Frogs, toads, and salamanders are well known for harboring an array of distasteful (and poisonous) secondary metabolites, presumably as antipredator defenses; yet few experiments have rigorously demonstrated the efficacy of amphibian chemical defenses against ecologically relevant consumers. For example, despite an absence of rigorous statistical evidence showing their distastefulness to predators, eastern newts (Notophthalmus viridescens (Rafinesque))--a common salamander in lentic North American habitats--are assumed to tolerate diverse predator assemblages because newts secrete tetrodotoxin (TTX), a neurotoxin. Here we combine laboratory and field-based ecology with bioassay-guided separation of chemical extracts to show that eastern newts--although chemically protected against ecologically important consumers in lentic systems--nonetheless suffer substantial predation when tethered in the field. When offered newts with alternative prey (paedomorphic Ambystoma talpoideum), red swamp crayfish (Procambarus clarkii) and largemouth bass (Micropterus salmoides) were 9-10x as likely to feed on A. talpoideum as newts. Additionally, juvenile bluegill (Lepomis machrochirus) were 70% less likely to consume newt eggs compared to control food pellets. We also show that different newt tissues were differentially palatable to predatory fish. All bluegill tested consumed a palatable control food, but only 20% consumed dorsal skin, only 35% ate ventral skin, but 75% fed on newt viscera, suggesting that deterrent metabolites are concentrated in the skin. Bioassay-guided fractionation revealed that crude and water-soluble newt chemical extracts inhibited bluegill feeding, definitively establishing the chemical nature of newt antipredator defenses, although we were unsuccessful at isolating the chemical compounds responsible for unpalatability. Yet, deterrent activity in the polar but not the lipophilic chemical fraction and bioassay results demonstrating that naıve predators rapidly learn to avoid natural concentrations of TTX support the possible role of TTX in suppressing predation on newts. However, when tethered in the field, newt mortality was 55% higher in ponds with predatory fishes than in ponds lacking fishes (62% vs. 40% respectively), indicating the possible existence of other predators that are resistant to (or tolerant of) newt chemical defenses. Together, these results stress the importance of rigorous, ecologically relevant, and hypothesis-driven experimentation to better understand the complexity of chemically- mediated predator-prey interactions, even for well-studied species like N. viridescens.

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Die neonatale Hypoxie, als Schwangerschafts- und Geburtskomplikation, ist der wichtigste prädisponierende Umweltfaktor in der Pathophysiologie der Schizophrenie. Sie führt zu einer Schädigung des Gehirns und einer Störung der Hirnentwicklung. Insgesamt sind die neurobiologischen Auswirkungen, insbesondere auf die Zellproliferation, unklar. Im Tiermodell konnten bereits Verhaltensauffälligkeiten ähnlich der Schizophrenie, infolge chronischer neonataler Hypoxie, festgestellt werden. Störungen in der Zellentwicklung könnten hierfür die Ursache sein. Die Hypothese, dass der Beginn der abnormalen Hirnentwicklung perinatal liegt, während erste klinische Symptome im frühen Erwachsenenalter manifest werden, unterstützt diese Ergebnisse. Die Hirnentwicklung der Ratte ist in der frühen postnatalen Periode vergleichbar mit der eines menschlichen Fötus im dritten Trimenon der Schwangerschaft und eignet sich daher pathologische Prozesse im zentralen Nervensystem des Menschen zu reflektieren. In der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe postnataler Hypoxie die neuronale Zellproliferation in 20 männlichen Wistar-Ratten zu unterschiedlichen Zeitpunkten (postnataler Tag 13 und 39) untersucht. Die Hypoxietiere wurden vom postnatalen Tag vier bis acht einer Hypoxie, bestehend aus 11% O2 und 89% N2, ausgesetzt. Mit Hilfe der Bromodeoxyuridin-Peroxidasefärbung wurde die Zellproliferation in Hypoxie-vulnerablen Hirnregionen untersucht. Hierzu gehören der Gyrus cinguli, das Striatum, der Gyrus dentatus und die subventrikuläre Zone. Als Vergleich diente eine unbehandelte Kontrollgruppe. Durch ein Mikroskop mit Schrittmotorsystem und Stereo Investigator Software (MicroBrightField, UK) und der Optical Fractionator-Methode konnte erstmals festgestellt werden, dass Hypoxie-behandelte Tiere eine um 20% erhöhte Zellproliferation im Gyrus cinguli am postnatalen Tag 13 aufwiesen. Des