The corpus callosum, the major interhemispheric fiber tract, mediates communication between homotopic regions within the primary somatosensory cortex (S1). Recently, in 1- to 6-day-old neonatal rats, brief bursts of high-frequency, oscillatory activity - called spindle-bursts (SBs) - were described in S1 following sensory feedback from endogenously generated sleep-related myoclonic twitch movements and exogenously generated peripheral stimulation. To determine whether interhemispheric communication via the corpus callosum modulates the expression of SBs during this early period of development and contributes to cortical organization and plasticity, we investigated the endogenous (spontaneous) expression and exogenous (evoked) activity of SBs in neonatal rats with intact or surgically severed callosal fibers (i.e., callosotomy; CCx). We used Ag/AgCl cortical surface electrodes in the S1-forelimb region of the cortex to measure neurophysiological and behavioral activity in both intact and CCx subjects across the sleep-wake cycle during the first two postnatal weeks of development. Our results demonstrate, for the first time, that the corpus callosum modulates spontaneous and evoked activity between homotopic regions in S1 as early as 24-hours after birth. In addition, CCx disinhibits cortical activity, nearly doubling the rate of spontaneous SBs through, but not after, postnatal day 6 (P6). CCx also significantly and reliably disrupts the evoked response to peripheral stimulation of the forepaw. To examine the role of sleep-related twitches and their associated sensory feedback (SBs in S1) - modulated by the corpus callosum - in cortical development and plasticity, we performed CCx or sham surgeries at P1, P6, or P8, and tested subjects the day of surgery or over the ensuing week of recovery. Regardless of age, CCx immediately disrupted SBs evoked by forepaw stimulation. The P1 and P6 CCx groups exhibited full recovery after one week; in contrast, the P8 group did not exhibit recovery of function, thus indicating an abrupt decrease in cortical plasticity between P6 and P8. Together, these results provide the first evidence that sleep-related myoclonic twitches and the associated sensory feedback in S1 (SBs) contribute to cortical development, plasticity, and recovery of function after interhemispheric communication is disrupted by callosotomy. CCx-induced disinhibition of spontaneous SBs is a transient phenomenon whose disappearance coincides with the onset of increased intrinsic connectivity, establishment of excitatory-inhibitory balance, and diminished plasticity in S1. Our findings indicate that CCx-induced disinhibition of spontaneous twitch-related SBs and disruption of evoked response to peripheral stimulation serve as a bioassay of somatosensory cortical plasticity during the early postnatal period.

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Large scale functional brain networks, defined by synchronized spontaneous oscillations between spatially distinct anatomical regions, are essential to brain function and have been implicated in disease states, cognitive capacity, and many sensing and motor processes. In this work, we sever the corpus callosum in the rodent model to determine if structural connectivity (specifically the primary interhemispheric pathway) organizes and influences bilateral functional connectivity and brain-wide spatiotemporal dynamic activity patterns. Prior to the callosotomy work, resting state brain networks were evaluated using blood oxygen level dependent (BOLD) and cerebral blood volume (CBV) magnetic resonance imaging contrast mechanisms, and revealed that BOLD and CBV provide highly similar spatial maps of functional connectivity; however, the amplitude of BOLD connectivity was generally stronger. The effects of extended anesthetic durations on functional connectivity were also evaluated revealing extended isoflurane anesthetic periods prior to the switch to dexmedetomidine attenuates functional activity for a longer duration as compared to a shorter isoflurane paradigm. We also observed a secondary significant evolution of functional metrics occurring during long durations of dexmedetomidine use under the currently accepted and refined dexmedetomidine sedation paradigm. Taking these previous findings into account, we moved forward with the callosotomy study. Functional network integrity was evaluated in sham and full callosotomy groups using BOLD and electrophysiology. Functional connectivity analysis indicated a similar significant reduction in bilateral connectivity in the full callosotomy group as compared to the sham group across both recording modalities. Spatiotemporal dynamic analysis revealed bilaterally symmetric propagating waves of activity in the sham data, but none were present in the full callosotomy data; however, the emergence of unilateral spatiotemporal patterns became prominent following the callosotomy. This finding suggests that the corpus callosum could be largely responsible for maintaining bilateral network integrity, but non-bilaterally symmetric propagating waves occur in the absence of the corpus callosum, suggesting a possible subcortical driver of the dynamic cascading event. This work represents a robust finding indicating the corpus callosum's influence on maintaining integrity in bilateral functional networks.

