s social context to control appetite, a separate homeostatic drive. These findings provide insight into how a single neuromodulatory circuit can exert flexible, context-dependent control over diverse social and non-social behaviors. To further probe the hypothalamic networks controlling appetite, I have utilized whole-brain activity mapping to identify hypothalamic neural populations encoding hunger and satiety. My results indicate that, similar to mammals, medial and lateral regions of the hypothalamus show anti-correlated activity patterns, which likely regulate distinct phases of appetite. In hungry fish, medial hypothalamic nuclei report an energy deficit, whereas more lateral regions may be involved in voracious eating. I demonstrate that one medial hypothalamic population, the serotonergic caudal periventricular hypothalamus, is an important regulator of lateral hypothalamic (LH) activity and food intake, and a separate serotonergic population, the superior raphe nucleus, is important for regulating food intake during satiety, also via the LH, but is dispensable during hunger. Thus, by dissecting serotonin circuit function in the context of other hypothalamic feeding networks, I show how a single neuromodulator can control food intake in a satiation state-dependent manner. Overall, these studies provide insights into the underlying evolutionary principles and logic governing hypothalamic function, and demonstrate how diverse neuromodulatory circuits in the hypothalamus and beyond can exert state-dependent control over an animal’s most primitive, yet essential, survival drives.
Biology, Molecular and Cellular

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Roca-Lapirot, Olivier. "Etude des réseaux neuronaux impliqués dans les contrôles descendants inhibiteurs de la douleur." Clermont-Ferrand 1, 2009. http://www.theses.fr/2009CLF1DD02.

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Abstract:

Les contrôles inhibiteurs diffus induits par stimulation nociceptive (CIDN) sont de puissants contrôles endogènes de la douleur et modulent l'activité nociceptive des neurones spinaux et trigéminaux. Les CIDN sont sous-tendus par une boucle indiquant des structures supra-segmentaires. Dans notre étude, les CIDN sont mesurés aussi bien chez le rat anesthésié, par l'inhibition de l'activité neuronale trigéminale induite par une stimulation nociceptive hétérotopique, que chez le rat vigil, par la réduction de la réponse de grattage à l'injection faciale de formol induite par une contre-irritation au formol injecté sur une patte postérieure. Dans ce travail, nous avons tout d'abord évalué l'implication de l'une des voies ascendantes nociceptives majeures, la voie NK1-spino-parabrachiale, dans les CIDN. Ensuite, étant donné la relation existant entre la régulation cardiovasculaire et la sensibilité à la douleur, nous avons voulu savoir si le niveau de CIDN dépendait de celui de la pression artérielle (PA). Enfin, après les études antérieures, montrant l'implication des systèmes sérotoninergique et noradrénergique dans les contrôles descendants inhibiteurs de la nociception, nous avons étudié l'implication du système dopaminergique dans (i) le contrôle de la nociception trigéminale et (ii) la voie descendante des CIDN. Ces hypothèses ont été testées par des apporches comportementales, électrophysiologiques et anatomiques (immunocytochimiques). Nos résultats montrent que l'activation des neurones de l'aire parabrachiale latérale (PBI), est impliquée dans le développement des CIDN, suggérant ainsi que la PBI est impliquée dans la voie ascendante des CIDN, ensuite, nous avons montré que la réduction de la PA, induite par un libérateur de NO, le sodium nitroprusside, induit une réduction des CIDN. Dans la troisième partie, nous avons montré que la modulation dopaminergique de la nociception trigéminale dépendait de l'activation des récepteurs D2 situés dans les couches superficielles du sous noyau caudal du trijumeau. Nous avons montré que ce noyau recevait des projections directes du noyau dopaminergique A11, dans l'hypotalamus, et que l'inhibition de ce dernier conduisait à la potentialisation du champ synaptique de type C au niveau trigéminal. Enfin, nos résultats ont montré que la voie descendante des CIDN dépendait de l'activation des récepteurs D2 du noyau A11 hypothalamique. En conclusion, ces résultats suggèrent que (i) la voie ascendante des CIDN implique l'activation des neurones NK1 de la corne dorsale et des neurones de la PBI, (ii) le développement des CIDN dépend de l'intégration des messages cardiovasculaires et (iii) les projections dopaminergiques provenant du noyau A11 vers le noyau trigéminal sont impliquées dans le contrôle de la nociception trigéminale et la voie descendante des CIDN
Diffuse noxious inhibitory controls (DNIC) are very powerful long-lasting descending inhibitory controls which are pivotal in modulating activity of spinal and trigeminal nociceptive neurons. The principal feature of DNIC is that they are subserved by a loop that involves supraspinal structures. In our study, DNIC were measured as in the anesthetized rat by the inhibition of nociceptive activity of trigeminal neurons induced by heterotopic noxious stimulation, as in the awake rat by the decreaseof rubbing response to facial formalin during heteropic noxious stimulation induced by hindpaw formalin injection. The first aim of this study was to evaluate the involvement of one of the main nociceptive ascending pathway. NK1- spino-parabrachial, in DNIC. Then, due to relationship between cardiovascular regulation and pain sensitivity, we wanted to know whether DNIC level is dependant on the arterial blood pressure (ABP level. Finally, given that descending inhibitory controls of pain are sustained at least in part by the early-studied serotonergic and noradrenergic system we wanted to study the involvement of the dopaminergic system, in (i) the control of trigeminal nociception, and (ii) the descending pathway of DNIC. All these hypotheses were tested by mean of behavioral; electrophysiological and anatomical (immunocytochemical) approaches. Our results first demonstrated that the activation of NK1-expressing dorsal horn neurones and lateral parabrachial area (LPB) neurones partly sustained the development of DNIC, suggesting that the LPB was specifically involved in the ascending pathway of DNIC. Secondly, we showed that tonic decrease of arterial blood pressure induced by a NO deliver, sodium nitroprusside, led to a significant decrease of DNIC. Thirdly, we showed that the dopaminergic modulation of trigeminal niciception was D2 receptor-dependant, and superficial laminae-specific. We showed that spinal trigeminal nucleus received direct projections from the hypothalamic, A11 dopaminergic nucleus, and that its inhibition induced a potentiation of the C-fiber-evoked trigeminal synaptic field. Finally, we showed that the descending pathway of DNIC was dependant on the A11 nucleus D2 receptors activation. To onclude, this study suggest that (i) ascending pathway of DNIC involves NK1-expressing dorsal horn and LBP neurones activation, (ii) DNIC development depends on cardiovascular signals integration, and (iii) A11 to trigeminal nucleus dopaminergique projections are involved in both control of trigeminal nociception and descending pathway of DNIC

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Venugopalan, Viswanath. "Compulsion and control: prefrontal and mesolimbic systems in human addiction." Thesis, McGill University, 2011. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=103490.

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Abstract:

Introduction: Addiction to drugs is a chronic disorder characterized by loss of control over substance use despite adverse personal consequences. Addiction can be conceived as the point where drug use is no longer under volitional control and, becomes characterized by compulsive seeking and taking. Drugs of abuse are believed to target two systems thought to be critical for adaptive behaviour, 1) a goal-oriented system relying on prefrontal cortex activity to exert control over behaviour and 2) a motivation system supported by mesocorticolimbic dopamine transmission. These systems are thought to be subverted in addiction. Interestingly, there is a subset of long-term drug users, 'chippers', who, despite considerable exposure to drug, do not manifest the hallmark loss of control or exaggerated drive for drugs that typifies addicted users. To better understand whether prefrontal function, motivation or both distinguish 'chippers' from addicted individuals, we conducted the follwing experiments. Methods: We first examined the effects of lowering dopamine synthesis on motivation to smoke both nicotine-containing and denicotinized cigarettes in three groups of smokers: (i) low-frequency smokers who have smoked for no more than a year, (ii) low-frequency smokers who have stabilized at this level for at least 3 years, and (iii) high-frequency smokers. Next we used a neurocognitive battery testing regional aspects of prefrontal function in low- vs. high-frequency smokers while sated and following an 18 h abstinence period. Finally we examined the effects of lowering dopamine synthesis on regional prefrontal function. Results: 1) All smokers worked for more nicotine-containing cigarettes than de-nicotinized ones. 2) High-frequency smokers worked for more nicotine-containing cigarettes compared to low-frequency smokers. 3) Lowering dopamine synthesis reduced the self-administration of nicotine-containing cigarettes in all three smoker groups and did so without influencing conscious craving or pleasure. 4) Low-frequency smokers were better than high-frequency smokers at inhibiting an on-going motor response indicated by lower stop signal reaction time, consistent with dysfunction in lateral or dorsomedial prefrontal cortex. 5) Overall, lowering dopamine synthesis did not affect executive function. However, post-hoc analyses revealed that the personality trait of novelty seeking, a hypothesized proxy for baseline dopamine function, predicted changes in executive function subsequent to lowered dopamine synthesis. Using this approach, we discovered that lowering dopamine synthesis altered attentional biases to smoking cues as measured by the smoking Stroop in a pattern consistent with an inverted 'U' relationship between dopamine and performance. Conclusion: These data suggest the following. i) Dopamine transmission is involved in the motivation to smoke nicotine-containing cigarettes, and this role persists across stages of tobacco use and addiction. ii) Response inhibition mediated by dorso-medial prefrontal cortex and right inferior frontal gyrus distinguishes low- from high-frequency smokers. This group difference might influence the ability to restrict smoking, and protect low-frequency smokers from addiction. iii) No group-wise differences in prefrontal function were observed following reduction of dopamine synthesis. However, post-hoc analyses revealed that the personality trait of novelty-seeking, used as a proxy for baseline dopamine reactivity, predicted the effect of reduced dopamine synthesis on a task measuring attention to smoking cues according to an inverted 'U' function. Together, these studies add to our understanding of the role of dopamine in maintaining motivation to obtain nicotine-containing cigarettes, the neurobiological differences between low- and high-frequency smokers and the role of individual differences in personality traits in predicting the effects of dopamine manipulation on task performance.
Introduction : La toxicomanie est un trouble complexe, chronique et qui revient, caractérisée par une perte de contrôle sur la consommation de drogues malgré la menace très réelle de se faire du mal. C'est le point où l'utilisation de drogues n'est plus volontaire mais caractérisée par la recherche et prise de drogues compulsives. La transition à la toxicomanie serait le résultat de changements à des circuits neuronaux induits par la drogue. Le système de la dopamine (DA) méso-cortico-limbique est impliqué dans le motivation, le renforcement et la modulation du contrôle exécutif et le cortex préfrontral (CPF) est impliqué dans le contrôle exécutif. Durant la progression à la toxicomanie, des adaptations à ces systèmes 1) érodent la capacité de résister à la prise de drogues, et 2) exagèrent la saillance encourageante de la drogue et des stimuli associés aux drogues. Ce qui est intéressant c'est que l'exposition à la drogue ne mène pas nécessairement à la toxicomanie. Un sous-ensemble de consommateurs de drogues, les « chippers », ne manifestent pas la perte de contrôle typifiant les toxicomanes. Qu'est-ce qui protège ces gens contre la toxicomanie? Ce qui est remarquable c'est que les différences neurobiologiques des circuits neuraux de la motivation et du contrôle qui distinguent les toxicomanes des chippers n'ont pas encore été étudiées de manière systématique. Méthodes : Nous avons mesuré l'effet d'une manipulation de la DA sur la motivation de fumer et le biais de l'attention vers les stimuli associés à l'action de fumer et sur les tâches qui jaugent la fonction exécutive, contrôlée par le CPF, chez (i) les fumeurs à basse fréquence qui fument depuis un maximum de un an (FBF), (ii) les fumeurs à basse fréquence qui se sont stabilisés à ce niveau pour au moins trois ans (FBFS), et (iii) les fumeurs à haute fréquence stables (FHF). Les résultats principaux sont les suivants. Résultats: 1) Baisser la synthèse de la DA a diminué la consommation de cigarettes contenant de la nicotine chez les 3 groupes de fumeurs mais n'a pas eu d'effet sur le goût conscient ou le plaisir de fumer. 2) Tous les fumeurs ont travaillé plus pour des cigarettes contenant de la nicotine que pour celles qui n'en contenaient pas. 3) Les FHF ont aussi plus travaillé pour les cigarettes avec nicotine que les FBF et FBFS. 4) Les FBF/FBFS étaient meilleurs que les FHF à une tâche consistant d'empêcher une réponse motrice en cours, jaugée par le temps de réaction suivant un signal d'arrêt, un modèle de déficience déjà observé chez les patients avec des lésions focales au CPF latéral et dorso-médial. 5) En général, la déplétion aigue de phénylalanine et tyrosine (DAPT) n'a pas eu d'effet sur la fonction exécutive (FE). Par contre, des analyses post-hoc ont démontré que la recherche de la nouveauté (RN), un index que l'on croit représenter la fonction DA de base, prédisait les changements à la FE induite par la DAPT. En utilisant cette approche, nous avons découvert qu'en accordance avec une fonction « U » inversée, la DAPT modifie les biais de l'attention vers les stimuli associés à l'action de fumer, mesurés par le Stroop de la cigarette. Conclusion: En résumé, l'inhibition de réponses contrôlées par un réseau du CPF dorso-médial/gyrus inférieur droit, distingue les chippers de tabac des FHF. Ceci peut être perçu comme étant un facteur clé contribuant à la capacité de restreindre son habitude de fumer, protégeant ainsi les chippers de tabac contre la progression à la dépendance aux drogues. Nous présentons donc de nouvelles données qui ajoutent à notre compréhension des différences neurobiologiques qui séparent les fumeurs à basse et haute fréquence, et du rôle de la DA dans le maintien de la motivation d'obtenir des cigarettes avec nicotine. Ces données pourraient être utiles pour concevoir des interventions mieux ciblées pour les fumeurs.

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Jayaraman, Divya. "The role of centriole biogenesis in control of brain size." Thesis, Harvard University, 2015. http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:23845435.

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Abstract:

Mutations in several genes that encode centrosomal proteins dramatically decrease the size of the human brain, which is the largest in the primate lineage, but how the proteins encoded by these microcephaly (‘small brain’) genes interact in a cellular process is poorly understood. The centrosome is the main microtubule-nucleating organelle in animal cells and consists of two centrioles, which duplicate once per cell cycle. Asymmetric inheritance of centrosomes may be critical to the maintenance of stem cells but the mechanism is controversial. In this dissertation, I characterize the functions of ASPM and WDR62, the two most common genetic causes of primary microcephaly, in centriole biogenesis and neocortical development, using in vivo loss-of-function studies in the mouse, combined with biochemical and cell biological approaches. Here, I show that WDR62 and ASPM encode proteins that localize to the mother centriole, interact physically, control a common cellular function, and interact genetically to control brain size in mice. Whereas mice lacking either Wdr62 or Aspm are microcephalic but viable, mice lacking both are embryonically lethal, and heterozygous mutation in either gene enhances the phenotype of mutations in the other, suggesting a genetic interaction between Wdr62 and Aspm. Mass spectrometry analysis of the WDR62 interactome identified ASPM as a binding partner of WDR62, which was confirmed by co-immunoprecipitation. Mouse embryonic fibroblasts (MEFs) deficient in Wdr62, Aspm or both show similar defects in centriole duplication, with the severity of the cellular defect proportional to the severity of the microcephaly. This defect in centriole duplication was also confirmed in situ in the developing mouse brain by crossbreeding with a GFP-Centrin reporter line. WDR62 is required for centrosomal localization of ASPM and other microcephaly-associated proteins. Loss of Wdr62 causes a reduction in centrosomes and cilia, as well as a premature dissociation of ciliary membrane remnants from centrosomes during neurogenesis, resulting in a precocious generation of basal progenitors at the expense of apical progenitors. Together, these results reveal previously unknown functions of, and interactions between, WDR62 and ASPM in centriole biogenesis and neocortical development. Microcephaly genes may thus cooperate in ensuring centriole duplication, maintaining adequate numbers of centrosomes, cilia and apical progenitors during neurogenesis, and regulating brain size.
Medical Sciences

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Keen, Douglas Andrew. "Neural and muscular control of the human extensor digitorum muscle." Diss., The University of Arizona, 2002. http://hdl.handle.net/10150/280191.

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Abstract:

The human hand has incredible dexterity which depends, in large part, on the ability to move the fingers relatively independently. Interestingly, many of the primary finger flexor and extensor muscles possess a single belly that gives rise distally to multiple tendons that insert onto all the fingers and consequently might produce movement in all of the fingers. Therefore, the objective of this dissertation was to examine the neuromuscular organization of a multi-tendoned finger extensor muscle, the human extensor digitorum (ED). Initially, we found that ED spike-triggered average motor unit force was broadly distributed across the digits. Consequently, we hypothesized that linkages between the distal tendons of ED may cause force developed in a single compartment to be transmitted to neighboring tendons. However, force arising from intramuscular stimulation was fairly focused to a single digit suggesting that inter-tendonous connections account for little of the broad distribution of motor unit force. An alternative possibility was that our spike-triggered averages of motor unit force were contaminated by correlated activity among motor units residing in different compartments. Strong motor unit synchrony was found for motor unit pairs within compartments and a modest degree of synchrony for motor unit pairs in neighboring compartments which likely contributed to the appearance of spike-triggered average motor unit force on multiple fingers. These results suggest that last-order synaptic projections appear to supply predominantly sub-sets of motor neurons innervating specific finger compartments of ED but also branch to supply motor neurons innervating other compartments. Finally, single motor axons branch to innervate muscle fibers situated in multiple compartments of ED. Interestingly, force resulting from intraneural micro stimulation of single motor axons innervating ED was highly focused to a single digit. Therefore, it appears that the muscle fibers innervated by a motor axon are primarily confined to one of four distinct compartments of ED. Based on these experiments we believe that each finger is acted upon by ED through a discreet population of motor units. Consequently, extension of an individual finger would require the selective activation of motor neurons innervating a specific compartment of ED.

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Lee, Andrew Moses. "Neural circuit for locomotor control, brain state modulation, and decision-making." Thesis, University of California, San Francisco, 2013. http://pqdtopen.proquest.com/#viewpdf?dispub=3599392.

