Dissertations / Theses on the topic 'Cortex moteur primaire M1'

Background and aims: The primary motor cortex (M1) controls voluntary motor behaviours. M1 has been identified to play a major role in the execution of voluntary corticospinal tasks as well as self-initiated corticobulbar tasks. However, the involvement of M1 in more complex corticubulbar tasks, such as swallowing, is not yet fully understood. Swallowing is quite different from other voluntary motor tasks as it has both voluntary and reflexive components. The degree of M1 involvement in the pharyngeal, or more reflexive, component of swallowing is unclear. Studies investigating the role of M1 in swallowing have yielded contradictory findings regarding the specific functional contribution of M1 to swallowing. Therefore, further investigation is warranted to clarify the role of M1 in pharyngeal swallowing. Discrete saliva or water swallowing has been utilized in most studies investigating neurophysiology of swallowing in health and disease. However, individuals most frequently complete multiple, consecutive swallows during the ingestion of liquid. Biomechanical differences between discrete and continuous water swallows have been identified using videofluoroscopic swallowing study (VFSS). However, no studies have investigated the pharyngeal pressure differences between these two swallowing tasks. Additional insights into task differences may be revealed through evaluation of pharyngeal pressure utilizing pharyngeal manometry. This research programme sought to clarify the role of M1 in reflexively and volitionally initiated pharyngeal swallowing. In order to understand M1 involvement in the execution of swallowing, comparative tasks that require known dependence on M1 were also included in this research programme. This research programme addressed the biomechanical changes in motor behaviours as a result of neural disruption during the performance of a number of motor tasks. This neural disruption was intrinsically generated through application of dual task (DT) paradigm and extrinsically generated using single pulse transcranial magnetic stimulation (TMS). A secondary aim of this research programme was to identify the differences in pharyngeal pressure generation between discrete and continuous swallowing. Methods: Twenty-four right handed participants (12 males, average age= 24.4, SD= 6.3) were recruited to this research programme. A number of motor tasks that vary in complexity were tested. These tasks included: volitional swallowing, reflexive swallowing, eyebrow movement, jaw movement and finger tapping with right, left, or bilateral index fingers. Participants performed multiple trials of several tasks in each study. Repetitions of tasks during a single session may affect performance due to factors such as fatigue or practice. A baseline study was undertaken to determine within-participant variability of measures across repeated trials. Following the baseline study, the role of M1 in pharyngeal swallowing was investigated in two main studies in counter balanced order. The role of M1 in pharyngeal swallowing was evaluated by investigating swallowing parameters during neural disruption using a DT paradigm. Participants performed tasks in isolation (baseline) and with interference that consisted of pairing swallowing with comparative task that activates M1 (fingers tapping and eyebrow movement tasks). In the other study, single pulse TMS was utilized to create an electrophysiological disruption to the areas of M1 associated with muscular representation of a number of motor behaviours (swallowing tasks, jaw movement and fingers tapping tasks). Stimulation was provided to both hemispheres in random order to evaluate laterality effects. Swallowing parameters and the performance of the other motor tasks were evaluated when performed with and without electrophysiological disruption. Differences in pharyngeal pressure generation between discrete and continuous swallowing were investigated using pharyngeal manometry. Pharyngeal pressures were recorded at three locations: upper pharynx, mid-pharynx and upper esophageal sphincter (UES) during four swallowing types: discrete saliva swallowing, discrete 10 ml swallowing, volitional continuous swallowing, and reflexive continuous swallowing. The research paradigm used in this research programme identified the effect of experimental conditions on the rate and regularity of task performance. In addition, pharyngeal manometry was utilised to measure the effect of experimental conditions on the pattern of the pharyngeal pressure generation during swallowing. Within subject differences from baseline were identified by means of Repeated Measures Analyses of Variance (RM-ANOVA). Results: Initial analysis of the data revealed that repetition of tasks within a session did not affect the rate and regularity of voluntary corticospinal tasks, voluntary corticiobulbar tasks nor swallowing tasks. In addition, repeating the swallowing tasks during a session did not affect pharyngeal pressure as measured by pharyngeal manometry. When motor tasks were performed concurrently in the DT paradigm, rate and regularity of eyebrow movements were significantly decreased when paired with swallowing tasks, whereas rate and regularity of swallowing were significantly decreased when paired with left finger tapping, but not right finger tapping. However, there was no significant effect of any task on the pattern of pharyngeal pressure generation. Extrinsically generated disruption using TMS significantly reduced rate and regularity of finger tapping tasks and regularity of jaw movement and swallowing tasks. In addition, interruption of pharyngeal M1 during the volitional swallowing task produced significant increase in the duration but not the amplitude of the pharyngeal pressure. Pharyngeal pressure generation differed between swallowing types and boluses types, in that saliva swallowing produced longer pharyngeal pressure duration and lower nadir pressure than water swallows. Discrete water bolus swallowing produced longer UES opening compared to both saliva swallowing or continuous water swallowing. Conclusion: The results of this research programme provided valuable methodological information regarding the effect of trials on task performance as well as identifying pharyngeal pressure differences between discrete and continuous swallowing. In addition to the methodological contribution, this research programme expanded on previous knowledge of neural control of swallowing, in that it extended the findings regarding potential role of M1 in pharyngeal swallowing. Given the absent effect of task repetition on the performance of corticospinal and corticobulbar motor tasks, it is speculated that outcomes of research investigating the effect of experimental manipulation on motor tasks performance is due to the experimental tasks, rather than natural variance in the data. The effect of swallowing on the rate and regularity of eyebrow movement, when performed concurrently using DT paradigm, suggest bilateral functional overlapping to a significant degree between neural substrates that control swallowing and orofacial muscles. These results offer partial support of bilateral representation of swallowing in the cortex. In addition, results further revealed potential involvement of right M1 in the regulation of pharyngeal swallowing as evidenced by a disruptive effect of left finger tapping on the rate and regularity of swallowing. The results from the hemispheric TMS disruption study support the active involvement M1 in the execution of voluntary corticospinal and corticobulbar motor tasks. In addition, the current findings extended previous knowledge of neural control of pharyngeal swallowing by documenting the effect of neural disruption on the regularity and pharyngeal pressure measures during volitional and reflexive swallowing. The current programme documented potential role of M1 in the control of pharyngeal swallowing possibly by modulating the motor plan at the swallowing CPG in the brainstem. This project is the first to document pharyngeal pressure differences between discrete and continuous swallowing. These findings contribute valuable information to the swallowing literature as limited number of studies investigated the biomechanical differences between discrete and continuous liquid ingestion. This knowledge will assist clinicians and researchers in identifying the pharyngeal pressure differences between normal and abnormal swallowing in different swallowing types and ultimately guide their rehabilitation decisions. Data from this research programme will add to the existing knowledge of neurophysiology of swallowing, thereby facilitating understanding of swallowing pathophysiology which is crucial for appropriate management of swallowing disorders.

