Anatomic brain asymmetry in vervet monkeys.

Asymmetry is a prominent feature of human brains with important functional consequences. Many asymmetric traits show population bias, but little is known about the genetic and environmental sources contributing to inter-individual variance. Anatomic asymmetry has been observed in Old World monkeys, but the evidence for the direction and extent of asymmetry is equivocal and only one study has estimated the genetic contributions to inter-individual variance. In this study we characterize a range of qualitative and quantitative asymmetry measures in structural brain MRIs acquired from an extended pedigree of Old World vervet monkeys (n = 357), and implement variance component methods to estimate the proportion of trait variance attributable to genetic and environmental sources. Four of six asymmetry measures show pedigree-level bias and one of the traits has a significant heritability estimate of about 30%. We also found that environmental variables more significantly influence the width of the right compared to the left prefrontal lobe

Diattenuation Imaging reveals different brain tissue properties

When transmitting polarised light through histological brain sections, different types of diattenuation (polarisation-dependent attenuation of light) can be observed: In some brain regions, the light is minimally attenuated when it is polarised parallel to the nerve fibres (referred to as D+), in others, it is maximally attenuated (referred to as D-). The underlying mechanisms of these effects and their relationship to tissue properties were so far unknown. Here, we demonstrate in experimental studies that diattenuation of both types D+ and D- can be observed in brain tissue samples from different species (rodent, monkey, and human) and that the strength and type of diattenuation depend on the nerve fibre orientations. By combining finite-difference time-domain simulations and analytical modelling, we explain the observed diattenuation effects and show that they are caused both by anisotropic absorption (dichroism) and by anisotropic light scattering. Our studies demonstrate that the diattenuation signal depends not only on the nerve fibre orientations but also on other brain tissue properties like tissue homogeneity, fibre size, and myelin sheath thickness. This allows to use the diattenuation signal to distinguish between brain regions with different tissue properties and establishes Diattenuation Imaging as a valuable imaging technique.Comment: 18 pages, 9 figure

Three-dimensional digital template atlas of the Macaque brain

We present a new 3D template atlas of the anatomical subdivisions of the macaque brain, which is based on and aligned to the magnetic resonance imaging (MRI) data set and histological sections of the Saleem and Logothetis atlas. We describe the creation and validation of the atlas that, when registered with macaque structural or functional MRI scans, provides a straightforward means to estimate the boundaries between architectonic areas, either in a 3D volume with different planesof sections, or on an inflated brain surface (cortical flat map). As such, this new template atlas is intended for use as a reference standard for macaque brain research. Atlases and templates are available as both volumes and surfaces in standard NIFTI and GIFTI formats

Uncovering a role for the dorsal hippocampal commissure in recognition memory

The dorsal hippocampal commissure (DHC) is a white matter tract that provides interhemispheric connections between temporal lobe brain regions. Despite the importance of these regions for learning and memory, there is scant evidence of a role for the DHC in successful memory performance. We used diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI) and white matter tractography to reconstruct the DHC in both humans (in vivo) and nonhuman primates (ex vivo). Across species, our findings demonstrate a close consistency between the known anatomy and tract reconstructions of the DHC. Anterograde tract-tracer techniques also highlighted the parahippocampal origins of DHC fibers in nonhuman primates. Finally, we derived diffusion tensor MRI metrics from the DHC in a large sample of human subjects to investigate whether interindividual variation in DHC microstructure is predictive of memory performance. The mean diffusivity of the DHC correlated with performance in a standardized recognition memory task, an effect that was not reproduced in a comparison commissure tract—the anterior commissure. These findings highlight a potential role for the DHC in recognition memory, and our tract reconstruction approach has the potential to generate further novel insights into the role of this previously understudied white matter tract in both health and disease

The Physical Mechanism of Blood-Brain Barrier Opening Using Focused Ultrasound and Microbubbles