Weiteren zeigte sich bei den Hypoxie-behandelten Tieren ein um 16% reduziertes Volumen im Striatum am postnatalen Tag 13. Am postnatalen Tag 39 zeigten sich keine signifikanten Unterschiede mehr. Diese Ergebnisse zeigen, dass ein vorübergehender Einfluss chronischer Hypoxie auf die Zellproliferation und das Volumen angenommen werden kann und das das Gehirn innerhalb gewisser Grenzen während der neuronalen Entwicklung tolerant gegenüber exogenen Noxen wie Hypoxie zu sein scheint. Die Ergebnisse bestätigen auch, dass nur ein kleiner Teil der Hypoxie-assoziierten Geburtskomplikationen zu einer Schizophrenie führt und der Erkrankung eine multifaktorielle Gen-Umwelt-Interaktion zugrunde liegt. Zukünftig könnte es, mit der besseren Kenntnis neurobiologischer Auswirkungen von Umweltfaktoren und genetischen Faktoren im Gehirn, möglich werden die Schizophrenie frühzeitiger zu erkennen und zu behandeln sowie behindernde Symptome zu reduzieren.

Les problèmes de toxicomanie sont très communs chez les schizophrènes. L’administration chronique d’antipsychotiques pourrait être impliquée dans cette cooccurrence en induisant une hypersensibilisation du système dopaminergique. Précédemment, nous avons démontré chez le rat qu’un traitement continu (via une mini-pompe osmotique sous-cutanée), et non pas intermittent (via des injections journalières sous-cutanées), avec l’halopéridol a augmenté la capacité de l’amphétamine à potentialiser un comportement de recherche de récompense. Dans cette étude, nous avons étudié les effets d’un antipsychotique atypique soit l’olanzapine comparé à l’halopéridol. Un traitement continu avec l’halopéridol, et non pas l’olanzapine, a augmenté la capacité de l’amphétamine de potentialiser la poursuite d’une récompense conditionnée (lumière/son préalablement associés à l’eau). De plus, un traitement continu avec l’halopéridol a augmenté l’induction par l’amphétamine de l’activité locomotrice et l’expression d’ARNm pour le c-fos (marqueur fonctionnel d’activité cellulaire) dans le caudé-putamen. Donc, un traitement continu avec un antipsychotique typique, et non pas atypique, a augmenté les caractéristiques motivationnelles attribuées à un stimulus neutre. Ceci est potentiellement lié à au développement d’un état de sensibilisation comportementale aux effets de l’amphétamine et à une augmentation de la capacité de l’amphétamine de susciter la modulation de l’activité du caudé-putamen. Ainsi, un antipsychotique typique tel que l’halopéridol semble modifier les circuits de la récompense de façon à contribuer à des comportements caractérisés par une recherche et une consommation de drogues d’abus alors qu’un antipsychotique atypique tel que l’olanzapine aurait moins tendance à le faire. Nous suggérons que les antipsychotiques atypiques pourraient être une meilleure option chez les patients schizophrènes à risque d’avoir un trouble de consommation de drogues d’abus ou de toxicomanie. / Substance abuse problems are excessively common in schizophrenia. Chronic antipsychotic treatment might be involved in this co-morbidity by inducing supersensitivity in the brain’s dopamine system. We have shown previously in the rat that continuous (via osmotic subcutaneous minipump), but not intermittent (via daily subcutaneous injection), treatment with haloperidol potentiates the ability of amphetamine to enhance the pursuit of a conditioned reward. Here, we assessed the effects of the atypical antipsychotic olanzapine. Continuous treatment with haloperidol, but not with olanzapine, enhanced the capacity of amphetamine to potentiate the pursuit of a conditioned reward (a light-tone stimulus previously paired with water). In addition, continuous haloperidol treatment augmented both amphetamine-induced locomotion and striatal c-fos mRNA expression. These effects were either absent or less pronounced following continuous olanzapine treatment. Thus, continuous treatment with a typical, but not with an atypical, antipsychotic enhanced the incentive motivational properties of a reward cue, and this was potentially linked to the development of behavioural supersensitivity to amphetamine and to a greater ability of amphetamine to engage the caudate-putamen. Thus, a typical antipsychotic like haloperidol appears to modify the brain’s reward system in ways that could contribute to drug-seeking and drug-taking behaviour, but an atypical antipsychotic like olanzapine might be less likely to do so. We suggest that atypical antipsychotics might be a preferential option in schizophrenic patients at risk for drug abuse or addiction.