Les mouvements sont le résultat de contractions musculaires dont l’organisation spatio-temporelle est régie par des structures cérébrales et médullaires. Etudier les circuits qui les sous-tendent est une étape indispensable pour renforcer nos connaissances des mécanismes à l’origine de la commande des mouvements volontaires et pour mieux comprendre la pathophysiologie des mouvements anormaux. Les muscles squelettiques sont innervés par les motoneurones alpha de la moelle épinière qui à leur out sont influencés par des neurones des aires corticales motrices. Cette voie descendante constitue la voie corticomotoneuronale (CM) et est responsable de l’exécution des mouvements volontaires. Le cortex moteur primaire est considéré comme une structure clé, au cœur du système, permettant l’intégration complexe de nombreuses influences multi-régions pour conduire aux comportements moteurs adéquats. Les interactions qui existent entre les différents groupes de neurones au sein de M1 influent en dernier lieu sur la sortie motrice. De la balance complexe entre ces influences inhibitrices et excitatrices, locales ou à distance va dépendre l’état d’excitabilité des cellules CM contrôlant les différents muscles. L'objectif de ce travail de thèse était d'étudier comment évoluent certains de ces mécanismes excitateurs ou inhibiteurs du cortex moteur primaire lorsque la commande motrice volontaire d’un muscle de l’index est modifiée. Nous avons étudié le rôle de ces mécanismes dans les changements d’excitabilité de la voie CM qui accompagnent la contraction tonique volontaire du muscle premier interosseus dorsalis (FDI) en comparant une tâche simple mais peu naturelle : l’abduction de l'index, une tâche naturelle plus complexe: la pince pouce-index et la condition de repos musculaire. Nous avons également étudié l’effet de la commande motrice sur l’interaction entre deux de ces mécanismes inhibiteurs l’un à longue latence, la LICI, l’autre à courte latence, la SICI. Enfin nous avons souhaité évaluer le décours temporel de ces mécanismes dans un cadre pathologique tâche-dépendant: la crampe de l’écrivain. Pour cela, nous avons utilisé la technique d’electromyographie de surface pour enregistrer les potentiels moteurs évoqués par la Stimulation Magnétique Transcrânienne. Nous avons mis en évidence une modulation tâche-dépendante de la LICI. Par rapport à la tâche d’abduction simple, la LICI s’estompait plus tôt lors de la tâche de pince pouce-index, traduisant une désinhibition plus précoce lors d’un mouvement plus complexe. Nous avons observé, et ce pour la première fois dans la littérature, une phase de facilitation nette qui suivait cette désinhibition, et qui était absente lorsque le muscle était au repos. Ces résultats sont également visibles dans un muscle voisin du FDI, non engagé dans la tâche; cela suggère que les mécanismes à l’origine de la facilitation sont impliqués dans l’activité volontaire sans spécificité topographique. L’interaction entre la LICI et la SICI n’a pas été modifiée par la tâche effectuée, laissant penser qu’elle n’est pas impliquée dans les changements d’excitabilité tâche-dépendants. Enfin, il apparaît que la désinhibition est retardée chez les sujets dystoniques quand le muscle est engagé dans un mouvement complexe de pince pouce-index mais pas dans une tâche simple d’abduction de l’index en comparaison à des sujets contrôles. Ces résultats illustrent le fait que lors d’un mouvement plus complexe, l’efficacité des circuits inhibiteurs du cortex moteur primaire est modifiée, ce qui permet de réguler l’activité des cellules CM, afin d’adapter la commande motrice au mouvement souhaité. Le fait que cette désinhibition soit retardée dans une tâche complexe (proche de la tâche affectée) mais pas dans une tâche simple chez les patients atteints d’une crampe de l’écrivain suggère que les mécanismes à l’origine de la désinhibition pourraient participer aux troubles moteurs qui caractérisent la maladie
Movements are evoked by muscles contractions whose spatial organization is mediated by both spinal and cortical components. It is important to investigate the underlying circuitry of movements to extend our knowledge on how voluntary movement are controlled and to better understand the pathophysiology of movements disorders. The spinal alpha motoneurons innervating distal muscles are controlled at least in parts by corticomotoneuronal neurons located in the motor cortical areas. Among them, the primary motor cortex is considered as a key structure, performing a complex integration of multi-regional influences leading to appropriate motor behaviors. Axons from corticomotoneuronal (CM) cells of the primary motor cortex reach the spinal cord via descending motor pathway. CM neurons are influenced by local or distant, inhibitory and excitatory components which determine the balance of excitability. The aim of this thesis was to explore changes of some of the excitatory and inhibitory mechanisms of motor cortex as a function of the task being performed. We assessed the time course of Long-interval Intracortical Inhibition (LICI), Late Cortical Disinhibition (LCD) and Long interval Intracortical Facilitation (LICF), which are mechanisms that potentially act to modulate the output of CM controlling the first dorsal interosseus (FDI) muscle. We compared three conditions : index finger abduction (a simple but not natural task), precision grip between index and thumb ( amore natural and complex task), and rest. We also evaluated the effect of task on interaction between LICI and Short Interval Intracortical Inhibition (SICI). Finally, we assessed the time course of LICI in patients suffering from writer’s cramp. For this purpose, we used surface electromyography to record motor potentials evoked by Transcranial Magnetic Stimulation.We showed a task-dependent change in late inhibitory and disinhibitory components. Compared with abduction task, the LICI induced during precision grip was shorter, suggesting an early disinhibition in more complex task. The disinhibition was followed by a period of facilitation only during the active tasks, i.e. facilitation was not observed when all muscles were at restat rest. However, long interval intracortical facilitation can be observed in a muscle at rest not engaged in an active task if a neighboring muscle is activated. It is therefore likely that mechanisms underlying facilitation are associated with voluntary contraction albeit with lack of topographic specificity. Interaction between LICI and SICI was not modified between tasks, suggesting that it was not involved in task-dependent changes of cortical excitability. Lastly, disinhibition was shown to be delayed in dystonic patients when the FDI was actively engaged in a precision grip but not in index abduction, compared with control subjects. An explanation might be that mechanisms underlying disinhibition are impaired in thumb-index precision grip (a task similar to that inducing unwanted contractions in writer’s cramp). Task-specidic disruption of LICI and late cortical disinhibition may therefore be at least in part responsible for pathophysiology of dystonia. It is likely that during complex task, the efficacy of LICI, and more generally of motor cortex inhibitory mechanisms, is modified to allow adaptation of CM neurons activity to the functional requirements of the motor task being performed

Les méthodes non-invasives de neuro-imagerie et de neurostimulation peuvent être combinées pour mieux comprendre les connexions dans le cerveau. Pour la première fois, une étude combine de façon séquentielle l’IRM fonctionnelle (fMRI) et un protocole de TMS associative pairée cortico-corticale (TMS-PAScc) sur le cortex moteur primaire (M1) et sur le lobule pariétal inférieur (LPI) dans l’hémisphère gauche. La TMS module-t-elle le couplage neurovasculaire et permet-elle de renforcer une connexion fonctionnelle qui soit détectable à la fMRI à l’état de repos (RS-fMRI)? 10 sujets droitiers et en santé font une session de TMS-PAScc LPI-M1 de courte durée (180 paires d’impulsions, fréquence de stimulation à 0.02 Hz). Les mêmes sujets font 2 sessions de la RS-fMRI, avant et après le protocole PAScc. Les résultats montrent que la corrélation du signal BOLD entre les régions LPI-M1 avant et après la PAScc ne change pas de façon significative (avant-PAS=0.10±0.07 et après-PAS=0.09±0.07, p=0.64), tout comme l’amplitude des potentiels évoqués moteurs (PEM) des impulsions pairées LPI-M1 ne change pas de façon significative du début de la PAScc à 25 minutes après la PAScc (PASdébut=0.71±0.46mV, PASpost25min=0.72±0.89mV, p=0.338). Toutefois, les PEM des impulsions pairées LPI-M1 sont réduites par rapport aux PEM des impulsions simples M1, avant la PAScc et après la PAScc (PEM simples_pré et PASdébut, réduction de 0.32mV, p=0.05; PEM simples_post et PASpost25min, réduction de 0.39mV p=0.008), illustrant la présence d’un lien fonctionnel de nature inhibitrice entre LPI et M1. Toutefois, l’amplitude de cette inhibition n’est pas modulée de façon significative par la TMS-PAScc (ratio mesures pairées/mesures simples préPAS=0.9 et ratio postPAS=0.6, p=0.257). Dans l’ensemble, la TMS-PAScc ne montre pas d’effet soutenu sur la connectivité cérébrale telle que mesurée par la RS-fMRI et la TMS et ce, bien que le LPI montre un lien inhibiteur sur M1 de façon aigue. Plusieurs hypothèses peuvent expliquer cette absence d’effet soutenu, notamment, il est possible que l’altération de la connectivité ne soit visible que lorsque le réseau LPI-M1 est activement sollicité, comme durant l’exécution d’une tâche motrice. Il est aussi possible que le nombre de pairages soit insuffisant pour induire des changements mesurables, mais que la connectivité fonctionnelle suite à des sessions répétées de protocole PAScc pourrait modifier le couplage neurovasculaire et la plasticité cérébrale.
Abstract : Noninvasive neuroimagery and neurostimulation methods can be combined to further the understanding of the human brain connections. For the first time, resting state functional MRI (RS-fMRI) and paired associative cortico-cortical TMS (TMS-PAScc) of the motor cortex (M1) and the cortex of the inferior parietal lobule (LPI) of the left hemisphere are combined in a serial manner. Is TMS able to modify the neurovascular coupling as to facilitate LPI-M1 functional connectivity and change the fMRI BOLD signal? 10 right-handed and healthy subjects did a LPI-M1 TMS-PAScc session of short duration (180 paired pulses at 0.02 Hz, 15 min total). The same subjects underwent 2 fMRI sessions, before and after TMS-PAScc LPI-M1. Results show that the BOLD signal correlation between LPI-M1 does not change significantly before and after PAS (prePAS=0.10±0.07 et postPAS=0.09±0.07, p=0.64). TMS measures of motor evoked potentials (PEM) were taken before and after PAS LPI-M1. The paired pulse PEM measures did not change significantly from the start of PAScc to 25 minutes postPAS (PASstart=0.71 ± 0.46 mV, PASpost25min=0.72±0.89 mV, p=0.338). Paired PEM measures are statistically reduced from PAS PEM single measures, before and afterPAS (sPEM_pre et PASstart, significant 0.32mV reduction, p=0.05; PEMs_post et PASpost25min, 0.39mV reduction, p=0.008). PAScc did not show any significant neuroplasticity effect after 20 minutes because paired pulses did not change before and after PAScc. The PEM reduction of paired pulses is most likely related to the inhibiting effect of the conditioning stimulus of LPI on the test stimulus of M1 at 8ms. This inhibition is an effect limited to the measure itself and does not increase significantly with time (pairedpulse/singlepulsemeasures prePASratio=0.9 and postPASratio=0.6, p=0.257). TMSPAScc did not show a sustained effect on cerebral connectivity as measured by RS-fMRI although stimulation of LPI showed an acute inhibiting effect on M1 during paired measures. LPI-M1 TMS-PAScc did not show sustained connectivity and it could be because no task was involved in our study to actively solicit both cerebral regions during PAS. It is also possible that the number of paired stimulation was not enough to bring a change of connectivity and that PAS needs to be repeated on different days to eventually have a sustainable effect.