The key to effective treatment of neurological diseases resides in the safe opening of the blood-brain barrier (BBB), a specialized structure that impedes the delivery of therapeutic agents to the parenchyma. Despite the fact that several approaches have been successful in overcoming the BBB impermeability, none of them can induce localized BBB opening noninvasively except for focused ultrasound (FUS) in conjunction with microbubbles. The physical mechanism behind the opening, however, has not been identified. Insight into the mechanism can be critical for delineating the safety profile for in both small and large animals alike. Therefore the purpose of this dissertation is to first determine the physical mechanism of FUS-induced BBB opening in mice and then translate this approach to non-human primates. To accomplish this goal, an in vivo transcranial cavitation detection system was developed and tested, built in phantoms and in vivo, to monitor the behavior of the microbubbles in the FUS bean, and to determine the type of cavitation, i.e., the activation of bubbles in an acoustic field, during BBB opening. We showed that the inertial cavitation (IC), a collapse of a bubble, which can vary from a fragmentation of the bubble to shock wave and liquid jets depending on the pressure, thereby damaging the endothelial cells of the brain capillaries, was not required to induce BBB opening in mice. With this system, the role of microbubble properties, including the diameter and shell components, in the BBB opening were determined. When the BBB opens with stable cavitation (SC), i.e., relatively moderate amplitude changes in the bubble size, the bubble diameter is similar to the capillary diameter (i.e., at 4-5, 6-8 µm) while with inertial cavitation it is not (i.e., at 1-2 µm). The bubble may thus have to be in closer proximity to the capillary wall to induce BBB opening without IC. The BBB opening properties, such as volume and permeability, however, were not affected by the shell component of the microbubbles in mice. The connection between the physical and physiological mechanism was then investigated to identify the lowest peak rarefactional pressure BBB opening threshold at 1.5 MHz (0.18 MPa). A sufficiently long pulse (pulse length = 0.5 ms) was required for the SC to induce BBB opening at the lowest pressure. However, the tight junctions, the main formation of the BBB, were found not to be disrupted after sonication at both low (0.18 MPa) and high (0.45 MPa) pressures. Therefore, the transcellular pathway may be the main route of the FUS-induced BBB opening. Finally, the cavitation-guided BBB opening system was used to induce reversible BBB opening in non-human primates. This is a major step towards clinical feasibility. In conclusion, a transcranial cavitation detection system was developed, in order to characterize the physical mechanism, the role of the microbubbles, and the corresponding physiological response of the FUS-induced BBB opening

Le système endocannabinoïde dans la rétine du singe : expression, localisation et fonctions

