Interplay between Primary Cortical Areas and Crossmodal Plasticity

Perceptual representations are built through multisensory interactions underpinned by dense anatomical and functional neural networks that interconnect primary and associative cortical areas. There is compelling evidence that primary sensory cortical areas do not work in segregation, but play a role in early processes of multisensory integration. In this chapter, we firstly review previous and recent literature showing how multimodal interactions between primary cortices may contribute to refining perceptual representations. Secondly, we discuss findings providing evidence that, following peripheral damage to a sensory system, multimodal integration may promote sensory substitution in deprived cortical areas and favor compensatory plasticity in the spared sensory cortices

DNAM-1 and PVR Regulate Monocyte Migration through Endothelial Junctions

DNAX accessory molecule 1 (DNAM-1; CD226) is a transmembrane glycoprotein involved in T cell and natural killer (NK) cell cytotoxicity. We demonstrated recently that DNAM-1 triggers NK cell–mediated killing of tumor cells upon engagement by its two ligands, poliovirus receptor (PVR; CD155) and Nectin-2 (CD112). In the present paper, we show that PVR and Nectin-2 are expressed at cell junctions on primary vascular endothelial cells. Moreover, the specific binding of a soluble DNAM-1–Fc molecule was detected at endothelial junctions. This binding was almost completely abrogated by anti-PVR monoclonal antibodies (mAbs), but not modified by anti–Nectin-2 mAbs, which demonstrates that PVR is the major DNAM-1 ligand on endothelial cells. Because DNAM-1 is highly expressed on leukocytes, we investigated the role of the DNAM-1–PVR interaction during the monocyte transendothelial migration process. In vitro, both anti–DNAM-1 and anti-PVR mAbs strongly blocked the transmigration of monocytes through the endothelium. Moreover, after anti–DNAM-1 or anti-PVR mAb treatment, monocytes were arrested at the apical surface of the endothelium over intercellular junctions, which strongly suggests that the DNAM-1–PVR interaction occurs during the diapedesis step. Altogether, our results demonstrate that DNAM-1 regulates monocyte extravasation via its interaction with PVR expressed at endothelial junctions on normal cells

Sensorimotor Experience Influences Recovery of Forelimb Abilities but Not Tissue Loss after Focal Cortical Compression in Adult Rats

Sensorimotor activity has been shown to play a key role in functional outcome after extensive brain damage. This study was aimed at assessing the influence of sensorimotor experience through subject-environment interactions on the time course of both lesion and gliosis volumes as well as on the recovery of forelimb sensorimotor abilities following focal cortical injury. The lesion consisted of a cortical compression targeting the forepaw representational area within the primary somatosensory cortex of adult rats. After the cortical lesion, rats were randomly subjected to various postlesion conditions: unilateral C5–C6 dorsal root transection depriving the contralateral cortex from forepaw somatosensory inputs, standard housing or an enriched environment promoting sensorimotor experience and social interactions. Behavioral tests were used to assess forelimb placement during locomotion, forelimb-use asymmetry, and forepaw tactile sensitivity. For each group, the time course of tissue loss was described and the gliosis volume over the first postoperative month was evaluated using an unbiased stereological method. Consistent with previous studies, recovery of behavioral abilities was found to depend on post-injury experience. Indeed, increased sensorimotor activity initiated early in an enriched environment induced a rapid and more complete behavioral recovery compared with standard housing. In contrast, severe deprivation of peripheral sensory inputs led to a delayed and only partial sensorimotor recovery. The dorsal rhizotomy was found to increase the perilesional gliosis in comparison to standard or enriched environments. These findings provide further evidence that early sensory experience has a beneficial influence on the onset and time course of functional recovery after focal brain injury