Les travaux réalisés lors de cette thèse ont porté sur le cortex moteur et les troubles de la marche de patients atteints de la maladie de Parkinson (MP). L’atteinte fonctionnelle des aires motrices corticales dans la MP et leur implication dans la physiopathologie des désordres moteurs a surtout été établie à partir de données issues des aires corticales des membres supérieurs. L’analyse électrophysiologique par stimulation magnétique transcranienne réalisée dans ces travaux de thèse a exploré les aires motrices corticales des membres inférieurs et révélé des troubles d’excitabilité différents de ceux classiquement décrits dans les aires corticales des membres supérieurs. En effet, il ressort principalement de l’étude sur le membre inférieur une diminution de la facilitation intracorticale (FIC) alors que la littérature décrit essentiellement pour les aires motrices corticales des membres supérieurs une altération des mécanismes inhibiteurs intracorticaux. Les anomalies corticales mises en évidence sont corrélées avec les paramètres locomoteurs affectés par la maladie, longueur d’enjambée et vitesse de marche. L’analyse des patients avec et sans traitement a permis de montrer que la supplémentation dopaminergique agit à la fois au niveau cortical et locomoteur normalisant partiellement les déficits observés. Les anomalies de FIC des aires corticales motrices des membres inférieurs paraissent donc être impliquées dans la physiopathologie des troubles de la marche dans la MP et pourraient de ce fait constituer un paramètre d’évaluation et un objectif thérapeutique de choix. L’utilisation de la stimulation magnétique transcranienne répétitive couplée à la neuronavigation permettrait d’explorer cette dernière piste
This thesis aims to study the relationships between motor cortex impairment and locomotor disorders in Parkinsonian patients (PP). Most of the previous studies have focused on the upper limb cortical areas showing the existence of an imbalance in cortical excitability, which mainly evolves towards a state of impaired intracortical inhibition. However, just a few studies have been devoted so far to the exact cortical abnormalities responsible for Parkinsonians’ gait disorders. The transcranial magnetic stimulation (TMS) studies presented here demonstrate that the excitability abnormalities occurring in PP differ between the cortical areas associated with the lower and upper limbs, since defective intracortical facilitation (ICF) processes were mainly detected in the lower limbs cortical areas. Furthermore, these specific excitability abnormalities identified seem to be involve in the genesis of the hypokinetic locomotor component since correlations were established between the ICF level and the shortened stride length (and by correlates, with the reduced velocity). Patients were assessed with and without dopaminergic substitution treatment (DST). We found that DST modified significantly both the cortical excitability abnormalities and the defective locomotor parameters. Impaired facilitatory processes in lower limbs cortical areas may be involved in the pathophysiology of gait disorders in PD. This hypothesis should be addressed in an experiment coupling repetitive TMS and neuronavigation

Depuis la fin des années 80, un grand nombre d'études comportementales ont démontré que nos représentations motrices participent à la perception visuelle du mouvement biologique ou de son résultat. Suite à la découverte des neurones miroir, un autre champ de recherche a révélé que la perception des stimuli impliquant un mouvement, active des régions corticales motrices telles que le cortex moteur primaire (M1). Bien que le rapprochement entre ces deux types de littérature soit facile et permette de spéculer sur un rôle direct de M1 dans la perception visuelle de stimuli impliquant un mouvement, cette relation causale mérite d'être directement testée. Afin d'étudier le rôle fonctionnel de M1 dans la perception visuelle, nous avons utilisé un paradigme de tâche duelle (motrice et perceptive) dans le but de manipuler directement le niveau d'activation de M1. Les conséquences de cette manipulation sur la perception visuelle de traces graphiques ont été mesurées sur le plan comportemental (Etudes 1 et 2) et neurophysiologique (Etudes 3 et 4). Les études comportementales révèlent que la sensibilité de discrimination durant l'observation visuelle de traces graphiques évolue en fonction de deux paramètres : les propres préférences motrices du participant dans la production de traces graphiques, mais également en fonction de la " disponibilité " de M1 lors de la tâche perceptive. Les études neurophysiologiques, quant à elles, ont réussi à mettre en évidence que M1 de l'observateur serait d'autant plus activé durant la perception visuelle d'une lettre, que cette dernière lui est familière sur le plan moteur. De plus, à travers cette notion de familiarité motrice, nos résultats ont révélé que M1 influence effectivement le traitement visuel des lettres. Cette influence se produit dès 300 ms après la présentation visuelle. L'ensemble de ces résultats fournissent des arguments en faveur de l'implication de M1 dans le traitement visuel de formes graphiques
Since 80's, lots of behavioral studies demonstrated that motor representation participate to visual perception of biological motion or of its results. In the same time, with the discovery of mirror neuron system, another research field revealed that stimuli perception implying motion activate motor cortical region like primary motor cortex (M1). Although the combination between these two literatures is simple and allows us to speculate on the direct role of M1 on visual perception of motion implied stimuli, this relationship remain to be directly tested. To investigate the functional role of M1 in visual perception, we used a dual-task paradigm (perceptual and motor task) in order to manipulate the level of activation of M1. Consequences of this manipulation on visual perception of graphic traces were measured both at behavioral (studies 1 and 2) and neurophysiological levels (studies 3 and 4). Behavioral studies revealed that during the visual discrimination task of graphic traces, the discrimination sensitivity evolved as function of two parameters: participants own motor preferences in production of graphic traces, but also M1 "availability" during perceptual task. Neurophysiological studies manage to highlight that the level of M1 activity during visual observation of letter is related to the motor familiarity of the letter observed. Moreover, thanks to the motor familiarity concept, we revealed that the M1 activity impacts visual processing of letter. This impact occurs around at 300 ms after letter presentation. Together, these results give strong evidence of the involvement of M1 in visual processing of graphic traces

Background: Oscillatory activity in the beta range, in human primary motor cortex (M1), shows interesting dynamics that are tied to behaviour and change systematically in disease. To investigate the pathophysiology underlying these changes, we must first understand how changes in beta activity are caused in healthy subjects. We used the Dynamic Causal Modelling framework to develop a microcircuit model to explain mesoscopic dynamics in motor cortex. This model was applied to explain differences in measured oscillatory characteristics between healthy controls and stroke patients. The model was tested for robustness of use in EEG, and applied to pharmacological datasets to investigate differences in effective connectivity at the mesoscopic level under different pharmacological conditions. Aims: To investigate the laminar interaction underpinning beta-oscillatory dynamics in humans, in vivo, non-invasively. To this apply methodology to stroke patients to elucidate any differences at the mesoscopic level between these two key groups. To investigate whether such a technique was clinically feasible with more readily available research tools such as EEG. To investigate mesoscopic motor cortical dynamics under pharmacological influence, in humans, in vivo. Data acquisition and analysis: Most data acquisition was performed using a 275 CTF MEG scanner, with some data acquisition being performed using a standard 32 lead EEG headset. These data were taken and subject to rigorous analysis, that utilised dynamic causal modelling, Bayesian model comparison, as well as several signal processing and head modelling procedures that is outlined in detail in chapter 2. All analysis was done using the SPM 12 suite designed for neuroimaging analysis in MATLAB. Conclusions: We were able to develop a canonical microcircuit model for M1, and show it had significantly more model evidence than previous CMC models in explaining data from motor cortex. We applied this model to healthy controls to show the laminar interactions underpinning beta-oscillations in humans, in vivo. We were then able to apply this model and characterise laminar differences between healthy controls and stroke patients, as well as propose a novel mechanism for the origins of movement related beta desynchronization. We were able to show that our technique remained robust when applied to more clinically appropriate EEG. We were able to show significant differences in effective connectivity in different pharmacological states, that corresponded to differences observed in measured oscillatory data between groups who were given tiagabine and controls.