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Abstract:

Locomotion is a behavior essential for survival. It is important for guiding goal-directed approach towards desired outcomes and avoidance of aversive stimuli. To this end, a large number of processes in the brain are both regulated by and serve to inform the locomotor behavior of animals. Here, we attempt to define the neural circuits underlying locomotor control, the associated changes that locomotion has upon brain states, and the neurobiological basis of locomotor decisions. In Chapter 1, we describe what is known regarding the neural circuits guiding locomotor behaviors. We provide background also regarding the known mechanisms that guide changes in brain states and are associated with locomotion. We then touch upon recent literature attempting to understand how information is used to guide decision-making to better understand the specific problem of how locomotor decisions are made. In Chapter 2, we then present novel findings, identifying brainstem circuits that control locomotion and concurrently regulate visual processing of information in the cortex through the basal forebrain. These findings may apply to other networks beyond the visual system and form a general mechanism by which various brain regions are modulated by behavioral state. In Chapter 3, we demonstrate that these brainstem circuits are under the regulation of the basal ganglia. These studies identify a conserved, phylogenetically ancient pathway for guiding locomotion that may exist in all vertebrates and represent one of the earliest functions of the basal ganglia system. In chapter 4, we leverage our understanding of the basal ganglia pathways for locomotor control to understand the processes of goal-directed decision-making. In chapter 5, we find that the ventral striatal shares a parallel organization to the dorsal striatum for implementing reinforcement learning to guide future locomotor decision-making. These studies into the basis of goal-directed locomotor behaviors may elucidate general principles for decision-making. Collectively, these results demonstrate control systems for locomotion are deeply interconnected with a diverse array of processes throughout the brain that guide goal-directed locomotor behaviors.

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Johnson, Otto Luke Ross. "Physiological and anatomical control of burst firing in the substantia nigra." Thesis, University of Oxford, 1998. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.268205.

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Murphy, Alexander James. "RNA and Protein Networks That Locally Control Brain Wiring During Development." Thesis, Harvard University, 2015. http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:17467385.

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Abstract:

The molecular machineries of growth cones control the formation of neural circuits in the developing brain. Although great progress has been made in elucidating axon guidance cues and their growth cone receptors, we still lack an understanding of the projection-specific RNA and protein networks in growth cones that likely control the wiring of specific circuits in vivo. To understand how specific projection neurons make wiring decisions, I focus on callosal projection neurons (CPN), which connect the two cerebral hemispheres through the corpus callosum. I developed an approach to profile and quantify the full-depth transcriptomes and proteomes of CPN growth cones and their parent cell bodies isolated in vivo. Using this comparative approach, I uncover general patterns of RNA and protein subcellular localization, with several previously unrecognized features, that might control the wiring of specific brain circuits. First, while most transcripts are expressed at similar levels in cell bodies and growth cones, a select subset are more than 10-fold enriched in growth cones compared to cell bodies, indicating active localization of those transcripts to the growth cone. By then correlating transcriptomic and proteomic data, I characterize the spatial relationship between coding transcripts and their encoded proteins. Intriguingly, many of the growth cone-enriched transcripts are noncoding RNA with unknown function. Further, growth cones appear to have distinct ribosomes. These ribosomes lack several large subunit proteins, raising the intriguing possibility of growth cone-specific translational mechanisms for selective mRNA expression. This approach is readily adaptable to other projection types in the brain, enabling high-throughput, quantitative investigation of RNA and protein controls over circuit development and, potentially, the regeneration of damaged circuitry. In addition, the approach is scalable to include epigenetic profiling, enabling full investigation of DNA, RNA, and protein networks that collectively coordinate brain wiring during development. The insights derived from this approach exemplify its capacity to quantify and characterize the molecular and translational mechanisms that control specific brain wiring at the subcellular level in vivo.
Medical Sciences

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Milstein, Aaron D. "Control of excitatory synaptic strength by auxiliary subunits of AMPA receptors." Diss., Search in ProQuest Dissertations & Theses. UC Only, 2009. http://gateway.proquest.com/openurl?url_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info:ofi/fmt:kev:mtx:dissertation&res_dat=xri:pqdiss&rft_dat=xri:pqdiss:3359580.

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Van, Horn Marion. "Vergence eye movements redefined: the neural control of fast versus slow vergence." Thesis, McGill University, 2011. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=96671.

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Abstract:

Seeing in 3D relies on the fact that our two eyes are spaced slightly apart. As a result, when our eyes are aligned on an object each eye has its own, slightly different view of the world. Information about relative depth is sent from visual cortex to the motor control centers in the brainstem, which are responsible for generating appropriate motor commands to move the eyes. Surprisingly, how the neurons in the brainstem use the depth information supplied by visual cortex to precisely aim each eye on a visual target remains highly controversial. This thesis investigates how individual neurons control the movement of each eye when we look between objects located at different depths. I first studied the signals encoded by individual oculomotoneurons during conjugate and disconjugate saccades and evaluated the role the antagonist muscle plays in accurate binocular positioning. I found that a first-order model (containing eye position and velocity terms) provided an adequate description of the neural discharges of oculomotoneurons during conjugate saccades. However, during disconjugate saccades I found the conjugate sensitivities could not be used to predict the responses during disconjugate saccades. Instead, the majority of the neurons preferentially encoded the movement of the ipsilateral eye. I next studied the signals carried by saccadic burst neurons during conjugate and disconjugate saccades. I first showed that the majority of the saccadic burst neurons dynamically encode the movement of the ipsilateral eye during the fast saccadic component of a movement. Moreover, using a neural simulation I found that the saccadic burst generator carries all the vergence drive necessary to shape the activity of the abducens motoneurons to which it projects. These results are consistent with the proposal that classically assumed "conjugate" saccadic structures in the oculomotor brainstem underlie vergence facilitation by providing monocular saccadic commands to the abducens during disconjugate saccades and a separate vergence pathway is used to adjust ocular alignment following the saccadic component of the movement. Subsequently, I tested the prediction that if the monocular commands issued by saccadic burst neurons are important for facilitating vergence velocities during horizontal saccades, they should also contribute to facilitating vergence associated with a vertical saccade when the conjugate component of the movement is negligible. As predicted, I found that saccadic burst neurons are also well suited for facilitating vergence during vertical saccadic movements. In particular, saccadic burst neurons contribute to generating increased vergence velocities by dynamically encoding the movement of an individual eye rather than the conjugate component of the movement.Finally, I used single unit recording and microstimulation techniques to investigate the role the superior colliculus plays in generating vergence eye movements. I provide evidence that individual neurons within the rostral SC encode slow changes in vergence angle. These results suggest that there exists a distinct grouping of neurons that encode slow vergence within the rostral SC and indicate that activation of the rostral SC underlies the ability to accurately position each of the two eyes when fixating targets in 3-dimensional space to ensure stereopsis.Taken together, my findings provide important new insight into how the brain controls 3-dimensional gaze shifts. I provide evidence that distinct neural pathways control fast and slow vergence. These results contradict the traditional view that the brain is circuited with independent pathways for conjugate and vergence control and suggest the need to update textbooks and review articles to emphasize the physiological differences between the neural circuitry controlling fast and slow vergence.
Voir en 3D se fonde sur le fait que nos deux yeux sont espacés légèrement l'un de l'autre. En conséquence, chaque œil a sa propre vision différente du monde lorsque nos yeux s'alignent sur un objet. L'information recueillie sur la profondeur relative est envoyé du cortex visuel aux centres moteurs du tronc cérébral qui sont responsables des commandes motrices appropriées pour le mouvement des yeux. Cependant, la manière avec laquelle les neurones du tronc cérébral emploient l'information de profondeur fournie par le cortex visuel pour viser chaque œil sur un objectif visuel avec précision reste fortement controversée. Cette thèse étudie comment les différents neurones commandent le mouvement de chaque œil lorsque nous regardons des objets localisés à profondeurs différentes.Pour commencer, j'ai étudié les signaux produits par différents neurones oculomoteurs lors des saccades conjuguées et disconjuguées et j'ai évalué le rôle des muscles antagonistes sur la précision du positionnement binoculaire. J'ai constaté que le modèle de premier ordre décrit adéquatement les décharges neuronales des neurones oculomoteurs lors des saccades conjuguées. Cependant, j'ai trouvé que les sensibilités conjuguées ne peuvent pas être employées pour prévoir les réponses des saccades disconjuguées lors de ces dernières. Au lieu de cela, la majorité des neurones préfèrent le codage de la direction de mouvement de l'œil ipsilatéral. Par la suite, j'ai étudié les signaux portés par les neurones phasiques lors des saccades conjuguées et disconjuguées. J'ai montré que la majorité des neurones phasiques codent dynamiquement le mouvement de l'œil ipsilatéral. En plus, j'ai constaté que le générateur de la saccade déchargeant en bouffée porte toute la commande de vergence nécessaire pour former l'activité des neurones moteurs de l'abducens auxquels ils projettent. Ces résultats correspondent au modèle qui a classiquement supposé que les structures de saccades « conjuguées » du tronc cérébral oculomoteur sont à la base de la facilitation de vergence en fournissant les commandes monoculaires de saccades aux noyaux d'abducens lors des saccades, alors qu'une voie séparée est employée pour l'ajustement de l'alignement oculaire suite aux composantes saccadiques du mouvement. Par la suite, j'ai examiné la prévision qui si les commandes monoculaires initiées par les neurones phasiques sont importantes pour faciliter les vitesses de vergence lors des saccades horizontaux, alors qu'ils devraient également contribuer à faciliter la vergence lié aux saccades verticales lorsque les composantes conjuguées du mouvement sont négligeables. J'ai constaté que les neurones phasiques sont également bien adaptés pour faciliter la vergence pendant les mouvements oculaire de saccades verticales. En dernier, j'ai employé la configuration d'électrode simple pour l'enregistrement et des techniques de microstimulations pour étudier le rôle du colliculus supérieur (SC) dans les mouvements oculaires de vergence. J'ai fourni l'évidence que les différents neurones dans le SC rostral codent pour les changements d'angle de vergence. Ces résultats suggèrent qu'il existe au niveau du SC rostral, un groupe de neurones qui encodent les mouvements de vergence lent. L'activation du SC rostral montre la capacité à positionner précisément chacun des yeux lors d'une fixation de cible dans l'espace en 3-dimensions dans le but d'assurer la stéréoscopie. Dans l'ensemble, je démontre qu'il existe des circuits neuronaux distinctifs pour le contrôle des mouvements de vergence rapides et lents. Ces résultats sont contradictoires avec la vision traditionnelle du cablage du cerveau avec des réseaux indépendants pour le contrôle des mouvements conjugués et de vergence.