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Le principal rôle du corps calleux est d’assurer le transfert de l’information entre les hémisphères cérébraux. Du support empirique pour cette fonction provient d’études investiguant la communication interhémisphérique chez les individus à cerveau divisé (ICD). Des paradigmes expérimentaux exigeant une intégration interhémisphérique de l’information permettent de documenter certains signes de déconnexion calleuse chez ces individus. La présente thèse a investigué le transfert de l’information sous-tendant les phénomènes de gain de redondance (GR), de différence croisé– non-croisé (DCNC) et d’asynchronie bimanuelle chez les ICD et les individus normaux, et a ainsi contribué à préciser le rôle du corps calleux. Une première étude a comparé le GR des individus normaux et des ICD ayant subi une section partielle ou totale du corps calleux. Dans une tâche de détection, le GR consiste en la réduction des temps de réaction (TR) lorsque deux stimuli sont présentés plutôt qu’un seul. Typiquement, les ICD présentent un GR beaucoup plus grand (supra-GR) que celui des individus normaux (Reuter-Lorenz, Nozawa, Gazzaniga, & Hughes, 1995). Afin d’investiguer les conditions d’occurrence du supra-GR, nous avons évalué le GR en présentation interhémisphérique, intrahémisphérique et sur le méridien vertical, ainsi qu’avec des stimuli requérant une contribution corticale différente (luminance, couleur équiluminante ou mouvement). La présence d’un supra-GR chez les ICD partiels et totaux en comparaison avec celui des individus normaux a été confirmée. Ceci suggère qu’une section antérieure du corps calleux, qui perturbe le transfert d’informations de nature motrice/décisionnelle, est suffisante pour produire un supra-GR chez les ICD. Nos données permettent aussi d’affirmer que, contrairement au GR des individus normaux, celui des ICD totaux est sensible aux manipulations sensorielles. Nous concluons donc que le supra-GR des ICD est à la fois attribuable à des contributions sensorielles et motrices/décisionnelles. Une deuxième étude a investigué la DCNC et l’asynchronie bimanuelle chez les ICD et les individus normaux. La DCNC réfère à la soustraction des TR empruntant une voie anatomique « non-croisée » aux TR empruntant une voie anatomique « croisée », fournissant ainsi une estimation du temps de transfert interhémisphérique. Dans le contexte de notre étude, l’asynchronie bimanuelle réfère à la différence de TR entre la main gauche et la main droite, sans égard à l’hémichamp de présentation. Les effets de manipulations sensorielles et attentionnelles ont été évalués pour les deux mesures. Cette étude a permis d’établir une dissociation entre la DCNC et l’asynchronie bimanuelle. Précisément, les ICD totaux, mais non les ICD partiels, ont montré une DCNC significativement plus grande que celle des individus normaux, alors que les deux groupes d’ICD se sont montrés plus asynchrones que les individus normaux. Nous postulons donc que des processus indépendants sous-tendent la DCNC et la synchronie bimanuelle. De plus, en raison de la modulation parallèle du GR et de l’asynchronie bimanuelle entre les groupes, nous suggérons qu’un processus conjoint sous-tend ces deux mesures. / The main role of the corpus callosum is the transfer of information across the cerebral hemispheres. Evidence for this function comes from studies investigating the interhemispheric communication of split-brain individuals. Specific experimental paradigms requiring interhemispheric integration have enabled the documentation of disconnection symptoms for split-brain individuals. Along those lines, the present thesis investigated the transfer of information underlying the redundant target effect (RTE), the crossed-uncrossed difference (CUD), and bimanual asynchrony of normal and split-brain individuals, and therefore contributed to further our knowledge of the role of the corpus callosum. The first study investigated the RTE of partial split-brain (anterior section), total split-brain, and normal individuals. The RTE occurs when reaction times (RTs) to multiple stimuli are faster than