L'intégration sensori motrice (ISM) est le processus par lequel les afférences sensitives sont intégrées par le système nerveux central et utilisées pour assister l'exécution des programmes moteurs. Plusieurs données suggèrent que celle-ci est anormale dans la maladie de Parkinson et serait impliquée dans la pathophysiologie de l'akinésie. En effet, la discrimination cutanée, l'acuité tactile spatiale, la kinesthésie ont été décrites déficientes dans cette maladie. Sa sensibilité aux traitements dopaminergiques est controversée. L'objectif de notre travail a été de tacher de mettre en évidence cette ISM anormale dans la maladie de Parkinson grâce à 2 techniques neurophysiologiques. Il s'agissait pour la 1e de la synchronisation liée à l'évènement des rythmes bêta (SLE bêta) qui permet d'étudier la désactivation corticale à la fin d'un mouvement actif mais aussi l'intégration corticale des afférences somesthésiques notamment lors des mouvements passifs et de la stimulation électrique des nerfs périphériques. La 2nde était l'étude de la modulation de l'excitabilité du cortex moteur primaire (évalué par la stimulation magnétique transcrânienne (TMS)) par des afférences somesthésiques générées par la stimulation électrique du nerf médian. Le but était de mettre en évidence des anomalies dans la modulation de l'excitabilité du cortex moteur primaire dans les intervalles inhibiteurs courts et longs (SAI et LAI) et/ou facilitateur (AIF). L'effet des traitements dopaminergiques a été évalué dans les deux cas par un enregistrement des patients après un sevrage thérapeutique. De nombreux protocoles de stimulation magnétique transcrânienne répétitive du cortex moteur que ce soit à basse ou haute fréquence, ont montré une efficacité sur l'akinésie. Il semblerait que les séances à fréquence plus rapides soient plus efficaces. Nous avons testé une nouvelle technique excitatrice à haute fréquence dite theta burst intermittente (ITBS) en regard du cortex moteur primaire chez des patients parkinsoniens et évalué l'effet sur l'akinésie. Nous avons par ailleurs étudié l'effet de cette stimulation sur l'ISM évaluée en conditionnant la TMS par une stimulation électrique du nerf médian. Notre 1e partie de l'étude a mis en évidence un effondrement de la SLE bêta dans la maladie de Parkinson après un mouvement actif, passif et une stimulation électrique du nerf médian. La levodopa a amélioré seulement la SLE bêta lors du mouvement actif. Nous avons pu ainsi confirmer l'atteinte de la SLE bêta active dans la maladie de Parkinson en lien avec un déficit de désactivation corticale en fin de mouvement mais aussi mettre en évidence une atteinte de la SLE bêta sensitive témoin d'un déficit du traitement cortical des afférences proprioceptives. La SLE bêta active a été améliorée par la levodopa alors que la SLE sensitive n'a pas été modifiée ce qui montre la dopa sensibilité de la désactivation corticale et le caractère non dopa sensible de l'ISM. Notre 2e partie n'a pas mis en évidence de différence significative dans la modulation de l'excitabilité du cortex moteur primaire par la stimulation électrique du nerf médian entre des patients parkinsoniens en début de maladie ni à un stade plus avancé par rapport à des témoins appariés par l'âge. En revanche la prise de levodopa a été associée à une aggravation de la LAI ce qui suggère aussi l'absence d'amélioration de l'ISM dans la maladie de Parkinson voire son aggravation par le traitement dopaminergique. Nous avons par contre montré que la modulation de l'excitabilité du cortex moteur primaire déclinait avec le vieillissement normal pour ce qui concerne les intervalles longs inhibiteurs (LAI) et facilitateurs (AIF) grâce à une comparaison d'une population de sujets contrôles jeunes et âgés sains. La session unique d'ITBS appliquée sur le cortex moteur primaire des patients parkinsoniens a permis d'améliorer transitoirement l'akinésie et la rigidité du membre supérieur controlatéral. Cette amélioration a été mise en évidence surtout chez les patients sous leur traitement habituel par levodopa mais aussi de manière moins nette chez les patients de novo ou ayant été sevré de leur traitement dopaminergique usuel. Nous avons par ailleurs observé une nette amélioration de l'AIF chez les patients sous levodopa uniquement ce qui suggère que l'ITBS du cortex moteur permettrait d'améliorer l'akinésie chez les patients parkinsoniens sous levodopa par une amélioration de l'ISM.

La coactivation est un phénomène musculaire fondamental pour la stabilisation et la protection des articulations lors de contractions volontaires et joue un rôle essentiel dans le contrôle du mouvement. De nombreuses études ont montré que des mécanismes supraspinaux et spinaux contribuent à la régulation de la coactivation musculaire, mais l'implication du cortex moteur primaire (M1) est encore mal connue. Les modulations des oscillations corticales et des interactions cortico-musculaires ont été étudiées lors de contractions isométriques à différents niveaux de forces chez des participants présentant différents niveaux de coactivation musculaire en raison de leur spécialité sportive (entraînement en force (ST) vs. en endurance (ED)). Chez les ST, une moindre coactivation musculaire est associée à une plus grande activation du M1, ce qui pourrait s'expliquer par le contrôle d'un plus grand nombre de muscles, notamment des muscles antagonistes. Grâce à une méthode novatrice pour analyser les interactions cortico-musculaires, nous montrons qu'il existe un couplage entre le M1 est les muscles antagonistes chez l'ensemble des participants et dans toutes les directions de contraction. Cependant, la magnitude des interactions cortico-musculaires avec les muscles antagonistes est plus faible qu'avec les muscles agonistes, ce qui pourrait s'expliquer par une plus grande implication des mécanismes spinaux dans la régulation de la coactivation musculaire. L'estimation des moments musculaires agoniste et antagoniste à l'aide d'un modèle biomécanique EMG-assisté ouvre la perspective d'étudier directement les corrélats cérébraux des moments musculaires. Dans leur ensemble, nos résultats, obtenus à l'aide d'une approche combinant biomécanique et neurosciences, ont mis en évidence l'implication directe du M1 dans la régulation de la coactivation musculaire lors de contractions isométriques volontaires.

La coactivation est un phénomène musculaire fondamental pour la stabilisation et la protection des articulations lors de contractions volontaires et joue un rôle essentiel dans le contrôle du mouvement. De nombreuses études ont montré que des mécanismes supraspinaux et spinaux contribuent à la régulation de la coactivation musculaire, mais l'implication du cortex moteur primaire (M1) est encore mal connue. Les modulations des oscillations corticales et des interactions cortico-musculaires ont été étudiées lors de contractions isométriques à différents niveaux de forces chez des participants présentant différents niveaux de coactivation musculaire en raison de leurs spécialités sportive (entraînement en force (ST) vs. En endurance (ED)). Chez les ST, une moindre coactivation musculaire est associée à une plus grande activation de M1, ce qui pourrait s'expliquer par le contrôle d'un plus grand nombre de muscles, notamment des muscles antagonistes. Grâce à une méthode novatrice pour analyser les interactions cortico-musculaires, nous montrons qu'il existe un couplage entre M1 est les muscles antagonistes chez l'ensemble des participants et dans toutes les directions de contraction. Cependant, la magnitude des interactions cortico-musculaires avec les muscles antagonistes est plus faible qu'avec les muscles agonistes, ce qui pourrait s'expliquer par une plus grande implication des mécanismes spinaux dans la régulation de la coactivation musculaire. L'estimation des moments musculaires agoniste et antagoniste à l'aide d'un modèle biomécanique EMG-assisté ouvre la perspective d'étudier directement les corrélats cérébraux des moments musculaires. Dans leur ensemble, nos résultats, obtenus à l'aide d'une approche combinant biomécanique et neurosciences, ont mis en évidence l'implication directe de M1 dans la régulation de la coactivation musculaire lors de contractions isométriques volontaires
Muscular coactivation is fundamental in stabilizing and protecting the articulations during voluntary contractions and plays an important role in movement control. Numerous studies have shown the contribution of supraspinal and spinal mechanisms to the regulation of muscular coactivation but the implication of the primary motor cortex (M1) is still unclear. We studied the modulation of cortical oscillations and cortico-muscular interactions during isometric contractions in athletes having different levels of muscular coactivation as a consequence of their training orientation (strength (ST) vs. Endurance (ED). We found that in ST, reduced muscular coactivation was associated with greater M1 activation, which could be explained by the control of a greater number of muscles, including antagonist muscles. Using a novel method to analyze cortico-muscular interactions, we show that M1 is directly involved in the control of antagonist muscles in all participants. However, the magnitude of cortico-muscular interactions with antagonist muscles was lower than in agonist muscles, which could be explained by a greater involvement of spinal mechanisms in the regulation of muscular coactivation. The estimation of agonist and antagonist muscle group moments opens the perspective to investigate the cerebral correlates of the modulation of muscular torque. Our results obtained through an approach combining biomechanics and neurosciences highlighted the involvement of M1 in the regulation of the muscular coactivation during isometric voluntary contractions