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Hennessy, Morgan Lorraine. "Function-Specific Serotonergic Neurons in the Control of Breathing and Body Temperature." Thesis, Harvard University, 2015. http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:23845412.

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Abstract:

The control of respiration and body temperature involves neural circuits within the brainstem modulated by the neurotransmitter serotonin (5HT), though it is unclear precisely which serotonergic neurons are critical to these functions. Recent work from our laboratory and others has demonstrated considerable heterogeneity among serotonergic neurons – in their projection targets, expressed genes, and developmental origin – which we hypothesize reflects the subserving of distinct functions by distinct serotonergic neuron subtypes. More specifically, our laboratory has parsed molecular subtypes of serotonergic neurons by their co-expression of the pan-serotonergic gene Pet1 along with a marker gene. When partnered with intersectional genetic tools, selective access to each subtype for functional study is enabled. Through application of these tools, we have identified a subtype of serotonergic neuron, designated the Egr2-Pet1 subtype, which modulates the CO2 breathing reflex and projects to CO2 chemosensory brain centers. Here, we describe a new molecular subtype of serotonergic neuron, defined by Tachykinin 1 (Tac1) expression, that projects to respiratory motor nuclei. Upon silencing the Tac1-Pet1 subtype, we show that it, too, modulates the CO2 breathing reflex, but presumably by affecting respiratory motor output. Thus, two discrete subtypes of serotonergic neurons modulate breathing: one involved in sensory processing and the other involved in motor output, reflecting an unexpected division of serotonergic labor along the motor-sensory axis. In parallel, we tested the contribution of serotonergic neuron subtypes to body temperature modulation, as we have previously shown that en masse acute silencing of serotonergic neurons leads to hypothermia. We provide evidence that serotonergic neurons within the median raphe and raphe pallidus may contribute to this task. In these studies, we manipulated serotonergic neuron activity via hM4Di-mediated hyperpolarization using the intersectional allele RC::FPDi, for which parameters were optimized and defined. In summary, we have identified molecularly and functionally distinct subtypes of serotonergic neurons necessary for normal homeostatic regulation. Results may shed light on homeostatic disorders involving 5HT, such as sleep apnea and sudden infant death syndrome, as well as inform strategies for potentially minimizing homeostatic side effects of present 5HT-affecting therapeutics.
Medical Sciences

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Choe, Katrina. "Effect of chronic hypernatremia on osmoreceptor and baroreceptor control of supraoptic neurons." Thesis, McGill University, 2013. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=119478.

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Abstract:

High consumption of dietary salt is prevalent in our society today and has been linked to pathologies such as salt-sensitive hypertension. The mechanism by which high salt causes increases in blood pressure remains unclear. Vasopressin (VP) is a neurohypophyseal hormone proposed to be involved in the etiology of salt-sensitive hypertension, because (i) high plasma sodium following dietary salt consumption triggers its release and (ii) a sufficiently high circulating concentration of the hormone can cause vasoconstriction. Two factors have been identified to have a major inhibitory influence over VP release – hypoosmolality and baroreceptor activity. Taurine release from astrocytes triggered by hypoosmolality is thought to mediate an inhibitory tone on glycine receptors (GlyRs) present extrasynaptically in VP neurons, and presynaptic GABA release triggered by baroreceptor activation has been well-established to synaptically inhibit the activity of VP neurons via GABAA receptors. In rats, chronic hyperosmolality induces concurrent rises in plasma sodium and blood pressure. Interestingly, this condition is reported to cause several alterations in the supraoptic nuclei (SON) housing VP neurons, which may have a profound impact on the inhibitory mechanisms of these neurons. First, a collapse in the chloride gradient of SON neurons is observed during chronic hyperosmolality, potentially abolishing both GlyR- and GABAA receptor-mediated inhibitory inputs known to rely on the ionic gradient. Second, it is well-established that chronic hyperosmolality induces a retraction of astrocytic processes away from neurons in the SON, possibly removing all forms of communications between these two cell types including the hypothesized taurine-mediated GlyR tone. In this thesis, we tested the hypothesis that both types of inhibition in the SON are abolished as a result of these chronic hypernatremia-related changes, and the resulting lack of inhibition may contribute to a hyperexcitation of SON neurons and a consequent VP-mediated increase in blood pressure. We first present what we believe is conclusive evidence proving that taurine release from astrocytes is responsible for the hypoosmolality-sensitive GlyR tone on VP neurons, and further demonstrate the disappearance of this inhibition after chronic hypernatremia. We next demonstrate the effect of chronic hypernatremia on the morphology of SON astrocytes and how it impacts their physical and functional interactions with VP neurons. We then show that baroreceptor inhibition of VP neurons is also abolished under these conditions due to a collapse in the chloride gradient of these neurons. Finally, we show that the resulting removal of inhibition from both synaptic and glial sources contribute to increased excitability of VP neurons and thus induces a high level of circulating VP, which triggers systemic vasoconstriction and elevates blood pressure. In conclusion, we offer a central mechanism in which VP may contribute to the development and maintenance of salt-sensitive hypertension and raise its possibility as a potential treatment target.
La consommation excessive de sel alimentaire est un phénomène répandu dans notre société et elle mène à plusieurs pathologies telles que l'hypertension sensible au sel. Le mécanisme par lequel une forte teneur en sel entraîne une augmentation de la pression artérielle demeure incertain. La vasopressine (VP) est une hormone neurohypophysaire que l'on croit être impliquée dans l'étiologie de l'hypertension sensible au sel. En effet, suite à une consommation de sel, il y a une augmentation de sodium plasmatique qui déclenche l'excrétion endocrine de VP et qu'une concentration suffisamment élevée de cette hormone dans le plasma sanguin peut provoquer une vasoconstriction. La libération de VP est inhibée par hypoosmolalité et l'activité des barorécepteurs. Dans les neurones VP, l'activité basale inhibitrice et hypoosmo-sensible médiée par les récepteurs de la glycine (GlyRs) extrasynaptiques est supposée provenir de la taurine qui est libérée par les astrocytes avoisinants. De plus, le rôle des récepteurs GABAA a été bien établi pour l'inhibition des neurones VP par les barorécepteurs. Chez le rat, le traitement hyperosmotique chronique induit à la fois une hausse de sodium plasmatique et de la pression artérielle. Fait intéressant, ce traitement conduit à deux modifications dans les noyaux supra-optiques (SON) contenant ces neurones VP, qui peuvent profondément influer sur les mécanismes inhibiteurs de ces neurones. Tout d'abord, il y a un atténuation du gradient du chlore dans ces neurones, qui peut conséquemment inhiber les deux mécanismes qui s'appuient sur des canaux perméables au chlore. Deuxièmement, les astrocytes rétractent leur processus loin des neurones du SON, supprimant ainsi toutes communications entre ces deux types de cellules, y compris l'hypothèse concernant l'activité basale des GlyR médiée par la taurine. Dans cette thèse, nous avons testé l'hypothèse que ces deux types d'inhibition dans le SON sont abolis à la suite de ces deux changements induit par l'hypernatrémie chronique, et que l'absence d'inhibition qui en résulte peut contribuer à une hyperexcitation des neurones du SON et donc à une augmentation de la pression artérielle médiée par la VP. Nous démontrons tout d'abord que la libération de taurine à partir d'astrocytes est responsable de l'activité basale inhibitrice et hypoosmo-sensible médiée par les GlyRs sur les neurones VP et qu'il y a une disparition de cette inhibition après une hypernatrémie chronique. Nous démontrons ensuite l'impact de cette condition sur la morphologie des astrocytes et de leurs interactions avec les neurones VP. Nous démontrons ensuite que l'effet inhibiteur des barorécepteurs sur les neurones VP est également supprimé en raison de l'atténuation du gradient de chlore dans ces neurones. Enfin, nous montrons que la perte d'inhibition par les sources synaptiques et gliales, contribue à augmenter l'excitabilité des neurones VP, ce qui se traduit par une augmentation de la pression artérielle médiée en partie par une vasoconstriction systémique induite par la VP. En conclusion, nous proposons un mécanisme central dans lequel la VP peut contribuer au développement et au maintien de l'hypertension sensible au sel et à considérer sa possibilité comme une cible thérapeutique potentielle.

