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La sclérose latérale amyotrophique [SLA] est une pathologie idiopathique à issue fatale caractérisée par la dégénérescence progressive et sélective des motoneurones du système nerveux central et périphérique. La SLA n’est pas exclusivement identifiée comme une maladie de la voie pyramidale, mais considérée plus largement comme une pathologie neurodégénérative multisystème. L’étude des mécanismes posturaux dans cette population n’a pas fait l’objet d’une grande attention. Dans ce travail de thèse, une exploration en imagerie cérébrale multimodale (imagerie en tenseur de diffusion [DTI] et morphométrie basée sur le voxel [VBM]) est proposée chez des patients SLA avec instabilité posturale [AIP] et stables [SIP] en vue de vérifier l’intégrité morphologique et structurelle des régions corticales et sous-corticales posturales. La comparaison entre les sujets contrôles et les patients SLA a démontré une augmentation significative du volume de la substance grise au niveau du noyau caudé chez les patients stables (SIP vs contrôle p<0,001 ; SIP vs AIP p<0,01). L’évaluation structurelle a révélé une diminution de la fraction d’anisotropie [FA] au niveau de l’aire motrice supplémentaire [AMS] dans les deux groupes de patients par rapport aux contrôles (contrôle vs SIP p<0,05 ; contrôle vs AIP p<0,001). Au niveau du noyau caudé, le groupe AIP a présenté une diminution de la valeur de la FA par rapport aux sujets contrôles (p<0,001) et aux sujets SIP (p<0,05). Ainsi, ces résultats contribuent à une meilleure caractérisation et compréhension des atteintes corticales et sous corticales des régions qui interviennent dans la posture chez les patients SLA. / The Amyotrophic Lateral Sclerosis [ALS] is an idiopathic pathology with a fatal outcome. It is characterized by a progressive and selective degeneration of motor neurons in the central and peripheral nervous system. ALS is no longer exclusively identified as a disease of the pyramidal pathway, but it is considered more broadly as multisystem neurodegenerative pathology. However, the analysis of postural processes in these patients has not been well studied in the literature. Multimodal brain imaging (Diffusion Tensor Imaging [DTI] and Voxel Based Morphometry [VBM]) exploration was performed for ALS patients with postural instability [AIP] and without postural instability [SIP] to test the morphometric and structural integrity of postural cortical and subcortical regions. A significant increase of gray matter in caudate nucleus volume has been noticed for stable patients (SIP vs controls p<0.001, SIP vs AIP p<0.01). The structural evaluation revealed a decrease of the Fractional Anisotropy [FA] at the Supplementary Motor Area [SMA] level in both groups of patients compared to controls (controls vs SIP p<0.05, controls vs. AIP p<0.001). At the caudate nucleus, the AIP group showed FA value decrease compared to controls (p<0.001) and SIP subjects (p<0.05). Thus, these results would contribute to a better characterization and understanding of the cortical and subcortical impairments of the postural regions in ALS patients.

Vocal plasticity is presumed to be a key element underlying the evolution of human speech and language, but the mechanisms and neuroanatomical basis for this plasticity remain largely unknown. The Mexican free-tailed bat, Tadarida brasiliensis, presents a unique opportunity to advance our understanding of the evolution and neurobiology of mammalian vocal communication because this animal displays elements of vocal complexity and plasticity that are more sophisticated than any mammal other than humans, including non-human primates. Current models of vocal control in mammals do not account for the vocal complexity of free-tailed bats. The purpose of this dissertation is to fill that gap in knowledge by identifying a possible neuronal basis for vocal complexity in free-tailed bats. This will be achieved by 1) providing a detailed analysis of the free-tailed bat’s vocal behaviors, 2) mapping the distribution of neurotransmitter receptor types suspected of involvement in vocal control, 3) identifying brain regions that exhibit increased neuronal activity during vocalizing, and 4) pharmacologically manipulating putative vocal control regions to confirm and characterize their function in vocalizing. Analysis of Tadarida’s vocal behavior indicated that they have a vast vocal repertoire, including many different call types, context-dependent sensory-feedback driven vocal plasticity, and syntactically-organized stereotyped songs. Their vocal behavior changed seasonally, so I mapped the distribution of melatonin binding sites in the brain, finding high densities in the striatum, similar to dopamine receptor distribution. I then used immunohistochemical labeling of the immediate early gene cfos to map neuronal activation in brains of highly vocal bats to find ROIs activated by vocal production. This technique not only identified all previously known regions of the mammalian vocal motor pathway but also revealed activity in novel brain regions that could potentially account for vocal plasticity, including a localized region of the basal ganglia, the dorsolateral caudate nucleus, and the anterior cingulate region of the frontal cortex. Pharmacological excitation of these regions evoked complex vocal sequences similar to the songs recorded in the field and lab. These results support the hypothesis that the mammalian basal ganglia may play a crucial role in the plasticity and complexity of mammalian vocal behaviors.