Dans les suites d'un accident vasculaire moteur (AVC), il existe une réorganisation des cartes de représentation corticale des territoires musculaires pouvant intéresser aussi bien le cortex moteur primaire (CMP) que le cortex prémoteur (CPM) de l'hémisphère cérébral atteint. La contribution de ces deux aires à la plasticité corticale post-AVC est loin d'être bien définie. Notre objectif était d'étudier les modifications de cartographie corticale motrice, notamment au niveau du CMP et du CPM, et leur implication dans la récupération fonctionnelle post-AVC. Dans ce but nous avons utilisé une technique de stimulation magnétique transcrânienne (SMT) guidée par l'imagerie (neuronaviguée). Les limites anatomiques des aires corticales et l'existence de repères anatomiques fiables dans différentes régions d'intérêts ont été définies dans un premier temps. Puis nous avons établi la cartographie normale des représentations corticales motrices dans un groupe de sujets sains, notamment au moyen de cartes « probabilistes » d'obtention de réponses motrices à la SMT qui prennent en compte les variabilités interindividuelles. Nous avons ensuite étudié les modifications de ces représentations dans un groupe de patients ayant des séquelles de lésion vasculaire des régions corticales motrices. Enfin, nous avons effectué un travail prospectif de suivi cartographique d'un groupe de patients ayant présenté un AVC moteur. Dans cette dernière partie, l'analyse des données cliniques et de SMT obtenues à la phase aigüe et à trois mois de l'AVC nous a permis de caractériser les modifications anatomo-fonctionnelles corticales qui accompagnent la régression du déficit moteur, supportant en particulier le rôle central du CMP de l'hémisphère lésé. En conclusion, nous proposons des modèles d'organisation neuronale expliquant le fonctionnement du cortex moteur chez le sujet sain ainsi que la récupération motrice après une lésion partielle du CMP
Following stroke, reorganization of the motor cortical maps takes places and involves both the primary motor cortex (M1) and the premotor cortex (PMC) on the affected hemisphere. The relative contribution of each of these two cortical areas in the process of post-stroke plasticity and motor recovery remains uncertain. The present project was designed to study the cortical changes that follow a motor stroke, namely those involving M1 and the PMC, and their implications for motor recovery. For this purpose we used MRI-guided (neuronavigated) transcranial magnetic stimulation (TMS). First, we defined the anatomical limits of the cortical areas and the reliable cortical landmarks within each region of interest. We then defined a normal motor map in a group of healthy subjects. Our “probabilistic” map was based on the probability of obtaining motor responses in a given area and therefore accounted for inter-subject variability of motor representations. Thereafter we studied the modifications of the motor cortical representations in a group of patients having recovered from a motor stroke. Finally, we prospectively followed a group of patients presenting with a motor stroke. By comparing the neurophysiological and clinical data at admission and three months later, we were able to characterize the anatomo-functional cortical changes that accompany motor recovery following stroke. Our results are consistent with a major role of M1 in motor recovery. To conclude, we propose a model of how the motor cortex works in healthy subjects and during post-stroke recovery process

La sitmulation magnétique transcrânienne répétitive (SMTr) est une technique de stimulation cérébrale non-invasive. Notre travail a porté sur les effets analgésiques de la SMTr. Nos travaux chez le volontaire sain, nous ont permis de montrer que les stimulations unilatérales du cortex moteur primaire ou du cortex préfrontal dorsolatéral induisaient des effets analgésiques diffus (réduction de l’intensité d’une douleur thermique). Ces effets n’étaient pas associés à des modifications du réflexe nociceptif RIII, suggérant qu’ils ne dépendent pas de l’activation des contôles descendants inhibiteurs. Dans une autre étude chez le volontaire sain, nous avons montré que les effets analgésiques des stimulations de M1 dépendent de la mise en jeu des systèmes opioïdes endogènes. Nos études dans la fibromyalgie, nous ont d’abord permis de mettre en évidence chez ces patients des altérations significatives de la modulation intracorticale corrélées à certains symptômes cliniques majeures de cette affection. Dans une seconde étude, nous avons montré, pour la première fois, qu’il est possible de maintenir des effets analgésiques au long cours. Ces effets analgésiques étaients associés à une amélioration globale de la qualité de vie des patientes. Nous avons montré que les effets cliniques de la SMTr étaient corrélés à une augmentation de la modulation intracorticale, suggérant qu’il est possible d’identifer des critères de réponse à ce type de traitement. Au total, nos études ont apporté des informations nouvelles concernant les mécanismes de l’action analgésique de la SMTr et ses indications cliniques potentielles chez les patients souffrant de douleurs chroniques

La douleur neuropathique centrale est une séquelle fréquente après une atteinte du système nerveux centrale. L’impact négatif de ces douleurs sur la qualité de vie des patients ainsi que l’efficacité modérée (40% de répondeurs) des traitements de 1ère intention font de la recherche de thérapies alternatives un enjeu clinique majeur. Depuis plusieurs années, la technique de stimulation magnétique transcrânienne répétée (rTMS) est présentée comme un outil intéressant pour soulager ce type de douleur sans pour autant que son efficacité clinique n’ait été clairement démontrée. Ce travail de thèse s’attache donc à investiguer l’efficacité de la rTMS pour traiter les douleurs neuropathiques centrales. Nous avons dans un premier temps mis en évidence, dans une étude observationnelle, qu’un minimum de 4-5 séances sur deux mois de rTMS à 20HZ sur le cortex moteur primaire (M1) produit un soulagement de la douleur pouvant se maintenir même après une année de stimulation. Afin d’écarter un possible effet placebo, nous avons objectivé l’efficacité antalgique en répliquant ce protocole dans une étude clinique randomisée, contrôlée, en groupes croisés. Les résultats obtenus confirment ceux de l’étude observationnelle puisque que l’effet antalgique de la rTMS active était significativement supérieure à la stimulation placebo pour le critère principal (% de soulagement, +33%) ou l’intensité douloureuse (EVA, -19%), avec 47% de répondeurs. Pour les patients non-répondeurs à la stimulation de M1, nous avons également testé contre placebo, dans une étude randomisée, l’efficacité d’une cible alternative : le cortex somesthésique secondaire (S2). Aucun des patients n’a été soulagé par cette stimulation mais le faible effectif de cette étude ne nous permet pas de conclure définitivement à l’absence d’effet antalgique. Enfin, compte tenu de l’utilisation croissante de nouvelles cibles corticales plus profondes, nous avons à partir de l’enregistrement du champ-magnétique produit par la rTMS dans différents milieux (l’air et modèle ex-vivo), proposé un modèle de distribution de ce champ selon la profondeur de la cible et le type de sonde de stimulation utilisé. Pour conclure, ces travaux objectivent l’effet antalgique de 4 séances de rTMS à 20Hz de M1 sur les douleurs neuropathiques centrales, validant ainsi son utilisation lorsque les traitements de 1ère intention ont échoué. Les résultats obtenus par la stimulation de S2 ainsi que par la modélisation du champ magnétique doivent permettre à de futures études d’explorer de nouvelles cibles corticales pour les patients qui restent encore en échec de traitement
Central neuropathic pain is a common sequelae after central nervous system injury. Its negative consequences on the quality of life and the moderate efficacy (40% of responders) of first-line treatments make the search for alternative therapies a major clinical challenge. For several years, the technique of repeated transcranial magnetic stimulation (rTMS) is presented as an interesting tool to relieve this sort of pain even though its clinical efficacy has not been clearly demonstrated. The aim of this thesis was to investigate the effectiveness of rTMS to relieve central neuropathic pain.We first demonstrated, in an observational study, that a minimum of 4-5 sessions over two months of rTMS at 20HZ on the primary motor cortex (M1) produces pain relief that can be maintained even after a year of stimulation. In order to rule out a possible placebo effect, we objectified the analgesic efficacy by replicating this protocol in a randomized, controlled, cross-over clinical study. The results obtained confirm those of the observational study since the analgesic effect of the active rTMS was significantly greater than the placebo stimulation for the main criterion (% of pain relief, +33%) or pain intensity (VAS, -19%), with 47% of responders. For patients who did not respond to M1 stimulation, we also tested the efficacy of an alternative target in a randomized study: the secondary somatosensory cortex (S2). None of the patients were relieved by this stimulation, but the small size of this study does not allow us to definitively conclude that there is no analgesic effect. Finally, given the increasing use of new deeper cortical targets in rTMS for pain treatment, we have from the recording of the magnetic field produced by the rTMS in different media (air and ex-vivo model), proposed a magnetic-field distribution model according to the depth of the target and the type of stimulation coils used.To conclude, this work objectify the analgesic effect of 4 rTMS sessions at 20 Hz of M1 to relieve central neuropathic pain, validating its use when first-line treatments have failed. The results obtained by S2 stimulation as well as magnetic field modeling should allow future studies to explore new cortical targets for patients who are still failing treatment

Le cortex moteur primaire et le striatum permettent la planification et la sélection de mouvements. La dopamine régule l'activité des neurones dans ces deux structures. La perte des neurones à dopamine projetant de la substance noire compacte vers le striatum est à l'origine de troubles moteurs observés dans la maladie de Parkinson. Nous avons caractérisé le contrôle par la dopamine des neurones du cortex moteur primaire chez la souris et avons démontré que les fibres dopaminergiques innervent préférentiellement la représentation des membres antérieurs dans les couches corticales profondes. Nous avons montré que la dopamine module localement l’activité électrophysiologique des neurones cortico-striataux via les récepteurs D2. Ces résultats montrent que la dopamine peut exercer un contrôle direct sur la motricité au niveau des neurones du cortex moteur primaire. Nous avons par la suite déterminé le potentiel des thérapies cellulaires dans un modèle animal de la maladie de Parkinson. Les approches actuelles privilégient la greffe ectopique de neurones à dopamine dans la région cible, le striatum. Nous avons choisi une approche alternative consistant à pratiquer la greffe au niveau de la région lésée, la substance noire compacte. Nous avons montré chez la souris que la lésion des neurones dopaminergiques altère les propriétés électrophysiologiques des neurones du striatum et que la greffe homotopique de neurones entraîne une meilleure récupération de ces caractéristiques électrophysiologiques que la greffe ectopique dans le striatum.Ces résultats ouvrent des perspectives d'étude des effets de la greffe homotopique sur l'activité des autres structures contrôlant la motricité
Primary motor cortex and striatum are involved in movement planification and selection. Dopamine regulates the neuronal activity of these two structures. The motor impairments observed in Parkinson's disease originates from the loss of dopamine neurons projecting from the substantia nigra pars compacta to the striatum.We characterized the dopaminergic control of the neurons of primary motor cortex in mice and we demonstrated that dopaminergic fibers preferentially innervate the forelimb representation map in the deep cortical layers. Furthermore, we demonstrated that dopamine locally modulates the electrophysiological activity of the cortico-striatal neurons through D2 receptors. These results show that dopamine can directly control motor function by influencing neuronal activity in primary motor cortex.Thereafter, we determined the potential of cell replacement therapies in an animal model of Parkinson's disease. In most studies, the transplanted dopamine neurons have been placed within the striatum. We have chosen an alternative approach by grafting neurons into the lesioned nucleus, substantia nigra. We showed in mice that the lesion of dopaminergic neurons impaired the electrophysiological properties of the striatal neurons. Whereas these properties are not fully restored with an intra-striatal transplant, all the electrophysiological characteristics are recovered with an intra-nigral graft. This result opens new perspectives to study the homotopic graft effects on the activity of the other structures controlling motor function