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Liu, Anita. "Brain regions involved in heading estimation and steering control in a virtual environment." Thesis, McGill University, 2013. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=117133.

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Abstract:

The brain regions required for judging heading direction and actively steering towards a goal could be damaged by stroke. Identifying the neural correlates responsible for goal-directed locomotion is important for the understanding of the mechanism underlying neuroplasticity and functional recovery. Past research shows that when we are walking through a texture-rich environment, we primarily use optic flow, a radially expanding pattern of motion, to accurately discriminate our heading direction and steer towards a goal. The purpose of this study was to investigate the different brain regions involved in heading discrimination and steering using an ecological virtual environment, mimicking most environments we walk through in everyday life. Fourteen participants (7 males, 7 females) took part in an fMRI study where their BOLD responses were measured while they completed a heading discrimination and active steering tasks using a joystick. A cluster level inference was conducted and clusters that were statistically significant above a threshold of Z=4 (p<0.01) were identified. This study investigated which brain regions display higher BOLD responses in the heading discrimination and steering task, independent of motor movements from joystick input. Consistent with previous studies, the bilateral intraparietal sulcus is involved in heading discrimination and bilateral posterior cerebellum was observed in the steering task. Further analysis revealed that the hMT+ and V2, the bilateral cerebellum, supplementary eye fields, premotor cortex, and supplementary motor area, displayed higher BOLD responses in the steering task than in the heading discrimination task. These results suggest that although heading discrimination involves a certain degree of sensorimotor integration and optic flow processing, steering is a more demanding task, requiring more brain regions to transform dynamic optic flow information into context-adapted motor responses.
L'indentification des régions du cerveau humain, requises pour juger la direction choisie et s'orienter activement vers notre but, pourrait aider à comprendre le fait que ceux qui ont eu un AVC ont des difficultés avec la locomotion orientée vers un but. Des études antérieures ont démontré que lorsque nous marchons dans un environnement avec des textures riches, nous utilisons principalement le flux optique, un modèle de mouvement d'expansion radiale, pour discerner avec précision la direction choisie et de se diriger vers une cible. Le but de cette étude était d'investiguer quelles régions du cerveau sont impliquées dans la discrimination et dans le contrôle de la direction (pilotage) en utilisant un environnement virtuel écologique qui ressemble à la plupart des environnements dans lesquels nous évoluons dans la vie quotidienne. Quatorze personnes (7 hommes, 7 femmes) ont participé à une étude de IRMf où leurs réponses BOLD ont été mesurées pendant qu'ils complétaient une tâche de discrimination et une tâche active de pilotage à l'aide d'une manette de commande, en réponse à des flux optiques de différentes directions. Une inférence de groupe a été réalisée et ceux statistiquement significatifs au-dessus d'un seuil de Z=4 (p<0.01) ont été identifiés. Cette étude portait sur les régions du cerveau qui ont affiché des réponses BOLD plus élevées dans les tâches de discrimination de la direction et de pilotage, indépendamment des réponses motrices associées aux mouvements de la manette de commande. Le sillon interpariétal (divisions antérieure et postérieure) a été impliqué bilatéralement dans la tâche de discrimination et une activation bilatérale du cervelet postérieur a été observée dans la tâche pilotage. D'autres analyses ont démontré que le complexe hMT+ et V2, des régions impliquées dans le traitement du flux optique, des régions bilatérales dans le cervelet, le cortex prémoteur et l'aire motrice supplémentaire présentaient des réponses BOLD plus élevées dans la tâche de pilotage que dans la tâche de discrimination. Ces résultats suggèrent que même si la discrimination de la direction implique un certain degré d'intégration sensorimotrice et de traitement du flux optique, le pilotage est une tâche plus exigeante nécessitant davantage de régions du cerveau pour transformer les informations dynamiques du flux optique en réponses motrices adaptées aux exigences contextuelles.

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Vanes, Lucy Denise. "A systems neuroscience perspective on treatment resistant schizophrenia : the role of cognitive control, reinforcement learning, and myelination." Thesis, King's College London (University of London), 2018. https://kclpure.kcl.ac.uk/portal/en/theses/a-systems-neuroscience-perspective-on-treatment-resistant-schizophrenia(b453e9a9-03f2-42fd-a676-614b032f7de7).html.

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Abstract:

Approximately a third of patients with schizophrenia do not respond to antipsychotic treatment targeting the dopamine system, suggesting that a separable neural dysfunction may drive psychosis in these patients. This thesis aims to probe the mechanisms underlying treatment response by investigating two cognitive processes which have been implicated in schizophrenia – cognitive control and reinforcement learning – as well as brain myelination. The key hypotheses are that 1) treatment resistant schizophrenia emerges due to a failure to exert cognitive control, characterised by prefrontal hypoactivation and functional dysconnectivity, 2) treatment responsive schizophrenia is selectively associated with a subcortical dopaminergic dysfunction, evident in an abnormal neural signature of reward prediction error (RPE) during reinforcement learning, and 3) treatment resistant schizophrenia is characterised by exacerbated structural dysconnectivity as indexed by myelin content. To dissect these mechanisms, performance and neural activation during a cognitive control task and a reinforcement learning task, as well as myelin water fraction (MWF) were compared between 22 treatment resistant patients, 21 treatment responsive patients, and 24 healthy controls. Treatment resistant and responsive patients showed similarly impaired performance on both tasks compared to controls. During the cognitive control task, resistant patients showed an inverse correlation between frontal activation and psychotic symptoms as well as reduced functional fronto-thalamic connectivity compared to controls. During the reinforcement learning task, responsive patients showed reduced cortical and subcortical RPE related activation compared to controls and treatment resistant patients. MWF was reduced in patients compared to controls in several white matter regions but did not differ between the two patient groups. The findings support distinct neural mechanisms underlying treatment resistant and responsive schizophrenia despite similar behaviour. Functional dysconnectivity within the cognitive control network and a deterioration of frontal activation as a function of symptom severity may perpetuate psychosis despite dopaminergic treatment in treatment resistant schizophrenia, although this is not reflected in an exacerbated myelin dysfunction. The results highlight the importance of stratifying patient samples by treatment response status in future research.

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Melanson-Drapeau, Lysanne. "Connexin32-mediated control of progenitor cell fate in injured and uninjured adult mouse brain." Thesis, University of Ottawa (Canada), 2006. http://hdl.handle.net/10393/29364.

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Abstract:

Gap junction protein expression has been implicated in progenitor cell proliferation, survival, and specification during development. The present study was undertaken to establish the role of the gap junction protein connexin32 in dictating progenitor cell fate in adult mouse brain. In the dentate gyrus of the hippocampus, I localized the connexin32 protein to a subset of NG2 + early oligodendrocyte progenitors. In connexin32-null mutant mice, I found an increase in the total number of proliferating early oligodendrocyte progenitors and demonstrated that the turnover of these cells is constitutively enhanced (Chapter 2). Furthermore, behavioural testing in a learning and memory task revealed that connexin32-deficient mice exhibit impaired reference memory, indicating that progenitor cells may play a role in hippocampal associated cognitive function (Chapter 3). In vitro analysis further demonstrated that these progenitors are able to differentiate into neurons upon a neurogenic stimulus. In Chapter 4, I assessed the ability of hippocampal progenitors to activate and regenerate brain tissue in vivo, following kainic acid-induced epileptiform seizures, in the presence or absence of connexin32. I show that connexin32-null mutation promotes more effective neurogenesis from NG2+ progenitor cells activated in the CA3a/b pyramidal zone, following excitotoxic injury. To confirm the role of connexin32 in determining progenitor cell fate, I performed a series of gain of function studies by inducing ectopic connexin32 expression in neurosphere progenitor cultures (Chapter 5). I show that connexin32 promotes oligodendrogenesis in vitro, at the expense of neurogenesis. These experiments provide insight into connexin-mediated control of neural progenitor specification and begin to identify connexins as possible therapeutic targets following brain injury.

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Mooney, David M. "Cholinergic control of sensory synaptic transmission in primary and nonprimary auditory thalamus of rat." Thesis, National Library of Canada = Bibliothèque nationale du Canada, 2001. http://www.collectionscanada.ca/obj/s4/f2/dsk3/ftp04/NQ66175.pdf.

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Paré, Martin. "The neural control of fixation and saccadic gaze displacements by midbrain and brainstem structures." Thesis, McGill University, 1995. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=28880.