Le cannabis produit de nombreux effets psychologiques et physiologiques sur le corps humain. Les molécules contenues dans cette plante, désignées comme « phytocannabinoïdes », activent un système endogène qu’on appelle le système endocannabinoïde (eCB). Les effets de la consommation de cannabis sur la vision ont déjà été décrits sans cependant de formulation sur les mécanismes sous-jacents. Ces résultats comportementaux suggèrent, malgré tout, la présence de ce système eCB dans le système visuel, et particulièrement dans la rétine. Cette thèse vise donc à caractériser l’expression, la localisation et le rôle du système eCB dans la rétine du singe vervet, une espèce animale ayant un système visuel semblable à celui de l’humain. Nous avons mis au point un protocole expérimental d’immunohistochimie décrit dans l’article apparaissant dans l’Annexe I que nous avons utilisé pour répondre à notre objectif principal. Dans une première série de quatre articles, nous avons ainsi caractérisé l’expression et la localisation de deux récepteurs eCBs reconnus, les récepteurs cannabinoïdes de type 1 (CB1R) et de type 2 (CB2R), et d’un 3e présumé récepteur aux cannabinoïdes, le récepteur GPR55. Dans l’article 1, nous avons démontré que CB1R et une enzyme clé de ce système, la fatty acid amide hydrolase (FAAH), sont exprimés dans les parties centrale et périphérique de la rétine, et abondamment présents dans la fovéa, une région où l’acuité visuelle est maximale. Dans l’article 2, nous avons localisé le CB2R dans des cellules gliales de la rétine : les cellules de Müller et nous avons proposé un modèle sur l’action de cette protéine dans la fonction rétinienne faisant appel à une cascade chimique impliquant les canaux potassiques. Dans l’article 3, nous avons observé le GPR55 exclusivement dans les bâtonnets qui sont responsables de la vision scotopique et nous avons soumis un deuxième modèle de fonctionnement de ce récepteur par le biais d'une modulation des canaux calciques et sodiques des bâtonnets. Vu que ces 3 récepteurs se retrouvent dans des cellules distinctes, nous avons suggéré leur rôle primordial dans l’analyse de l’information visuelle au niveau rétinien. Dans l’article 4, nous avons effectué une analyse comparative de l’expression du système eCB dans la rétine de souris, de toupayes (petits mammifères insectivores qui sont sont considérés comme l’étape intermédiaire entre les rongeurs et les primates) et de deux espèces de singe (le vervet et le rhésus). Ces résultats nous ont menés à présenter une hypothèse évolutionniste quant à l’apparition et à la fonction précise de ces récepteurs. Dans les articles subséquents, nous avons confirmé notre hypothèse sur le rôle spécifique de ces trois récepteurs par l’utilisation de l’électrorétinographie (ERG) après injection intravitréenne d’agonistes et d’antagonistes de ces récepteurs. Nous avons conclu sur leur influence indéniable dans le processus visuel rétinien chez le primate. Dans l’article 5, nous avons établi le protocole d’enregistrement ERG normalisé sur le singe vervet, et nous avons produit un atlas d’ondes ERG spécifique à cette espèce, selon les règles de l’International Society for Clinical Electrophysiology of Vision (ISCEV). Les patrons électrorétinographiques se sont avérés semblables à ceux de l’humain et ont confirmé la similarité entre ces deux espèces. Dans l’article 6, nous avons démontré que le blocage de CB1R ou CB2R entraine une modification de l’électrorétinogramme, tant au niveau photopique que scotopique, ce qui supporte l’implication de ces récepteurs dans la modulation des ondes de l’ERG. Finalement, dans l’article 7, nous avons confirmé le modèle neurochimique proposé dans l’article 3 pour expliquer le rôle fonctionnel de GPR55, en montrant que l’activation ou le blocage de ce récepteur, respectivement par un agoniste (lysophosphatidylglucoside, LPG) ou un antagoniste (CID16020046), entraine soit une augmentation ou une baisse significative de l’ERG scotopique seulement. Ces données, prises ensemble, démontrent que les récepteurs CB1R, CB2R et GPR55 sont exprimés dans des types cellulaires bien distincts de la rétine du singe et ont chacun un rôle spécifique. L’importance de notre travail se manifeste aussi par des applications cliniques en permettant le développement de cibles pharmacologiques potentielles dans le traitement des maladies de la rétine.Cannabis produces a range of psychological and physiological effects on the human body. Cannabinoids are the chemical compounds found in cannabis that activate an endogenous system, termed the endocannabinoid (eCB) system. Reports made in the 1970s have noted that cannabis consumption affects vision. It is therefore suggested that the eCB system is present in the visual system, particularly in the retina. This thesis aims at characterizing the expression, localization, and role of the eCB system in the vervet monkey retina. This animal model has a similar visual system as humans. Using immunohistochemistry methods presented in the article of Annexe I, we have established an experimental protocol to answer our goal. In the first series of four articles, we have characterized the expression and localization of the cannabinoid receptor 1 (CB1R), cannabinoid receptor 2 (CB2R), and the putative cannabinoid receptor GPR55. In Article 1, we have demonstrated that CB1R and a key enzyme of this system, FAAH (fatty acid amide hydrolase), are expressed in the central and peripheral retina, but heavily present in the fovea, the retinal region responsible for high acuity vision. In Article 2, we have localized CB2R in the glial Müller cells and hypothesized a possible mechanism of action of CB2R involving potassium buffering. In Article 3, we found that GPR55 is exclusively expressed in rods and have proposed its role through the modulation of calcium and sodium channels in rods. Given that these three receptors are segregated in the vervet monkey retina, we suggested that they might have distinct roles in retinal physiology. In Article 4, we reported a comparative analysis of the expression of the eCB system components in the retina of rodents, tree shrews (small mammals considered as early primates), and monkeys. This paper provides evidence that the eCB system is differently expressed in the retina of these mammals and suggests a distinctive role of eCBs in visual processing. In the subsequent series of three articles, we confirmed their suggested roles in the retina by using electroretinography (ERG) and intravitreal injections of agonist and antagonist of these receptors. We concluded that they indeed play important roles in the retina. In Article 5, we developed a standard protocol for ERG testing in our animal model and have published an ERG atlas with normalized amplitudes and latency values similar to that of humans, following the guidelines of the International Society for Clinical Electrophysiology of Vision. In Article 6, we showed that blockade of CB1R or CB2R with specific antagonists modifies the ERG, both in photopic and scotopic conditions, which confirms the implication of these receptors in normal retinal function. Finally, in Article 7 (expression of GPR55 in rods only), we confirmed the suggest role of GPR55 in rods by showing that activation or blockade of GPR55 with a specific agonist (lysophosphatidylglucoside) or antagonist (CID16020046) increases or decreases the amplitude of the scotopic ERG waveforms. Taken together, these articles demonstrate that CB1R, CB2R, and GPR55 are differentially expressed in the vervet monkey retina and have distinct roles. This work has also clinical relevance in the way that we have discovered new pharmacological targets that can be used for treatment of many retinal diseases

Localization and function of the endocannabinoid system throughout the retinogeniculate pathway of vervet monkeys