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.

Les médicaments antipsychotiques améliorent les symptômes de la schizophrénie, mais peuvent perdre leur efficacité à long terme en sensibilisant le système dopaminergique. Les mécanismes sous-tendant cette sensibilisation ne sont pas connus. Le neuropeptide neurotensine module le système dopaminergique et est régulé par les antipsychotiques dans le noyau accumbens. Dans cette région, la neurotensine peut avoir des effets anti- et pro-dopaminergiques via les récepteurs NTS1. Nous avions pour hypothèse que la neurotensine du noyau accumbens module l’expression de la sensibilisation dopaminergique induite par les antipsychotiques. Ainsi, nous avons traité par intermittence ou continuellement des rats à l’antipsychotique halopéridol. Seule l’administration continue sensibilise le système dopaminergique et donc sensibilise aux effets locomoteurs de l’amphétamine. Des microinjections de neurotensine dans le noyau accumbens ont diminué l’hyperlocomotion induite par l’amphétamine chez les rats témoins et ceux traités par intermittence aux antipsychotiques. Au contraire, la sensibilisation dopaminergique induite par un traitement continu serait liée à une augmentation des effets pro-dopaminergiques de la neurotensine. Ceci est indépendant d’un changement de densité des récepteurs NTS1 dans le noyau accumbens. Un traitement intermittent n’a pas d’effet sur cette mesure également. De plus, autant un traitement antipsychotique continu qu’intermittent augmentent la transcription de proneurotensine. Donc, seule l’altération de la fonction de la neurotensine du noyau accumbens corrèle avec la sensibilisation dopaminergique. En parallèle, dans le caudé-putamen, un traitement continu augmente la transcription de proneurotensine et un traitement intermittent augmente la densité des récepteurs NTS1. En somme, la neurotensine du noyau accumbens module la sensibilisation dopaminergique induite par les antipsychotiques. / Antipsychotic medications improve schizophrenia symptoms, but they can also sensitize the dopamine system over time, consequently leading to impaired treatment efficacy. The mechanisms underlying antipsychotic-evoked dopamine supersensitivity are not known. The neuropeptide neurotensin regulates the dopamine system and can be modulated by antipsychotics, particularly in the nucleus accumbens. In this area, neurotensin has both anti- and pro-dopaminergic effects via an interaction with NTS1 receptors. In the present study, we hypothesized that neurotensin in the nucleus accumbens can modulate the expression of dopamine supersensitivity-evoked by an antipsychotic treatment. We treated rats with the antipsychotic haloperidol administered either intermittently or continuously. Continuous, but not intermittent, haloperidol treatment induces dopamine supersensitivity as shown by an increased locomotor activity induced by amphetamine. Microinjections of neurotensin in the nucleus accumbens diminish amphetamine-induced locomotion in control and intermittently antipsychotic-treated rats. Dopamine supersensitivity-evoked by a continuous antipsychotic treatment is linked to a potential enhancement of the pro-dopaminergic effects of neurotensin. This is not caused by any change in NTS1 receptor levels in the nucleus accumbens. An intermittent treatment did not alter NTS1 receptor levels as well in this area. Also, both continuous and intermittent treatment increased neurotensin transcription in the nucleus accumbens. Thus, only neurotensin altered function correlates with dopamine supersensitivity. In the caudate-putamen, continuous antipsychotic treatment increased neurotensin transcription, whereas intermittent treatment increased NTS1 receptor levels. In summary, neurotensin in the nucleus accumbens can modulate the expression of dopamine supersensitivity-evoked by antipsychotics.