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Abstract:

Exploration of the visual world requires almost incessant movements of the visual axis (gaze), which are separated by periods of fixation. This thesis describes the neural control of fixation and saccadic gaze displacements. The superior colliculus (SC) is a mid-brain structure involved in gaze redirection executed either by the eyes alone or by combined eye and head movements. Microstimulation of the cat SC revealed a map of evoked gaze shifts, which was coextensive with the motor map encoded by the neuronal activity. The spatio-temporal characteristics of these evoked gaze shifts depended, to some extent, on stimulus parameters or active fixation. A definite role in fixation behavior for the fixation cells situated at the SC's rostral pole was revealed by showing that microstimulation of this area suppresses both electrically-evoked and natural gaze shifts. A pathway mediating this gaze shift suppression was demonstrated by physiological evidence that the SC's "fixation area" provides the major collicular input to brainstem omnipause neurons (OPNs), which inhibit the saccadic premotor elements. In the head-restrained animal, OPNs exhibit a pause in activity related to eye saccades. It was shown here that, in the head-unrestrained cat, OPNs pause not for the duration of rapid orienting eye movements, but for the entire duration of gaze shifts irrespective of the shape of the trajectory of the eye in the orbit. However, recording the OPNs during SC stimulation indicated that the pause is not directly related to the SC command, but to the movement overtly produced: either head-fixed eye saccades or head-free gaze shifts. We suggest that OPNs are controlled by two systems acting synergistically: a brainstem mechanism involved in quick phase generation and a collicular gaze saccade generator.

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Barbarosie, Michaela T. (Michaela Teodora). "Presynaptic control of 4-aminopyridine-induced activity in the in vitro adult rat hippocampus." Thesis, McGill University, 1995. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=22716.

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Abstract:

The convulsant and K$ sp+$ channel blocker, 4-aminopyridine (4AP), induces two types of synchronous, spontaneous field potentials in the stratum radiatum of the CA3 subfield, in an in vitro hippocampal slice obtained from adult rat. The first type of activity is a positive-going interictal-like potential that corresponds to a burst of population spikes, and is abolished by non-NMDA receptor antagonists; the second type of field potential is a low frequency, negative going synchronous event which is sensitive to GABA$ rm sb{A}$ receptor antagonism. Knowing that in the hippocampus, adenosine A1 receptors are located presynaptically, on the terminals of excitatory neurons, and that their activation prevents glutamate release, I have used a specific adenosine A1 receptor agonist and altered the occurrence of the interictal-like potential. It is also established that $ mu$ opioid receptors in the hippocampus are located presynaptically on GABAergic interneurons where their activation prevents release of GABA. Therefore, I have used a specific $ mu$ opioid receptor agonist and altered the occurrence of the negative-going field potential. In summary, the experiments reported in this thesis demonstrate that 4AP-induced activity is generated through a presynaptic mechanism at both excitatory (glutamatergic) and inhibitory (GABAergic) terminals. The relevance of this work is two fold: (i) it helps to better understand the mechanisms of 4AP-induced epileptogenesis and (ii) it highlights the putative role of adenosine as an antiepileptic drug.

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McLachlan, Ian Gordon. "Genetic control of dendrite morphogenesis in C. elegans." Thesis, Harvard University, 2016. http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:33493511.

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Abstract:

The shapes and attachments of cells determine the machinery of organs; for example, the shapes and attachments of neurons and glia establish the wiring of the brain. To understand how neuronal dendrites obtain their morphologies and make the appropriate connections, we used C. elegans sense organs as models. Previous work identified a requirement for the extracellular matrix protein DYF-7 in dendrite extension: DYF-7 anchors dendrites dendrite endings at the embryonic nose while neuronal cell bodies migrate away, and in its absence, dendrites fail to extend. Here, we show that these dendrites are part of a sensory epithelium composed of glial cells and neurons. The dendrites are ensheathed by glial cells, form adherens junctions onto glia, and are stabilized at their apical surfaces by the extracellular matrix protein DYF-7. In dyf-7 mutants, the pulling force of cell migration causes this sensory epithelium to rupture along the glia:glia junctions. By comparison, dendrites of the URX and BAG neurons are intimately connected to the external surface of glial cells but are not known to form adherens junctions and are not affected in dyf-7 mutants. To identify factors required for URX and BAG dendrite extension, we performed forward genetic screens for dendrite extension defects in these cells and identified mutations in the cytoplasmic protein GRDN-1/Girdin and the adhesion molecule SAX-7/L1CAM. We show that in wild-type embryos, URX and BAG dendrites also extend by attaching to the nose and then stretching during embryo elongation but, in grdn-1 embryos, they fail to remain attached. GRDN-1 can promote dendrite attachment by acting in glia—it localizes to glial endings and causes localized accumulation of SAX-7, creating an adhesive compartment where dendrites attach. Thus, GRDN-1 and SAX-7 determine dendrite length by positioning a neuron-glia attachment site that couples dendrite extension to embryonic growth. Finally, we identified several other mutants with URX dendrite morphogenesis defects, including overgrowth of the URX dendrite; some have been mapped to genes associated with the cytoskeleton. Together, these studies define genetic mechanisms that control morphogenesis of distinct classes of sensory dendrites through specific adhesive interactions with their glial neighbors.
Medical Sciences

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Dashti, Eman. "Role of receptor mediated endocytosis-8, a novel Parkinson's disease gene, in mitochondrial quality control." Thesis, McGill University, 2014. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=121496.

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Abstract:

Over the past two decades, significant understanding of the pathogenesis of Parkinson's disease (PD) has been attributed to the discovery of genes, that when mutated, are responsible for familial forms of PD. Recently a novel autosomal dominant mutation (AD) causing PD was identified in receptor-mediated endocytosis-8 (RME-8). When mutated, symptoms of PD manifest with an onset ~ 70 years of age. RME-8 is a DnaJ domain containing protein that plays an important role in intercellular trafficking and recycling of retrograde cargo. Loss of function of RME-8 disrupts the endosome to Golgi transport resulting in cargo accumulation in the endosome and its re-routing to the lysosome for degradation. Studies have shown that VPS35 (another AD-PD gene, and part of the retromer that RME-8 interacts with) is involved in the mitochondrial quality control pathway implicated in PD. In addition, recent studies have shown that bec-1, a protein long studied as a regulator of autophagy (part of the mitochondrial quality control pathway), to also be involved in the retrograde trafficking co-localizing with RME-8. These findings suggest a possible new role of RME-8 in the mitochondrial quality control pathway. Here we investigated the possible role of RME-8 in the mitochondrial quality control pathway implicated in PD. Using loss of function approach by knocking-down RME-8 and gain of function approach by overexpressing the mutant form of RME-8 we investigated its role in two pathways involved in mitochondrial quality control: mitophagy and mitochondrial vesicle formation. Our results show that RME-8 is not involved in either pathways and thus the exact role of RME-8 in the pathogenesis of PD has to still be elucidated.
Des avancées significatives dans la compréhension de la pathologie propre à la maladie de Parkinson (MP) ont marqués les deux dernières décennies grâce, notamment, à la découverte de mutations génétiques responsables de formes familiales de la MP. Récemment, une mutation autosomale-dominante (AD) dans le gène RME-8 (receptor-mediated endocytosis-8) a été identifiée comme cause de la MP dont les manifestations cliniques associées à cette mutation apparaissent vers 70 ans. La protéine codée par RME-8, contient un domaine DnaJ qui joue un rôle important dans le trafic intracellulaire et le recyclage de cargos rétrogrades. La protéine RME-8 est exprimée dans plusieurs tissus et possède une forte affinité pour la chaperonne HSC70 (heat shock protein 70). RME-8 recrute HSC70 aux membranes couvertes de clathrine et interagit avec le complexe du retromère pour désassembler les triskelions de clathrine. La perte de fonction de RME-8 perturbe le transport de l'endosome au Golgi, ce qui entraîne l'accumulation du cargo dans l'endosome et sa redirection vers le lysosome. De plus, il a été démontré, que VPS35, fait partie du complexe du retromère et interagit avec RME-8, et que BEC-1 est impliquée dans le trafic rétrograde et que l'appauvrissement de RME-8 ou BEC-1 donne des phénotypes similaires. Puisque VPS35 et BEC1 jouent un rôle dans le contrôle de la qualité mitochnodriale, nous avons émis l'hypothèse que RME-8 est aussi impliquée dans ce processus. Ni l'ablation de RME-8 via l'ARN interférence ou sa surexpression n'a permis de montrer un rôle pour RME-8 dans la mitophagie ou la formation de vésicules mitochodriales. Nos données tendent à montrer que RME-8 n'est pas impliquées dans le contrôle de la qualité mitochondriale et que son rôle dans la pathogénèse de la MP demeure obscur.

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Cook, Denise. "Fragile X related protein 1 associates with the protein synthesis machinery and controls synaptic plasticity in mice." Thesis, McGill University, 2012. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=119349.