RTs to a single stimulus. Split-brain individuals typically exhibit an enhanced RTE as compared to normal individuals (Reuter-Lorenz et al., 1995). In order to investigate the conditions in which the enhanced RTE occurs, we tested the RTE in interhemispheric, intrahemispheric, and midline conditions, as well as with stimuli requiring different cortical contributions (stimuli defined by luminance, equiluminant colour, or motion). Our data supported the occurrence of an enhanced RTE for partial and total split-brain individuals as compared to normal individuals. This suggests that an anterior section of the corpus callosum, which disrupts the transfer of motor/decisional information, suffices to produce an enhanced RTE in split-brain individuals. In addition, in contrast with the RTE of normal individuals, that of total split-brain individuals was modulated as a function of a sensory manipulation. We therefore conclude that the enhanced RTE of split-brain individuals is attributable to both sensory and motor/decisional contributions. The second study investigated the CUD and the bimanual asynchrony of normal, partial split-brain, and total split-brain individuals. The CUD refers to the subtraction of mean RTs of uncrossed hand-visual hemifield combination from mean RTs of crossed hand-visual hemifield combination. In the context of our study, the asynchrony reflected the difference between the left-hand RT and the right-hand RT on each trial, irrespective of the side of presentation. The effect of sensory and attentional manipulations was assessed for both measures. Our study contributed to dissociate the CUD and bimanual asynchrony. Specifically, total split-brain individuals, but not partial split-brain individuals, showed a larger CUD than normal individuals, whereas both split-brain groups were less synchronous than normal individuals. We therefore postulate that independent processes underlie the CUD and bimanual asynchrony. Furthermore, the parallel modulation of the RTE and bimanual asynchrony across groups suggest common underlying processes for these two measures.

Le principal rôle du corps calleux est d’assurer le transfert de l’information entre les hémisphères cérébraux. Du support empirique pour cette fonction provient d’études investiguant la communication interhémisphérique chez les individus à cerveau divisé (ICD). Des paradigmes expérimentaux exigeant une intégration interhémisphérique de l’information permettent de documenter certains signes de déconnexion calleuse chez ces individus. La présente thèse a investigué le transfert de l’information sous-tendant les phénomènes de gain de redondance (GR), de différence croisé– non-croisé (DCNC) et d’asynchronie bimanuelle chez les ICD et les individus normaux, et a ainsi contribué à préciser le rôle du corps calleux. Une première étude a comparé le GR des individus normaux et des ICD ayant subi une section partielle ou totale du corps calleux. Dans une tâche de détection, le GR consiste en la réduction des temps de réaction (TR) lorsque deux stimuli sont présentés plutôt qu’un seul. Typiquement, les ICD présentent un GR beaucoup plus grand (supra-GR) que celui des individus normaux (Reuter-Lorenz, Nozawa, Gazzaniga, & Hughes, 1995). Afin d’investiguer les conditions d’occurrence du supra-GR, nous avons évalué le GR en présentation interhémisphérique, intrahémisphérique et sur le méridien vertical, ainsi qu’avec des stimuli requérant une contribution corticale différente (luminance, couleur équiluminante ou mouvement). La présence d’un supra-GR chez les ICD partiels et totaux en comparaison avec celui des individus normaux a été confirmée. Ceci suggère qu’une section antérieure du corps calleux, qui perturbe le transfert d’informations de nature motrice/décisionnelle, est suffisante pour produire un supra-GR chez les ICD. Nos données permettent aussi d’affirmer que, contrairement au GR des individus normaux, celui des ICD totaux est sensible aux manipulations sensorielles. Nous concluons donc que le supra-GR des ICD est à la fois attribuable à des contributions sensorielles et motrices/décisionnelles. Une deuxième étude a