Membrane bound AChE from calf brain caudate nucleus was solubilized by use of ion-free media in presence of 10~ M EDTA and 10“5M tetracaine. The irreversible release of AChE was more effectively inhibited by divalent ions compared to monovalent ions added to the medium. EDTA appears to chelate divalent ions released from the tissue while tetracaine competes with the same ions at the membrane. The tetracaine effect is restricted to the procaine series of local anesthetics. Small amounts of soluble AChE are present in the cytosol fraction. In fresh preparations most of the enzyme appeared in a form having a molecular weight of 80.000 daltons as determined by gel filtration. The enzyme seems to be released in this form. It is proposed that this form represents the monomer form of the enzyme. In solution the AChE aggregates seemingly together with a factor that is released from the membrane in amounts stafchio- metric to the enzyme. By treatment with DEAE-Sephadex the enzyme preparation can be made non-aggregating. A highly purified nonaggregating monomeric AChE Specific activity 17150 micromoles acetylthiocholine hydrolyzed per minute at 27° C per mg protein) was obtained by affinity chromatography. Some anomalous binding phenomena was observed during the affinity chromatographic purification. The main observation was that edrophonium eluted crude enzyme preparation adsorbed to the affinity gel in a biphasic manner. It was found that in the crude preparation there is present besides unspecific material competing with the enzyme for the affinity gels a factor that increases the affinity of AChE to certain cholinergic ligands. Since the enzyme could be titrated by the factor it seems to have a very high affinity to the enzyme and the biphasic elution curve is explained by the presence of free as well as factor- bound enzyme in the preparation. In search for compounds having a similar effect it was found that fluoride ion too increased the affinity of AChE to the same ligands as the factor. The affinity of edrophonium to the site defined by the binding of AChE to MTA-CH (65x10“5m) is lower than that defined by the enzyme inhibitory constant (1.8xlO“7M). As an explanation of this finding it is proposed that the substrate induces a conformation having high affinity to edrophonium, a conformation that has a comparatively low relaxation rate. Thus acetylcholinesterase may be added to the list of enzymes that have hystere- tic properties. / <p>S. 1-54: sammanfattning, s. 55-100: 4 uppsatser</p> / digitalisering@umu

Les humains utilisent spontanément deux types de stratégies lorsqu’ils naviguent dans leur environnement. Les stratégies spatiales impliquent la création d’une carte cognitive en mettant en relation des repères dans leur environnement. Les stratégies réponses impliquent l’apprentissage d’une route rigide suivant une série d’étapes pour se rendre d’un point à un autre. Les stratégies spatiales sont sous-tendues par l’hippocampe et sont associées à un volume et une activité hippocampique plus élevée. En revanche, les stratégies réponses sont sous-tendues par les noyaux caudés et sont associées à un volume et activité plus élevé dans les noyaux caudés. Cette étude cherche à voir si l’usage de stratégies spatiales puisse agir comme facteur de protection dans le déclin cognitif lié à l’âge. Entre 2011 et 2016, 143 personnes âgées ont été testés sur leur stratégie de navigation utilisée spontanément ainsi que sur leur mémoire épisodique et leur cognition globale. 26 de ces personnes âgées ont été testés à nouveau en 2022 et 2023 sur ces mêmes tests. On observe que les personnes âgées utilisant spontanément une stratégie spatiale présentent un déclin de la mémoire épisodique auditivo-verbale moins important que ceux utilisant spontanément une stratégie réponse. Cette différence n’a pas été observée pour la cognition globale ou la mémoire épisodique spatiale. Ces résultats supportent l’importance de l’intégrité hippocampique dans le déclin cognitif lié à l’âge et met en évidence l’usage spontanée d’une stratégie de navigation sous-tendue par l’hippocampe comme facteur de protection contre le déclin cognitif lié à l’âge. / Humans spontaneously use two types of strategy when navigating their environment. Spatial strategies involve creating a cognitive map by making relations between landmarks in their environment. Response strategies involve learning a rigid route following a series of steps to get from one point to another. Spatial strategies are dependant on the hippocampus and are associated with higher hippocampal volume and activity. In contrast, response strategies are dependant on the caudate nucleus and are associated with higher volume and activity in the caudate nucleus. This study investigates whether the use of spatial strategies can act as a protective factor against age-related cognitive decline. Between 2011 and 2016, 143 elderly people were tested on their spontaneously used navigation strategy, as well as on their episodic memory and global cognition. 26 of these elderly people were retested in 2022 and 2023 on these same tests. Elderly people spontaneously using a spatial strategy showed less decline in auditory verbal episodic memory than those spontaneously using a response strategy. This difference was not observed for global cognition or spatial episodic memory. These results support the importance of hippocampal integrity in age-related cognitive decline and highlights the spontaneous use of a hippocampus dependant navigation strategy as a protective factor in age related cognitive decline.