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Abstract:

Long-lasting synaptic plasticity and memory storage rely on mRNA control mechanisms that allow for rapid changes in gene expression in response to synaptic activity. RNA-binding proteins, which affect the transport, stability and translational state of their target mRNAs, are an important component of these translational control mechanisms. Fragile X Related Protein 1 (FXR1P) is a member of the Fragile X family of RNA-binding proteins, which also includes Fragile X Mental Retardation Protein (FMRP) and Fragile X Related Protein 2 (FXR2P). FXR1P is known to both repress and enhance the translation of its target mRNAs in non-neuronal cells. However, its function in neurons is currently unknown. The central hypothesis of this thesis is that FXR1P controls the local translation of mRNAs important for spine development and synaptic plasticity in mice. To test this hypothesis, we used biochemical and confocal imaging techniques to study the expression pattern and subcellular localization of FXR1P in developing neurons and to look at the association of endogenous and exogenous FXR1P with the translational machinery. We then used a combination of confocal imaging, whole-cell electrophysiological recordings and two-photon glutamate uncaging approaches to measure the effect of increasing levels of FXR1P on spine number, spine morphology and spine function. Finally, we used a conditional mouse knockout approach to selectively delete FXR1P from postnatal forebrain neurons and studied the consequences of FXR1P loss on spine development and synaptic plasticity in adult mice. Interestingly, we found that FXR1P clustered with the translational machinery in dendrites and at a subset of large, functionally-strong dendritic spines. Genetic deletion of FXR1P decreased spine density and spine size and enhanced protein-synthesis dependent long-lasting long-term potentiation (L-LTP). Together, these results support the idea that FXR1P is positioned to control the local translation of a subset of mRNAs required for regulating the maintenance of spines and restraining the size of L-LTP. The results presented in this thesis expand on our understanding of the importance of translational control mechanisms in synaptic plasticity and cognition.
La plasticité synaptique de longue durée et l'entreposage des mémoires nécessitent des mécanismes de contrôle de l'ARNm qui permettent des changements rapides dans l'expression des gènes en réponse à l'activité synaptique. Les protéines d'attachement à l'ARN sont une composante importante des mécanismes de contrôle de la traduction de l'ARNm. Ces protéines affectent le transport et la stabilité de leurs ARNm cible. La protéine reliée à Fragile X (FXR1P) est un membre de la famille Fragile X, des protéines d'attachement à l'ARN qui incluent FMRP et FXR2P. FXR1P est capable de réprimer et d'augmenter la traduction des ARNm cibles dans des lignées cellulaires non neuronales. Cependant, sa fonction dans les neurones demeure inconnue. L'hypothèse centrale de cette thèse est que FXR1P contrôle la traduction locale des ARNm intégrales au développement des épines dendritiques et à la plasticité synaptique des souris. Dans l'objectif de tester cette hypothèse, nous avons utilisé des techniques en biochimie moléculaire et en imagerie confocale afin d'étudier le modèle d'expression et la localisation subcellulaire de FXR1P ainsi que son association endogène ou exogène avec la machine de traduction. Ces expériences ont été réalisées dans des neurones en cours de développement. En utilisant une combinaison d'imagerie confocale, d'enregistrements electrophysiologiques de cellule entière et de libération de glutamate à deux photons nous avons pu mesurer l'effet net de l'augmentation des niveaux de FXR1P sur le nombre d'épines, leur morphologie et leur fonction. Enfin, nous avons étudié l'effet de la perte de FXR1P sur le développement des épines et sur la plasticité synaptique des souris adultes. Ceci a été réalisé en utilisant un knockout conditionnel dans une lignée de souris où le gène FXR1P a été éliminé des neurones du cerveau antérieur. De façon intéressante, nous avons trouvé que FXR1P se rassemblait autour de la machine de traduction des cellules dendritiques, mais surtout dans un sous-groupe de grosses épines dendritiques fonctionnellement actives. La délétion génétique de FXR1P a eu pour résultat une diminution de la densité et de la taille des épines dendritiques, ainsi qu'une augmentation de la synthèse de protéines et de la potentialisation à long terme de longue durée (PLT-L). Ensemble, ces résultats soutiennent l'idée que FXR1P est directement capable de contrôler la traduction locale dans un sous groupe d'ARNm requis dans la régulation du développement et de la gestion des épines dendritiques en restreignant l'amplitude de la PLT-L. Les résultats présentés dans cette thèse contribuent à notre savoir de l'importance que jouent les mécanismes de contrôle de la traduction protéinique dans la plasticité synaptique et la cognition.

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Hua, Silvia. "An examination of the effects of equilibrium on the control of goal-directed reaching in humans." Thesis, McGill University, 2012. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=106579.

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Abstract:

Goal-directed reaching movements executed from seated positions exhibit rapid, automatic corrections in response to a change in target position. In the standing posture, corrections in arm trajectory during reaching movements are accompanied by feedforward corrections in postural activity which create the dynamical conditions necessary for successful task execution. However, it is unknown how equilibrium constraints associated with standing as opposed to sitting, which has little or no equilibrium constraints, influence the neural processes underlying online corrections of goal-directed movements. This thesis aimed to address this question. Eight healthy adult subjects (3 males, 5 females) performed regular reach-to-point movements and an online arm correction task when seated and when standing. It was hypothesized that the increased equilibrium constraints during stance would influence the online control of goal-directed reaching, resulting in differences in focal movement endpoint kinematics. The focal reaching movement was described using spatiotemporal kinematics of the reaching hand. Whole-body kinematic analyses were also performed to compare the movement strategies utilized in each postural configuration. It was found that the postural configuration (seated vs. standing) in which the movements were executed generally did not affect focal movement parameters (velocity profile, movement time, time to correction, and peak velocity), despite resulting in different whole-body kinematic strategies (i.e. extent of elbow flexion-extension, shoulder adduction-abduction, trunk rotation, pelvis rotation, pelvis obliquity, and pelvis translation). These results highlight the efficacy of the neural processes underlying the end goal of arm reaching movements and their online control. The processes of control do not appear to be affected by the higher demands placed on the CNS required for the maintenance of postural equilibrium during stance.
En position assise, les mouvements de pointage sur une cible visuelle démontrent des corrections rapides et automatiques lors d'une perturbation spatiale de la cible. En position debout, des corrections posturales anticipent les corrections de la trajectoire de la main et créent les conditions dynamiques requises pour le déroulement du mouvement. Cependant, nous ne savons pas comment la position debout, qui pose plus de contraintes d'équilibre sur le mouvement que la position assise, affecte les processus neuraux à la base des corrections en ligne des mouvements de pointage. Le but de cette étude est d'aborder cette question. Les sujets (3 hommes, 5 femmes) ont pointé une cible visuelle en étant assis et en étant debout. Pour 33% des essais, la cible a été déplacée vers la droite sans prévenir le sujet, exigeant une correction en ligne du mouvement. La configuration posturale (assise/debout) n'a influencé ni la trajectoire de la main ni la correction en ligne du mouvement de la main, bien que les stratégies cinématiques du corps entier décrivant ces deux conditions posturales soient différentes. Ces résultats soulignent l'efficacité des processus neuraux à la base de mouvements de pointage et de contrôle en ligne; il semble que ces processus ne soient pas influencés par la demande neurale augmentée requise pour garder l'équilibre en restant debout.

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Baker, Daniel Hart. "Interocular suppression and contrast gain control in human vision." Thesis, Aston University, 2008. http://publications.aston.ac.uk/1432/.

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Abstract:

The human visual system combines contrast information from the two eyes to produce a single cyclopean representation of the external world. This task requires both summation of congruent images and inhibition of incongruent images across the eyes. These processes were explored psychophysically using narrowband sinusoidal grating stimuli. Initial experiments focussed on binocular interactions within a single detecting mechanism, using contrast discrimination and contrast matching tasks. Consistent with previous findings, dichoptic presentation produced greater masking than monocular or binocular presentation. Four computational models were compared, two of which performed well on all data sets. Suppression between mechanisms was then investigated, using orthogonal and oblique stimuli. Two distinct suppressive pathways were identified, corresponding to monocular and dichoptic presentation. Both pathways impact prior to binocular summation of signals, and differ in their strengths, tuning, and response to adaptation, consistent with recent single-cell findings in cat. Strikingly, the magnitude of dichoptic masking was found to be spatiotemporally scale invariant, whereas monocular masking was dependent on stimulus speed. Interocular suppression was further explored using a novel manipulation, whereby stimuli were presented in dichoptic antiphase. Consistent with the predictions of a computational model, this produced weaker masking than in-phase presentation. This allowed the bandwidths of suppression to be measured without the complicating factor of additive combination of mask and test. Finally, contrast vision in strabismic amblyopia was investigated. Although amblyopes are generally believed to have impaired binocular vision, binocular summation was shown to be intact when stimuli were normalized for interocular sensitivity differences. An alternative account of amblyopia was developed, in which signals in the affected eye are subject to attenuation and additive noise prior to binocular combination.

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Custo, Greig Luciano F. "Transcriptional Controls Over Specification of Neocortical Projection Neuron Subtype and Area Identity." Thesis, Harvard University, 2015. http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:23845416.