1.2. Plasticité des représentations somesthésiques et illusions perceptives : le paradoxe du membre fantôme

Plasticity of somesthetic representations and perceptive illusions : the phantom limb paradox. The phantom limb phenomenon refers to the illusory sensation that a limb survives amputation. The specificity of normal somatosensory sensations associated with phantoms is preserved as is sometimes the ability to move the missing part of the body. Investigation of this perceptual illusion allows gaining insight into the elaboration, persistence and changes of the body image in relation to their neurobiological substrate. The understanding of this perceptual phenomenon is complicated by the experimental data which show that functional maps in the primary somatosensory and motor areas of the cortex that contribute to the body image retain a capacity for extensive remodelling in the adults. Nevertheless, the neuroplasticity mechanisms elucidated so far can explain the sensations referred to the phantom limb in response to stimulation of skin sites near, or distant from, the amputated limb. The widely distributed neural networks which contribute to the elaboration of the body scheme and self perception display a stability which makes seem paradoxical the primacy of the perceptual illusion over the reality of the information generated by the sensory organs.Le phénomène du membre fantôme se rapporte à la sensation fictive de la pérennité d'un membre amputé auquel sont associées la conservation de sensations spécifiques et, parfois, des possibilités de mouvements virtuels. L'exploration de cette illusion permet de mieux comprendre comment s'élaborent, se maintiennent et se modifient les représentations du corps en relation avec leur susbstratum neurobiologique. La compréhension de ce phénomène perceptif est singulièrement compliquée par les travaux qui démontrent une capacité de remodelage extensif des cartes fonctionnelles des aires primaires du cortex somesthésique et du cortex moteur chez l'adulte, qui concourent aux représentations du corps. Cependant, les mécanismes de neuroplasticité actuellement élucidés peuvent rendre compte des sensations qui sont référées au membre fantôme en réponse à la stimulation de territoires cutanés proche ou distants de l'amputation. L'organisation en réseaux neuronaux largement distribués qui sous-tend l'élaboration du schéma corporel et la perception du soi semble dotée d'une stabilité globale qui fait apparaître comme paradoxale la primauté de l'illusion du membre fantôme sur la réalité du contenu informationnel généré par les organes des sens.Xerri Christian. 1.2. Plasticité des représentations somesthésiques et illusions perceptives : le paradoxe du membre fantôme. In: Intellectica. Revue de l'Association pour la Recherche Cognitive, n°36-37, 2003/1-2. Repenser le corps l'action et la cognition avec les neurosciences, sous la direction de Jean-Luc Petit. pp. 67-87

Expérience artistique et plasticité cérébrale : un éclairage des neurosciences

International audienc

Développement d'un modèle animal de paralysie cérébrale (basé sur l'ischémie prénatale et l'expérience sensorimotrice anormale)

La paralysie cérébrale (PC) regroupe un ensemble varié de troubles moteurs, sensoriels et cognitifs, liés à des lésions de la substance blanche (i.e. leucomalacie périventriculaire, PVL) survenant, le plus souvent, après un épisode hypoxo-ischémique autour de la naissance. Afin de reproduire la PVL chez l'animal, nous utilisons une ischémie prénatale (PI) qui induit des lésions des substances blanche et grise. Les rats ischémiés développent des déficits cognitifs visuo-spatiaux et une hyperactivité, également observés chez les patients atteints de PC, liés à des lésions du cortex entorhinal, préfrontal et cingulaire. La PI n'induit que des troubles locomoteurs modérés associés à des signes de spasticité, et une atteinte anatomique et fonctionnelle du cortex somesthésique primaire (S1), tandis que le cortex moteur (M1) reste intact. Ainsi, la PI reproduit les symptômes observés chez les enfants et adultes nés prématurément. La présence de mouvements spontanés anormaux au cours de la 1ère année conduisant à la PC suggère une implication de l'expérience sensorimotrice anormale dans le développement de cette pathologie. La combinaison d'une restriction sensorimotrice (SMR) durant le développement et de la PI induit des troubles cognitifs atténués mais une hyperactivité importante. Les rats combinant PI et SMR présentent des déficits posturo-moteurs drastiques et une spasticité, associés à une dégradation des tissus musculo-squelettiques, comparables à ceux observés chez les patients. Ces troubles moteurs, associés à une désorganisation importante des cartes corticales dans S1 et M1, suggèrent un dysfonctionnement important des boucles d'intégration sensorimotrice.Cerebral palsy (CP) corresponds to various motor, sensory and cognitive disorders related to white matter damage (i.e. periventricular leucomalacia, PVL) often occurring after perinatal hypoxic-ischemic events. To reproduce PVL in rodents, we used a prenatal ischemia (PI) that induces white and gray matter damage. The ischemic rats exhibit visual-spatial cognitive deficits and hyperactivity, as observed in patients with CP, related to lesions of entorhinal, prefrontal and cingular cortices. Only mild locomotor disorders are induced by PI, associated to signs of spasticity, along with anatomical and functional degradation in the primary somatosensory cortex (S1), while the primary motor cortex (M1) remains unchanged. Thus, PI recapitulates the main symptoms found in children born preterm. Abnormal spontaneous movements (i.e. general movements) observed in infants who develop CP later on suggest that abnormal sensorimotor experience during maturation is key in the development of this catastrophic disease. The combination of a sensorimotor restriction (SMR) and PI in animal induces fewer cognitive deficits but still hyperactivity. Such a combination leads to severe postural and motor disorders, and spasticity, associated with musculoskeletal pathologies, as observed in patients with CP. In addition to motor disorders, drastic topographical disorganization of cortical maps in S1 and M1 suggest a major dysfunction of sensorimotor loops.AIX-MARSEILLE1-BU Sci.St Charles (130552104) / SudocSudocFranceF

Remodelage des cartes du cortex somesthésique dépendant de l'expérience sensorielle et corrélats perceptifs (approches électrophysiologique et comportementale chez le rat adulte)