L’excès de synchronisation dans le réseau cortico-sous-cortical est une caractéristique majeure de la maladie de Parkinson. La stimulation cérébrale profonde (DBS) à haute fréquence (HF) des ganglions de la base modifie ces synchronies et améliore significativement les troubles moteurs. Il n’était pas encore connu si l’excès de synchronisation dans le cortex moteur primaire (M1) est présent avant les signes moteurs et si la modulation antidromique des réseaux corticaux via la stimulation HF de la voie hyperdirecte cortico-subthalamique suffit à le désynchroniser. Nous avons étudié la synchronisation des activités spontanées dans M1 de souris juvéniles PINK1 -/-, modèle génétique de Parkinson (PARK6) par imagerie calcique bi-photonique in vitro et l’avons comparée à celle de souris contrôle (P14-P16). Nous avons testé l’impact de la stimulation HF des fibres cortico-subthalamiques (région subthalamique) sur ces synchronies corticales. A un stade précoce, les réseaux M1 présentent un excès de synchronisation et, dans notre modèle de tranche, la DBS HF normalise le patron de synchronisation, plaidant pour un rôle primordial de la modulation antidromique de l’activité corticale via la voie hyperdirecte. En conclusion, nous proposons, grâce à ce modèle génétique progressif, que (1) des activités de réseau pathologiques sont présentes dans M1 bien avant les premiers signes moteurs et (2) que la modulation par voie antidromique de ces réseaux corticaux est un mécanisme essentiel d’action de la DBS HF. Ces résultats montrent qu’une pathologie dégénérative est détectable très tôt dans le développement (neuroarchéologie) mais ne s’exprimer somatiquement que tardivement
The excess of synchronization of neuronal activities within the cortico-basal ganglia network is a hallmark of the pathophysiology of Parkinson’s disease. High frequency deep brain stimulation (DBS) applied to various basal ganglia nuclei dampens the synchronized activity in the whole network, and brings about a significant motor improvement. However it is not to date established whether an early presymptomatic abnormal pattern of synchronization is present in the primary motor cortex long before motor signs, nor whether its antidromic modulation via the hyperdirect cortico-subthalamic pathway is sufficient to remove its excess of synchronization. To answer these questions we studied the synchronization of spontaneous activities in the primary motor cortex of PINK-/- mice (genetic rodent model of Parkinson’s (PARK6), a progressive model) and compared it with age-matched control mice (P14-16 (wild-type)) by means of two-photon calcium imaging. Secondly, we analyzed in vitro the impact of the high frequency stimulation of cortico-subthalamic fibers on the pattern of synchronization of cortical networks. We show that, (1) at an early stage of development, there is an excess of synchronized activity in primary motor cortical networks and that, (2) antidromic modulation of cortical activity is a key mechanism to account for the normalization of hyper synchronized activity. These results show that a neurodegenerative adult pathology may begin early during development (neuroarcheology) though clinical signs appear late in adulthood. Moreover, antidromic invasion of a network seems to be a key mechanism of deep brain stimulation

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein nichtinvasives Hirnstimulationsverfahren, mit welchem sowohl die funktionelle Untersuchung umschriebener kortikaler Regionen als auch die Modulation der Erregbarkeit ebendieser sowie die Induktion neuroplastischer Phänomene möglich ist. Sie wurde in der Vergangenheit insbesondere bei der Erforschung des humanen zentralmotorischen Systems angewandt. Dabei zeigte sich, dass ein einzelner über dem primärmotorischen Areal (M1) applizierter TMS-Puls multiple deszendierende Erregungswellen im Kortikospinaltrakt induzieren kann. Von diesen Undulationen besitzt die D-Welle (direkte Welle) die kürzeste Latenz und sie rekurriert auf eine direkte Aktivierung kortikospinaler Neurone, wohingegen I-Wellen (indirekte Wellen) längere Latenzen besitzen und durch transsynaptische Aktivierung dieser Zellen entstehen. Bemerkenswert ist das periodische Auftreten der letztgenannten Erregungswellen mit einer Periodendauer von etwa 1,5 ms. Zwar sind die genauen Mechanismen noch unbekannt, welche der Entstehung dieser I-Wellen sowie dem Phänomen der I-Wellen-Fazilitierung, das sich in geeigneten TMS-Doppelpulsprotokollen offenbart, zugrunde liegen, jedoch existieren hierzu verschiedene Erklärungsmodelle. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die repetitive Anwendung eines TMS-Doppelpulsprotokolls, bei dem das Interpulsintervall (IPI) im Bereich der I-Wellen-Periodizität liegt (iTMS) und das gleichsam durch eine Implementierung der I-Wellen-Fazilitierung in der repetitiven TMS charakterisiert ist. Da gezeigt werden konnte, dass iTMS mit einem IPI von 1,5 ms (iTMS_1,5ms) die kortikospinale Erregbarkeit signifikant intra- und postinterventionell zu steigern vermag, und die I-Wellen-Periodizität interindividuellen Schwankungen unterliegt, wurde in der hier vorgestellten Studie an Normalprobanden der Einfluss einer individuellen Anpassung des IPIs (resultierend in der iTMS_adj) auf die intrainterventionelle kortikospinale Erregbarkeit untersucht. In der Tat stellte sich heraus, dass die iTMS_adj der iTMS_1,5ms diesbezüglich überlegen ist. Dieses Ergebnis unterstreicht das Potential einer Individualisierung der interventionellen TMS für erregbarkeitsmodulierende Effekte und macht dasjenige der ohnehin auf physiologische Prozesse abgestimmten iTMS explizit, was insbesondere für klinische Anwendungen relevant sein mag.

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein nichtinvasives Hirnstimulationsverfahren, mit welchem sowohl die funktionelle Untersuchung umschriebener kortikaler Regionen als auch die Modulation der Erregbarkeit ebendieser sowie die Induktion neuroplastischer Phänomene möglich ist. Sie wurde in der Vergangenheit insbesondere bei der Erforschung des humanen zentralmotorischen Systems angewandt. Dabei zeigte sich, dass ein einzelner über dem primärmotorischen Areal (M1) applizierter TMS-Puls multiple deszendierende Erregungswellen im Kortikospinaltrakt induzieren kann. Von diesen Undulationen besitzt die D-Welle (direkte Welle) die kürzeste Latenz und sie rekurriert auf eine direkte Aktivierung kortikospinaler Neurone, wohingegen I-Wellen (indirekte Wellen) längere Latenzen besitzen und durch transsynaptische Aktivierung dieser Zellen entstehen. Bemerkenswert ist das periodische Auftreten der letztgenannten Erregungswellen mit einer Periodendauer von etwa 1,5 ms. Zwar sind die genauen Mechanismen noch unbekannt, welche der Entstehung dieser I-Wellen sowie dem Phänomen der I-Wellen-Fazilitierung, das sich in geeigneten TMS-Doppelpulsprotokollen offenbart, zugrunde liegen, jedoch existieren hierzu verschiedene Erklärungsmodelle. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die repetitive Anwendung eines TMS-Doppelpulsprotokolls, bei dem das Interpulsintervall (IPI) im Bereich der I-Wellen-Periodizität liegt (iTMS) und das gleichsam durch eine Implementierung der I-Wellen-Fazilitierung in der repetitiven TMS charakterisiert ist. Da gezeigt werden konnte, dass iTMS mit einem IPI von 1,5 ms (iTMS_1,5ms) die kortikospinale Erregbarkeit signifikant intra- und postinterventionell zu steigern vermag, und die I-Wellen-Periodizität interindividuellen Schwankungen unterliegt, wurde in der hier vorgestellten Studie an Normalprobanden der Einfluss einer individuellen Anpassung des IPIs (resultierend in der iTMS_adj) auf die intrainterventionelle kortikospinale Erregbarkeit untersucht. In der Tat stellte sich heraus, dass die iTMS_adj der iTMS_1,5ms diesbezüglich überlegen ist. Dieses Ergebnis unterstreicht das Potential einer Individualisierung der interventionellen TMS für erregbarkeitsmodulierende Effekte und macht dasjenige der ohnehin auf physiologische Prozesse abgestimmten iTMS explizit, was insbesondere für klinische Anwendungen relevant sein mag.