Le système endocannabinoïde (eCB) est présent dans le système nerveux central (SNC) de mammifères, incluant la rétine, et est responsable de la régulation de nombreux processus physiologiques. Bien que la présence du récepteur cannabinoïde de type 1 (CB1R) a bien été documenté dans la rétine de rongeurs et primates, il y a encore une controverse quant à la présence du récepteur cannabinoïde de type 2 (CB2R) au niveau du SNC. En utilisant la microscopie confocale, nous sommes les premiers à signaler les patrons d’expression du CB2R dans la rétine de singe. Nos résultats démontrent que le CB2R est exprimé exclusivement dans les cellules de Müller de la rétine du singe. En outre, nous avons comparé les différents patrons d’expression du système eCB dans la rétine de la souris, du toupaye, ainsi que du singe vervet et macaque. Nous rapportons que les distributions de CB1R, FAAH (fatty acid amid hydrolase), MAGL (monoacylglycerol lipase) et DAGLα (diacylglycerol lipase alpha) sont hautement conservées parmi ces espèces alors que CB2R et NAPE-PLD (N-acyl phosphatidylethanolamine phospholipase D) présentent différents profils d'expression. CB2R n'a pas été détecté dans les cellules neuronales de la rétine des primates. L’immunoréactivité de NAPE-PLD est présente dans les couches de la rétine de souris et toupayes, mais a été limitée à la couche des photorécepteurs des singes vervet et macaque. Pour étudier les corrélats neuronaux et le rôle de la signalisation du système eCB dans la rétine, nous avons établi un protocole standard pour l'électrorétinographie (ERG), puis enregistré la réponse ERG de la rétine après le blocage des récepteurs avec des antagonistes spécifiques pour CB1R (AM251) et CB2R (AM630). Comparé au témoin, dans des conditions photopiques, et à certaines intensités faibles du stimulus, le blocage de CB1R diminue l'amplitude de l'onde-b, alors qu’à des intensités plus élevées, le blocage de CB2R augmente l'amplitude des deux-ondes a et b. De plus, le blocage des récepteurs cannabinoïdes provoque une augmentation de la latence des deux ondes a et b. Dans des conditions d’adaptation à l'obscurité, le blocage de CB1R et CB2R réduit l’amplitudes de l'onde a seulement à des intensités plus élevées et réduit l’onde b à intensités plus faibles. Des augmentations significatives de latence ont été observées dans les deux cas. Ces résultats indiquent que les récepteurs CB1 et CB2 chez les primates non humains sont impliqués dans la fonction rétinienne conditions photopiques. En outre, nous avons évalué le profil d'expression du CB1R, de FAAH et de NAPE-PLD au-delà de la rétine dans le corps géniculé latéral des singes et nous rapportons pour la première fois que CB1R et FAAH sont exprimés davantage dans les couches magnocellulaires. La NAPE-PLD a été localisée à travers les couches magno- et parvocellulaires. Aucune de ces composantes n’est exprimée dans les couches koniocellulaires. Ces résultats nous aident à mieux comprendre les effets des cannabinoïdes sur le système visuel qui pourraient nous mener à trouver éventuellement de nouvelles cibles thérapeutiques.The endocannabinoid (eCB) system is present in the mammalian central nervous system, including the retina, and is responsible for the regulation of many physiological processes. Anatomical and functional data collected in the retina indicate that cannabinoid receptors are important mediators of retinal function. Although the presence of the cannabinoid receptor type 1 (CB1R) has been documented in the rodent and primate retina, there is still some controversy regarding the presence of the CB2 receptor (CB2R) within the central nervous system. By using confocal microscopy, we are the first to report the distribution patterns of CB2R in the monkey retina. Our results show that CB2R is expressed exclusively in the Müller cells of the primate retina. Furthermore, we compared the eCB system distribution patterns in the retinas of mice, tree shrews, and vervet and macaque monkeys. We report that CB1R, FAAH, MAGL, and DAGLα distributions are highly conserved among these 3 species whereas CB2R and NAPE-PLD exhibit different expression patterns. CB2R was not detected in the neuroretinal cells of primates. NAPE-PLD immunoreactivity was present in the retinal layers of mice and tree shrews but was restricted to the photoreceptor layer in both species of primates studied. To study the neural correlates and the role of eCB signaling in the retina, we first established a standard protocol for electroretinography (ERG) and then recorded the ERG response of the retina after blocking receptors with specific antagonists for CB1R (AM251) and CB2R (AM630). Compare to control, in photopic conditions, at certain low flash intensities, only the blockade of CB1R decreases the amplitude of the a-wave and b-wave, while at some high flash intensities, blockade of CB2R increase the amplitude of both a- and b-waves. Also the blockade of the cannabinoid receptors causes an increase in the latency of both a- and b-waves. In dark-adapted eyes, blockade of the CB1R and CB2R reduces the a-wave only amplitudes in the higher intensities and decrease the b-wave in lower intensities. Some significant increases in latency were observed in both cases. These results indicate that CB1 and CB2 receptors in primates are involved in retinal function under photopic and scotopic conditions. In addition, we assessed the expression pattern of eCB components CB1R, FAAH, and NAPE-PLD beyond the retina in the dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN) of primates and report for the first time that while CB1R and FAAH are more abundantly expressed in the magnocellular layer, NAPE-PLD is distributed throughout both the magno- and parvocellular layers. None of these components are expressed in the koniocellular layer. These findings augment our understanding of the effects of cannabinoids on the visual system and may lead to novel therapeutics targeted to eCB signaling