Les cartes du cortex somesthésique primaire chez l'adulte présentent un potentiel de plasticité qui contribue à l'engrammation des expériences sensorielles idiosyncrasiques. Mes travaux de recherches consistent à évaluer, d'une part la relation entre les propriétés d'organisation des cartes corticales et les capacités perceptives, et d'autre part le degré de plasticité de ces cartes en fonction des expériences sensorielles chez le sujet adulte intact ou cérébrolésé. Nous avons exploré la malléabilité de la représentation sensorielle de la patte antérieure chez le rat. Les questions abordées dans mon mémoire de thèse visent à déterminer : 1. les effets de l'expérience en milieu enrichi ou appauvri en stimuli, modifiant la somatotopie des cartes corticales, sur les capacités de discrimination tactile ; - 2. l'influence de l'entraînement à cette discrimination perceptive sur l'organisation des cartes somesthésiques ; - 3. les conséquences de l'expérience tactile sur la malléabilité des cartes corticales imprégnées par un environnement hypergravitaire pendant les périodes du développement ; 4. les effets des stimulations cutanées localisées, sur la réorganisation des cartes après lésion neurovasculaire focale au sein de la représentation corticale de la patte, et l'impact de la fenêtre temporelle d'application de ces stimulations. Nos résultats montrent que les capacités perceptives reflètent dans une certaine mesure les propriétés d'organisation des cartes corticales mais qu'elles sont dépendantes de facteurs extrinsèques tels que les stratégies comportementales. La plasticité cérébrale permet une réactualisation de l'organisation des cartes corticales en relation avec l'expérience des individus. Cependant, le degré de cette plasticité semble délimité par les expériences acquises au cours des périodes critiques du développement. La plasticité post-lésionnelle sous-tend des réorganisations corticales, favorisées par des stimulations durant une période post-opératoire sensible.AIX-MARSEILLE1-BU Sci.St Charles (130552104) / SudocSudocFranceF

Malléabilité des cartes corticales somesthésiques chez l'adulte (approches électrophysiologique et biochimique )

La cinétique de la malléabilité des cartes cutanées induite lors du comportement d'allaitement met en avant une dissociation temporelle des processus de plasticité dans l'induction comme la réversibilité du remodelage. Une approche sur les mécanismes sous-jacents a contribué à préciser l'implication différentielle des processus inhibiteurs et excitateurs. Le remodelage de la taille des champs récepteurs, évoluant parallèlement au niveau des entrées sensorielles, est concomitant des variations d'expression des GAD 65 et 67, enzymes de synthèse du GABA. Les modifications des surfaces des zones de représentation cutanée, plus tardives, s'établissent parallèlement aux modulations des taux de CaMKII-a et NR2A, impliquées dans la potentialisation à long terme. Nous avons montré, enfin, que la synchronisation temporelle des stimulations cutanées, contingentée par l'arrangement topologique des territoires périphériques, est un facteur critique du remodelage des champs récepteurs neuronauxAIX-MARSEILLE1-BU Sci.St Charles (130552104) / SudocSudocFranceF

Early and Moderate Sensory Stimulation Exerts a Protective Effect on Perilesion Representations of Somatosensory Cortex after Focal Ischemic Damage

International audiencePrevious studies have shown that intensive training within an early critical time window after focal cortical ischemia increases the area of damaged tissue and is detrimental to behavioral recovery. We postulated that moderate stimulation initiated soon after the lesion could have protective effects on peri-infarct cortical somatotopic representations. Therefore, we have assessed the effects of mild cutaneous stimulation delivered in an attention-demanding behavioral context on the functional organization of the perilesion somatosensory cortex using high-density electrophysiological mapping. We compared the effects of 6-day training initiated on the 3rd day postlesion (early training; ET) to those of same-duration training started on the 8th day (delayed training; DT). Our findings confirm previous work showing that the absence of training aggravates representational loss in the perilesion zone. In addition, ET was found to be sufficient to limit expansion of the ischemic lesion and reduce tissue loss, and substantially maintain the neuronal responsiveness to tactile stimulation, thereby preserving somatotopic map arrangement in the peri-infarct cortical territories. By contrast, DT did not prevent tissue loss and only partially reinstated lost representations in a use-dependent manner within the spared peri-infarct cortical area. This study differentiates the effects of early versus delayed training on perilesion tissue and cortical map reorganization, and underscores the neuroprotective influence of mild rehabilitative stimulation on neuronal response properties in the peri-infarct cortex during an early critical period. Citation: Xerri C, Zennou-Azogui Y (2014) Early and Moderate Sensory Stimulation Exerts a Protective Effect on Perilesion Representations of Somatosensory Cortex after Focal Ischemic Damage. PLoS ONE 9(6): e99767