investigué la DCNC et l’asynchronie bimanuelle chez les ICD et les individus normaux. La DCNC réfère à la soustraction des TR empruntant une voie anatomique « non-croisée » aux TR empruntant une voie anatomique « croisée », fournissant ainsi une estimation du temps de transfert interhémisphérique. Dans le contexte de notre étude, l’asynchronie bimanuelle réfère à la différence de TR entre la main gauche et la main droite, sans égard à l’hémichamp de présentation. Les effets de manipulations sensorielles et attentionnelles ont été évalués pour les deux mesures. Cette étude a permis d’établir une dissociation entre la DCNC et l’asynchronie bimanuelle. Précisément, les ICD totaux, mais non les ICD partiels, ont montré une DCNC significativement plus grande que celle des individus normaux, alors que les deux groupes d’ICD se sont montrés plus asynchrones que les individus normaux. Nous postulons donc que des processus indépendants sous-tendent la DCNC et la synchronie bimanuelle. De plus, en raison de la modulation parallèle du GR et de l’asynchronie bimanuelle entre les groupes, nous suggérons qu’un processus conjoint sous-tend ces deux mesures. / The main role of the corpus callosum is the transfer of information across the cerebral hemispheres. Evidence for this function comes from studies investigating the interhemispheric communication of split-brain individuals. Specific experimental paradigms requiring interhemispheric integration have enabled the documentation of disconnection symptoms for split-brain individuals. Along those lines, the present thesis investigated the transfer of information underlying the redundant target effect (RTE), the crossed-uncrossed difference (CUD), and bimanual asynchrony of normal and split-brain individuals, and therefore contributed to further our knowledge of the role of the corpus callosum. The first study investigated the RTE of partial split-brain (anterior section), total split-brain, and normal individuals. The RTE occurs when reaction times (RTs) to multiple stimuli are faster than RTs to a single stimulus. Split-brain individuals typically exhibit an enhanced RTE as compared to normal individuals (Reuter-Lorenz et al., 1995). In order to investigate the conditions in which the enhanced RTE occurs, we tested the RTE in interhemispheric, intrahemispheric, and midline conditions, as well as with stimuli requiring different cortical contributions (stimuli defined by luminance, equiluminant colour, or motion). Our data supported the occurrence of an enhanced RTE for partial and total split-brain individuals as compared to normal individuals. This suggests that an anterior section of the corpus callosum, which disrupts the transfer of motor/decisional information, suffices to produce an enhanced RTE in split-brain individuals. In addition, in contrast with the RTE of normal individuals, that of total split-brain individuals was modulated as a function of a sensory manipulation. We therefore conclude that the enhanced RTE of split-brain individuals is attributable to both sensory and motor/decisional contributions. The second study investigated the CUD and the bimanual asynchrony of normal, partial split-brain, and total split-brain individuals. The CUD refers to the subtraction of mean RTs of uncrossed hand-visual hemifield combination from mean RTs of crossed hand-visual hemifield combination. In the context of our study, the asynchrony reflected the difference between the left-hand RT and the right-hand RT on each trial, irrespective of the side of presentation. The effect of sensory and attentional manipulations was assessed for both measures. Our study contributed to dissociate the CUD and bimanual asynchrony. Specifically, total split-brain individuals, but not partial split-brain individuals, showed a larger CUD than normal individuals, whereas both split-brain groups were less synchronous than normal individuals. We therefore postulate that independent processes underlie the CUD and bimanual asynchrony. Furthermore, the parallel modulation of the RTE and bimanual asynchrony across groups suggest common underlying processes for these two measures.