Le but de ce travail a été d’étudier le couplage entre la cinématique du mouvement et l’activité neuromagnétique du cerveau humain, de comprendre les mécanismes neuronaux à la base de ce couplage, et d’essayer de répondre, notamment grâce à l’utilisation de la cohérence cortico-cinématique, à un certain nombre de questions posées par le traitement de la cinématique d’un mouvement des doigts (exécuté ou observé) par le cerveau.Ce travail de thèse de doctorat démontre en 5 études originales que(i) la fréquence de mouvement n’a pas d’impact sur le niveau de couplage ni sur la localisation de la source principale de ce couplage pendant des mouvements volontaires des doigts (étude I), (ii) la cinématique de mouvements (dirigés vers un but) observés de la main d’autrui est couplée à l’activité du cerveau de l’observateur dans la partie postérieure du gyrus temporal supérieur droit, les lobules supra temporaux et cortex SM1 bilatéraux de la même manière que durant l’exécution d’un mouvement similaire (étude II),(iii) l’amplitude de la bande β des cortex SM1 bilatéraux est modulée par la cinématique de mouvements répétitifs de la main dirigés vers un but, et ce, de la même manière lors de l’exécution où de l’observation de cette action. Cette modulation ne semble pas être liée au phénomène de CKC (étude III), (iv) Ce couplage est réduit de manière significative chez les patients souffrant d’ataxie de Friedreich et ce, tant pour des mouvements actifs que passifs, ce qui apporte de nouvelles évidences en faveur du rôle prépondérant des afférences proprioceptives dans le phénomène CKC. De plus, la CKC corrèle de manière significative avec l’expansion de triplet GAA1 et pas avec les scores cliniques SARA plaidant ainsi pour une altération génétiquement déterminée et stable des afférences proprioceptives dans la maladie de Friedreich (étude IV),(v) l’activité magnétique du lobe postérieur du cervelet ipsilatéral au mouvement est couplée avec la cinématique de ce mouvement sans influence de la fréquence du mouvement (étude V).
Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine)
info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.
In this thesis, we addressed motor control by two experimental approaches: psychophysical studies in human subjects and neurophysiological recordings in non-human primates. We identified unresolved issues concerning interference in motor learning during adaptation of subjects to two or more anti-correlated force fields. We designed paradigms in which arbitrary color stimuli provided contextual cues that allowed subjects to predict the nature of impending external force fields before encountering them physically during arm movements. This contextual knowledge helped to facilitate adaptation to the force fields by reducing this interference. According to one computational model of motor learning (MOdular Selection And Identification model for Control; MOSAIC), the color context cues made it easier for subjects to build “internal models” of each force field, to recall them and to switch between them with minimal interference. In our first experiment, four groups of human subjects performed elbow flexion/extension movements against two anti-correlated viscous force fields. We combined two different colors for the computer monitor background with two forces: resistive (Vr) and assistive (Va). The first two groups were control subjects. In those subjects, the color of the computer monitor changed at regular intervals but the force field remained constant; Vr was presented to the first group while the second group only experienced Va. As a result, the color cues were irrelevant in the two control groups. All control subjects adapted well to the single experienced force field (Vr or Va). In the two experimental groups, in contrast, the anti-correlated force fields and the monitor colors changed repeatedly between short blocks of trials. In the first experimental group (Reliable-cue subjects), there was a consistent relationship between the force and the stimulus (color of the monitor) - the red colour always signalled the resistive force while the green colour always signalled the assistive force. Adaptation to the two anti-correlated forces for the Reliable-cue group was significant during 10 days of training and almost as good as in the Irrelevant-cue groups who only experienced one of the two force fields. Furthermore, the Reliable-cue subjects quickly demonstrated predictive adaptive changes in their motor output whenever the monitor color changed, even during their first day of training, showing that they could use the reliable color context cues to recall the appropriate motor skills. In contrast, the monitor color also changed regularly between red and green in the second experimental group, but the force fields were not consistently associated with the color cue (Unreliable-cue group). These subjects took longer to adapt to the two force fields than the other three groups, and could not use the unreliable color cue change to make predictive changes to their motor output. Nevertheless, all Unreliable-cue subjects developed an ingenious strategy of making a specific “default” arm movement to probe the type of force field they would encounter in the first trial after the monitor color changed and used the proprioceptive feedback about the nature of the field to make appropriate predictive changes to their motor output for the next few trials, until the monitor color changed again, signifying the possibility of a change in force fields. This strategy was effective since the force remained constant in each short block of trials while the monitor color remained unchanged. This showed that the Unreliable-cue subjects were able to extract implicit and explicit information about the structure of the task from the color stimuli and use that knowledge to reduce interference when adapting to anti-correlated forces. The results of this first study encouraged us to advance our understanding of how subjects can recall multiple motor skills coupled to color context stimuli can be recalled, and how this phenomenon can be reflected by the neuronal activity in monkeys. Our aim was to elucidate how neurons of primary motor cortex (M1) can contribute to adaptive compensation for a wide range of different external forces during single-joint elbow flexion/extension movements. At the same time, we aimed to test the hypothesis evoked in the MOSAIC model, whereby multiple controller modules located in the cerebellum may predict each context and produce appropriate adaptive output signals for a small range of task conditions. Also, according to this hypothesis, M1 neurons may receive inputs from many specialized cerebellar controllers and show appropriate response modulations for a wide range of task conditions. We trained two monkeys to adapt their flexion/extension elbow movements against 5 different force-field conditions: null field without any external force disturbance, two anti-correlated viscous forces (assistive and resistive), which depended on movement speed and resembled that used in the human psychophysical study, a resistive elastic force which depended on elbow-joint position and finally, a visco-elastic field that was the linear sum of the elastic and viscous forces field. Each force field was reliably coupled to 5 different computer monitor background colors. The monkeys properly adapted to the 5 different force-field conditions and used the color context cues to recall the corresponding motor skill for the force field associated with each color, so that they could make predictive changes to their motor output before they physically encountered the force fields. EMG recordings eliminated the possibility that a co-contraction strategy was used by the monkeys to adapt to the force fields, since the EMG patterns were appropriate to compensate for each force-field condition. In parallel, M1 neurons showed systematic changes in their activity at the single-neuron and population level in each force-field condition that could signal the required changes in the direction, magnitude and time course of muscle force output required to compensate for the 5 force-field conditions. The patterns of response changes in each force field were consistent enough across M1 neurons to suggest that most M1 neurons contributed to the compensation for all force field conditions, in line with the predictions of the MOSAIC model. Also, these response changes do not support a strongly modular organization for M1.

Chez les primates, le raffinement des mouvements de la main est associé à l’apparition d’aires prémotrices corticales additionnelles. Chacune de ces aires prémotrices semble avoir une fonction spécialisée dans le contrôle moteur de la main, appuyant l’idée qu’elles sont apparues au cours de l’évolution afin de soutenir un répertoire comportemental accru. Afin de participer à l’exécution de ce vaste répertoire, il est suggéré que les aires prémotrices modulent les efférences du cortex moteur primaire (M1), une aire corticale jouant un rôle clé dans la production des mouvements volontaires. En effet, grâce à leurs nombreuses projections cortico-corticales vers M1 ainsi que leurs projections vers des structures sous-corticales qui sont également innervées par M1, les aires prémotrices se trouvent dans une position idéale pour moduler les efférences motrices de M1. Néanmoins, la contribution de ces projections anatomiques à la production des mouvements de la main demeure peu comprise. La fonction de ces projections est toutefois importante à investiguer afin de mieux comprendre les interactions corticales qui sous-tendent l’augmentation du répertoire des mouvements de la main chez les primates. S’intégrant dans ce contexte de recherche, les expériences présentées dans cette thèse visent à caractériser les interactions corticales entre les aires prémotrices et M1 qui sont impliquées dans les mouvements de la main chez le singe capucin. Dans une première étude, les effets modulateurs du cortex prémoteur ventral (PMv) sur les efférences de M1 ont été investigués (Chapitre I). Dans une seconde étude, les effets modulateurs du cortex prémoteur dorsal (PMd) ont été étudiés et comparés à ceux de PMv (Chapitre II). Finalement, dans une troisième étude, les effets modulateurs de l’aire supplémentaire motrice (SMA) ont été examinés et comparés à ceux de PMv et de PMd (Chapitre III). En résumé, les résultats présentés dans cette thèse offrent une nouvelle perspective quant aux interactions corticales liant les aires prémotrices à M1. Il est démontré que chaque aire prémotrice influence les efférences de M1 de manière unique. Ceci appuie l’idée que chaque aire prémotrice joue un rôle spécialisé dans le contrôle moteur de la main et est en mesure d’accomplir cette fonction, entre autres, à travers sa modulation des efférences motrices de M1. Ces résultats contribuent à une meilleure compréhension des interactions corticales qui sous-tendent le raffinement des mouvements de la main accompagnant l’évolution du système moteur.
In primates, the refinement of hand movements is associated with the appearance of additional cortical premotor areas. Each of these premotor areas appears to have a specialized function in the motor control of the hand, supporting the idea that they have appeared during evolution to support an increased behavioral repertoire. In order to participate in the execution of this vast repertoire, it is suggested that the premotor areas modulate the motor outputs of the primary motor cortex (M1), a cortical area that plays a key role in the production of voluntary movements. Indeed, thanks to their numerous cortico-cortical projections to M1 as well as their projections to sub-cortical structures also innervated by M1, premotor areas are in an ideal position to modulate the motor outputs of M1. Nevertheless, the contribution of these anatomical projections to the production of hand movements is still unclear. The function of these projections, however, is important to investigate in order to better understand the cortical interactions that underlie the increased motor repertoire of primates. As an integral part of this research context, the experiments presented in this thesis aim to characterize the cortical interactions between the premotor areas and M1 involved in hand movements in the capuchin monkey. In a first study, the modulatory effects of ventral premotor cortex (PMv) on M1 outputs were investigated (Chapter I). In a second study, the modulatory effects of the dorsal premotor cortex (PMd) were studied and compared to those of PMv (Chapter II). Lastly, in a third study, the modulatory effects of the supplementary motor area (SMA) were examined and compared to those of PMv and PMd (Chapter III). In summary, the results presented in this thesis offer a new perspective on the cortical interactions linking the premotor areas to M1. It is shown that each premotor area influences the outputs of M1 in a unique way. This supports the idea that each premotor area plays a specialized role in the motor control of the hand and is able to accomplish this function, in part, through its modulation of M1 outputs. These results contribute to a better understanding of the cortical interactions that underlie the refinement of hand movements accompanying the evolution of the motor system.