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Des études récentes ont montré que le noyau caudé interagissait avec le cortex préfrontal et qu’il pourrait être impliqué dans les fonctions exécutives. Le but de cette thèse était d’étudier la contribution du noyau caudé dans les fonctions exécutives, plus précisément dans des tâches de monitoring et de changement de règle, et d’observer comment ces régions fronto-striatales interagissent avec le réseau par défaut (RPD). Dans un premier temps, nous avons étudié le rôle du noyau caudé dans les deux types de monitoring : le monitoring d’origine interne, consistant à effectuer un suivi sur l’état de l’information en mémoire de travail afin de pouvoir faire un choix subséquent, et dans le monitoring d’origine externe où le suivi sur l’état des items est effectué par l’individu, mais la sélection est exécutée par une source externe. Il a été montré que le cortex préfrontal dorsolatéral (CPFDL) est impliqué dans les deux types de monitoring. À l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), nos résultats ont montré une augmentation significative du signal BOLD au niveau du CPFDL dans les contrastes des conditions de monitoring d’origine interne et monitoring d’origine externe par rapport à la condition contrôle. De manière plus importante, une augmentation significative de l’activité a été observée dans le noyau caudé seulement dans les soustractions impliquant le monitoring d’origine interne par rapport à la condition contrôle, et par rapport à la condition de monitoring d’origine externe. En deuxième lieu, des études ont montré une contribution spécifique des régions fronto-striatales dans l’exécution d’un changement de règle. Toutefois, l’effet d’un changement de règle sur l’activité cérébrale n’a jamais été étudié sur les essais subséquents. À l’aide de l’IRMf, le cortex préfrontal ventrolatéral (CPFVL) et le noyau caudé ont montré une augmentation significative de leur activité lors des changements de règle continus et lors des changements de règles sporadiques par rapport à la condition contrôle, et aussi lors des essais où le maintien d’une même règle devait être effectué pour une courte durée par opposition au contrôle. Cependant, aucune activité fronto-striatale n’a été observée lorsqu’une même règle devait être appliquée pour une plus longue période. De plus, une diminution significative de l’activité du noyau caudé a été observée lors de la répétition de l’exécution d’une même règle suggérant une meilleure intégration de cette dernière. Finalement, plusieurs études ont montré une déactivation du RPD lors de l’exécution de tâches. À l’aide de l’IRMf, nous avons posé l’hypothèse que le RPD serait corrélé négativement avec les régions fronto-striatales lors de l’exécution d’une tâche de changement de règle. Nos résultats montrent une augmentation significative de l’activité des régions fronto-striatales lors d’une augmentation du nombre d’essais de changement de règle consécutif, pendant que le RPD montre une déactivation continue. De façon intéressante, pendant que les régions fronto-striatales montrent une diminution de leur activité lors de l’exécution d’une même règle pour une longue période, le RPD augmente son activité de façon significative. On conclut donc que le noyau caudé joue un rôle important dans la planification d’une nouvelle action lorsque plusieurs possibilités doivent être considérées en mémoire de travail, et ce en même temps. Finalement, le RPD montre une corrélation négative avec les régions fronto-striatales suggérant sa participation dans l’intégration d’une tâche devenant de plus en plus familière. / Recent studies have shown that the caudate nucleus interacts with the prefrontal cortex, and that it is involved in executive processes. The goal of the thesis was to investigate the role of the caudate nucleus in executive processes, and to observe how the frontostriatal regions are interacting with the default mode network (DMN). Firstly, we studied the role of the caudate nucleus in self-ordered monitoring, which consist of keeping track of which stimuli have been selected and which remains to be selected, and externally-triggered monitoring, which refers to keeping track of one’s selection when an external source is performing the selection. It has been shown that de dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) was particularly involved in both types of monitoring. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), a significant increase of activity has been observed in the DLPFC during both monitoring conditions vs control condition. Importantly, significant increased activity in the caudate nucleus was observed only in subtractions involving self-ordered monitoring (the self-ordered vs control and self-ordered vs externally-triggered conditions). Secondly, previous studies have shown a specific contribution of frontostriatal regions during set-shifting. However, the effect of set-shifting on subsequent trials had yet to be determined. Using fMRI, significant increase of activity was observed in the ventrolateral prefrontal cortex (VLPFC) and the caudate nucleus during shifting trials versus control and in trials where the same rule was applied for a few trials before a set-shift occurred. However, no frontostriatal activity was observed when the same rule was applied for a longer period. Decreased activity in the caudate nucleus correlated with increasing trial position in trials where no set-shift occurred, suggesting that the more a rule is executed, the better it is established. Finally, several studies have shown a deactivation of the DMN during the execution of a goal-directed task. Using fMRI, we hypothesized that the DMN was negatively correlated with the frontostriatal regions during the execution of a set-shifting task. Our results showed a significant increase of activity in the frontostriatal regions as more set-shifts are being performed while the DMN gets more deactivated. Interestingly, as decreased activity was observed in the frontostriatal regions during the execution of the same rule for a long period, the DMN showed increasing activity. We concluded that the caudate nucleus is specifically involved during the planning of a novel action when several possibilities are available at the same time. Finally, the DMN shows a negative correlation with the frontostriatal regions suggesting its contribution to the execution of a more familiar task.

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