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Les problèmes de toxicomanie sont très communs chez les schizophrènes. L’administration chronique d’antipsychotiques pourrait être impliquée dans cette cooccurrence en induisant une hypersensibilisation du système dopaminergique. Précédemment, nous avons démontré chez le rat qu’un traitement continu (via une mini-pompe osmotique sous-cutanée), et non pas intermittent (via des injections journalières sous-cutanées), avec l’halopéridol a augmenté la capacité de l’amphétamine à potentialiser un comportement de recherche de récompense. Dans cette étude, nous avons étudié les effets d’un antipsychotique atypique soit l’olanzapine comparé à l’halopéridol. Un traitement continu avec l’halopéridol, et non pas l’olanzapine, a augmenté la capacité de l’amphétamine de potentialiser la poursuite d’une récompense conditionnée (lumière/son préalablement associés à l’eau). De plus, un traitement continu avec l’halopéridol a augmenté l’induction par l’amphétamine de l’activité locomotrice et l’expression d’ARNm pour le c-fos (marqueur fonctionnel d’activité cellulaire) dans le caudé-putamen. Donc, un traitement continu avec un antipsychotique typique, et non pas atypique, a augmenté les caractéristiques motivationnelles attribuées à un stimulus neutre. Ceci est potentiellement lié à au développement d’un état de sensibilisation comportementale aux effets de l’amphétamine et à une augmentation de la capacité de l’amphétamine de susciter la modulation de l’activité du caudé-putamen. Ainsi, un antipsychotique typique tel que l’halopéridol semble modifier les circuits de la récompense de façon à contribuer à des comportements caractérisés par une recherche et une consommation de drogues d’abus alors qu’un antipsychotique atypique tel que l’olanzapine aurait moins tendance à le faire. Nous suggérons que les antipsychotiques atypiques pourraient être une meilleure option chez les patients schizophrènes à risque d’avoir un trouble de consommation de drogues d’abus ou de toxicomanie. / Substance abuse problems are excessively common in schizophrenia. Chronic antipsychotic treatment might be involved in this co-morbidity by inducing supersensitivity in the brain’s dopamine system. We have shown previously in the rat that continuous (via osmotic subcutaneous minipump), but not intermittent (via daily subcutaneous injection), treatment with haloperidol potentiates the ability of amphetamine to enhance the pursuit of a conditioned reward. Here, we assessed the effects of the atypical antipsychotic olanzapine. Continuous treatment with haloperidol, but not with olanzapine, enhanced the capacity of amphetamine to potentiate the pursuit of a conditioned reward (a light-tone stimulus previously paired with water). In addition, continuous haloperidol treatment augmented both amphetamine-induced locomotion and striatal c-fos mRNA expression. These effects were either absent or less pronounced following continuous olanzapine treatment. Thus, continuous treatment with a typical, but not with an atypical, antipsychotic enhanced the incentive motivational properties of a reward cue, and this was potentially linked to the development of behavioural supersensitivity to amphetamine and to a greater ability of amphetamine to engage the caudate-putamen. Thus, a typical antipsychotic like haloperidol appears to modify the brain’s reward system in ways that could contribute to drug-seeking and drug-taking behaviour, but an atypical antipsychotic like olanzapine might be less likely to do so. We suggest that atypical antipsychotics might be a preferential option in schizophrenic patients at risk for drug abuse or addiction.