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Abstract:

The complex and sophisticated neocortical circuits that mediate higher-order brain functions are assembled from an extraordinary variety of neuronal subtypes, each with distinct morphologies, output connectivity, and electrophysiological properties. These diverse neuronal subtypes are generated under precise molecular regulation during neocortical development, and elucidating programs that govern their specification will be critical toward more deeply understanding the organization, evolution, and function of the cerebral cortex. In recent years, several key transcriptional controls over specification of projection neuron subtype and area identity have been identified, providing substantial insight into the ‘molecular logic’ underlying cortical development. This work increasingly supports a model in which individual regulators are embedded within modular, but highly interconnected, networks that gate sequential developmental decisions. There is an emerging understanding that molecular controls over subtype and area identity are intimately interrelated, and that specification of neuronal identity relies on sequential molecular decision points in progenitors and postmitotic neurons. Despite substantial progress, however, the basic framework of transcriptional controls over neocortical projection neuron development has not been fully defined. The precise molecular mechanisms by which recently identified regulators act in parallel, synergistically, or cross-repressively to progressively delineate subtype and area identity are not well understood. Moreover, very few downstream-regulated genes responsible for executing specific aspects of neuronal differentiation have been identified. In this dissertation, I investigate functions of transcription factor Ctip1 in projection neuron subtype and area development. Using complementary genetic, molecular, and anatomic labeling approaches in mice, I find that Ctip1 is a novel control over 1) deep-layer projection neuron identity, promoting specification of corticothalamic and callosal projection neurons at the expense of subcerebral projection neurons; and 2) acquisition of sensory area identity, including area-specific gene expression, output connectivity, and afferent sensory map formation. In addition, I have developed recombinase-based strategies for dual-population mosaic analysis, which have enabled rigorous examination of cell autonomy in projection neuron subtype and area specification, and will have broader applications in other fields. Lastly, I have characterized two transgenic mouse lines produced by the GENSAT project, Rbp4-Cre and Ntsr1-Cre, which I find to specifically mediate recombination in subcerebral and corticothalamic projection neurons, respectively.
Medical Sciences

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D'Alberto, Nicholas C. "Examining Inter- And Intra-Individual Differences In The Neurobiological Mechanisms Associated With Inhibitory Control." ScholarWorks @ UVM, 2018. https://scholarworks.uvm.edu/graddis/962.

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Abstract:

Adolescence is an ideal time to measure the development of the neural mechanisms associated with inhibitory control because this age period is marked by impulsive and risk taking behaviors. Maturational brain changes in the prefrontal cortex that are associated with the emergence of inhibitory control are thought to occur during this age. With knowledge of how this system develops, it may be possible to identify the development of disorders that arise from poor inhibitory control such as attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) and substance use. The goal of the current dissertation is to examine the neurobiological correlates associated with individual differences in inhibitory ability, and examine the age-related changes in neurobiological mechanisms of inhibitory control. This report will be the first of its size (n = 538) to examine within-subject changes longitudinally over five years of adolescent development (age 14 to 19). Furthermore, we supplement the longitudinal data with findings from a split-brain patient on the lateralization of inhibitory control, and we explore a subtle nuance that may have large implications on how to best measure inhibition-related brain activity. In the second chapter of the dissertation, we examine the lateralization of inhibitory control by measuring hemispheric differences in the ability to inhibit a motor response in a split-brain patient. Here, we found patient J.W.’s right hemisphere performed better than his left hemisphere on three different inhibitory control tasks. Interestingly, although inferior to the performance of the right hemisphere, the left hemisphere still performed relatively well on the three tasks, suggesting the left hemisphere can perform response inhibition independently. The third chapter examines both the functional correlates of Stop Signal Task performance, and the age-related differences in the functional mechanisms of response inhibition. At age 14 and age 19, similar patterns of activation were associated with performance, however relatively little overall activity exhibited performance-related effects. Superior performance was associated with greater right inferior frontal gyrus (rIFG) activation, as well as greater activation in a set of regions potentially involved with a stimulus-detection and attention-orienting system. However, at age 14 performance was also negatively associated with default mode network activity, and at age 19 performance was also positively associated with left amygdala activity. In the absence of within-subject differences in performance between ages 14 to 19, there were significant decreases in functional activation associated with successful inhibition. The potential mechanisms by which activity decreases over time while performance remains stable are discussed. The fourth chapter of the dissertation examines the effect of objective task difficulty on the magnitude of activation associated with successful inhibition. The Stop Signal Task employs an adaptive algorithm that alters task difficulty to meet participants’ abilities. Typically, when capturing functional activation associated with response inhibition, activation is extracted from all successful trials. Here, we find that individual differences in activation are expanded when using the activation from the extreme, rather than average, aspects of task performance variables. Individual differences in performance may best be captured by examining the maximum difficultly at which a participant is able to inhibit a response, rather than the average of all successful inhibitions. These results also lend support to the minimal activity associated with performance in Chapter 3, and we discuss how improving the measure of stop-related activity may help explain both inter- and intra-individual differences in inhibitory control.

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Keeler, Austin Byler. "Branching out by sticking together: elucidating mechanisms of gamma-protocadherin control of dendrite arborization." Diss., University of Iowa, 2015. https://ir.uiowa.edu/etd/2230.

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Abstract:

Growth of a properly complex dendrite arbor is a vital step in neuronal differentiation and a prerequisite for normal neural circuit formation; likewise, overly dense or sparse dendrite arbors are a key feature of abnormal neural circuit formation and characteristic of many neurodevelopmental disorders. Thus, identifying factors involved in aberrant dendrite complexity and therefore aberrant circuit formation, are necessary to understanding these disorders. In my doctoral work I have elucidated both intracellular and extracellular aspects to the gamma-protocadherins (γ-Pcdhs) that regulate dendrite complexity. Loss of the 22 γ-Pcdhs, adhesion molecules that interact homophilically and are expressed combinatorially in neurons and astrocytes, leads to aberrantly high activity of focal adhesion kinase (FAK) and reduced dendrite complexity in cortical neurons. Little is known, however, about how γ-Pcdh function is regulated by other factors. Here I show that PKC phosphorylates a serine residue situated within the shared γ-Pcdh C-terminus; PKC phosphorylation disrupts the γ-Pcdhs’ inhibition of FAK. Additionally, γ-Pcdh phosphorylation or a phosphomimetic mutant reduce dendritic arbors, while blocking γ-Pcdh phosphorylation increases dendrite complexity. Together, these data identify a novel intracellular mechanism through which γ-Pcdh control of a signaling pathway important for dendrite arborization is regulated. Although specific interactions between diverse cell surface molecules are proposed to regulate circuit formation, the extent to which these promote dendrite growth and branching is unclear. Here, using transgenic mice to manipulate expression in vivo, I and my colleagues show that the complexity of a cortical neuron’s dendritic arbor is regulated by γ-Pcdh isoform matching with surrounding cells. Expression of the same single γ-Pcdh isoform leads to exuberant or minimal arbor complexity depending on matched expression of surrounding cells. Additionally, loss of γ-Pcdhs in astrocytes, or induced mis-matching between astrocytes and neurons, reduces dendrite complexity in a cell non-autonomous manner. Thus, these data support our proposal that γ-Pcdhs create a rare neuronal identity that, depending on the identities of surrounding cells, specifies the complexity of that neuron’s dendritic arbor.

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Garrett, Andrew. "Control of synaptogenesis and dendritic arborization by the γ-Protocadherin family of adhesion molecules." Diss., University of Iowa, 2009. https://ir.uiowa.edu/etd/362.

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Abstract:

During development, the mammalian nervous system wires into a precise network of unrivaled complexity. The formation of this network is regulated by an assortment of molecular cues, both secreted molecules and cell-surface proteins. The ã-Protocadherins (ã-Pcdhs) are particularly good candidates for involvement in these processes. This family of adhesion molecules consists of 22 members, each with diverse extracellular adhesive domains and shared cytoplasmic domains. Thus, cellular interactions with varied adhesive partners can trigger common cytoplasmic responses. Here we investigated the functions of the ã-Pcdhs in two processes involved in neural network formation: dendrite arborization and synaptogenesis. We first asked how ã-Pcdhs regulate synaptogenesis in the spinal cord. We found that the ã-Pcdhs are differentially expressed by astrocytes as well as neurons. In astrocytes, the proteins localize to perisynaptic processes where they can mediate contacts between neurons and astrocytes. In an in vitro co-culture system in which either only astrocytes or only neurons were null for the ã-Pcdhs, we found that astrocytic ã-Pcdh is required for an early stage of synaptogenesis in a contact-dependent manner, while neuronal ã-Pcdh is sufficient for later stages. Conversely, if neurons lacked the adhesion molecules, very few synaptic contacts formed at all. By deleting the ã-Pcdhs from astrocytes in vivo, we demonstrated that these contacts are required for the normal progression of synaptogenesis. We also investigated the function of the ã-Pcdhs in the cerebral cortex. We found that cortical-restricted loss of the adhesion molecules resulted in a severe reduction in thickness of layer 1. By crossing the mutant mice to a line in which scattered layer 5 neurons express YFP, we saw that this thinning resulted from a reduced complexity in the apical tufts of dendrites from layer 5 neurons. Sholl analysis demonstrated that the arbor reduction existed throughout the cell, a phenotype that was recapitulated in vitro. Using the in vitro system, we found that the arborization defect was caused by hyperphosphorylation of the PKC substrate, MARCKS, indicating that the ã-Pcdhs may function by inhibiting PKC activity. Thus, we provide new information about the mechanisms through which the ã-Pcdhs influence neural network development.

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Dissertations / Theses on the topic 'Contrôle en neuroscience'

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