Une variété de modèles sur le processus de prise de décision dans divers contextes présume que les sujets accumulent les évidences sensorielles, échantillonnent et intègrent constamment les signaux pour et contre des hypothèses alternatives. L'intégration continue jusqu'à ce que les évidences en faveur de l'une des hypothèses dépassent un seuil de critère de décision (niveau de preuve exigé pour prendre une décision). De nouveaux modèles suggèrent que ce processus de décision est plutôt dynamique; les différents paramètres peuvent varier entre les essais et même pendant l’essai plutôt que d’être un processus statique avec des paramètres qui ne changent qu’entre les blocs d’essais. Ce projet de doctorat a pour but de démontrer que les décisions concernant les mouvements d’atteinte impliquent un mécanisme d’accumulation temporelle des informations sensorielles menant à un seuil de décision. Pour ce faire, nous avons élaboré un paradigme de prise de décision basée sur un stimulus ambigu afin de voir si les neurones du cortex moteur primaire (M1), prémoteur dorsal (PMd) et préfrontal (DLPFc) démontrent des corrélats neuronaux de ce processus d’accumulation temporelle. Nous avons tout d’abord testé différentes versions de la tâche avec l’aide de sujets humains afin de développer une tâche où l’on observe le comportement idéal des sujets pour nous permettre de vérifier l’hypothèse de travail. Les données comportementales chez l’humain et les singes des temps de réaction et du pourcentage d'erreurs montrent une augmentation systématique avec l'augmentation de l'ambigüité du stimulus. Ces résultats sont cohérents avec les prédictions des modèles de diffusion, tel que confirmé par une modélisation computationnelle des données. Nous avons, par la suite, enregistré des cellules dans M1, PMd et DLPFc de 2 singes pendant qu'ils s'exécutaient à la tâche. Les neurones de M1 ne semblent pas être influencés par l'ambiguïté des stimuli mais déchargent plutôt en corrélation avec le mouvement exécuté. Les neurones du PMd codent la direction du mouvement choisi par les singes, assez rapidement après la présentation du stimulus. De plus, l’activation de plusieurs cellules du PMd est plus lente lorsque l'ambiguïté du stimulus augmente et prend plus de temps à signaler la direction de mouvement. L’activité des neurones du PMd reflète le choix de l’animal, peu importe si c’est une bonne réponse ou une erreur. Ceci supporte un rôle du PMd dans la prise de décision concernant les mouvements d’atteinte. Finalement, nous avons débuté des enregistrements dans le cortex préfrontal et les résultats présentés sont préliminaires. Les neurones du DLPFc semblent beaucoup plus influencés par les combinaisons des facteurs de couleur et de position spatiale que les neurones du PMd. Notre conclusion est que le cortex PMd est impliqué dans l'évaluation des évidences pour ou contre la position spatiale de différentes cibles potentielles mais assez indépendamment de la couleur de celles-ci. Le cortex DLPFc serait plutôt responsable du traitement des informations pour la combinaison de la couleur et de la position des cibles spatiales et du stimulus ambigu nécessaire pour faire le lien entre le stimulus ambigu et la cible correspondante.
A variety of models of the decision-making process in many different contexts suggest that subjects sample, accumulate and integrate sensory evidence for and against different alternative choices, until one of those signals exceeds a decision criterion threshold. Early models assumed that this process is static and does not change during a trial or even between trials, but only between blocks of trials when task demands such as speed versus accuracy change. However, newer models suggest that the decision-making process is dynamic and factors that influence the evidence accumulation process might change both between trials in a block and even during a trial. This thesis project aims to demonstrate that decisions about reaching movements emerge from a mechanism of integration of sensory evidence to a decision criterion threshold. We developed a paradigm for decision-making about reach direction based on ambiguous sensory input to search for neural correlates of the decision-making process in primary motor cortex (M1), premotor cortex (PMd) and dorsolateral prefrontal cortex (DLPFc). We first tested several versions of the task with human subjects before developing a task (“Choose and Go”) that showed ideal behavior from the subjects to test our hypothesis. The task required subjects to choose between two color-coded targets in different spatial locations by deciding the predominant color of a central “decision cue” that contained different amounts of colored squares of the two target colors. The strength of the evidence was manipulated by varying the relative numbers of squares of the two colors. The response times and error rates both increased in parallel as the strength of the sensory evidence in the decision cue (its color bias) became increasingly weaker. Computational modelling showed that the choice behaviour of the subjects could be captured by different variants of the drift-diffusion model for accumulation of sensory evidence to a decision threshold. We then recorded cells from M1, PMd and DLPFc in 2 macaques while they performed the task. Behavioral data showed that response times and error rates increased with the amount of ambiguity of the decision cues. M1 cells discharged in correlation with movement onset and were not influenced by the ambiguity of the decision cues. In contrast, the discharge of PMd cells increased more slowly with increased ambiguity of the decision cues and took increasingly more time to signal the movement direction chosen by the monkeys. The changes in activity reflected the monkeys’ reach choices. These data support a role for PMd in the choice of reach direction. DLPFc data are preliminary but reveal a stronger effect of the color-location conjunction rule in the neuronal discharge than in PMd. Our conclusion is that PMd is involved in the evaluation of evidence for and against different alternatives and about target spatial location independent of the color of the targets. DLPFC neurons play a greater role in processing information about the color and location of the spatial targets and decision cue to resolve the color-location conjunction rule required to decide on the reach target direction.

Le contrôle moteur fin et précis des doigts est une habileté importante dans la vie quotidienne pour écrire ou manger par exemple. Ce contrôle moteur est pris en charge par le cortex moteur primaire (M1) qui transmet le signal neuronal à la moelle épinière via la voie corticospinale. Le macaque rhésus est un excellent modèle pour étudier ce système moteur car, comme chez l’humain, il possède cette voie cortico-motoneuronale directe. Bien que les déficits du contrôle moteur de la main suite à des inactivations de M1 aient été étudiés sur des modèles de singes, peu d’études ont décrit les changements musculaires sous-tendant ces déficits. Le but de cette étude était d’évaluer les effets d’une inactivation partielle de M1 sur le comportement et l’activation du patron musculaire du membre supérieur chez le macaque rhésus. Pour ce faire, nous avons effectué des injections intra-corticales de Muscimol, un agoniste du GABA, pour inactiver temporairement l’aire de représentation de la main de M1. Des singes ont été entrainés à réaliser une tâche d’atteinte et de préhension qui requière l’utilisation du pouce et de l’index pour attraper une pastille de nourriture. En parallèle, les activités électromyographiques (EMG) des muscles proximaux et distaux du membre supérieur contralatéral aux sites d’injections ont été enregistrées. L’inactivation partielle de M1 entraine différents déficits moteurs comme une diminution du taux de succès, une perte des mouvements indépendants des doigts, une première flexion de l’index plus lente, et l’apparition de nouvelles stratégies de préhension pour attraper la pastille. Dans le cas de trouble sévère, les singes ont présentés tous ces déficits comportementaux. Ces troubles moteurs étaient sous-tendus par des activités musculaires anormales. En effet, les analyses EMG ont mis en évidence des changements dans les latences et les patrons d’activations musculaires des muscles proximaux et distaux au cours de la phase d’atteinte, d’ajustement et de préhension. Dans le cas de trouble modéré, les patrons d’activations musculaires étaient préservés malgré certain déficits visibles. Cependant, les patrons d’activations musculaires étaient altérés si la tâche demandait une rotation de l’avant-bras et de la main. Ces résultats montrent que les déficits comportementaux et les changements musculaires dépendent de la sévérité des troubles moteurs et/ou de la difficulté de la tâche (i.e. une rotation de l’avant-bras).
Fine digit movements contribute to many different aspects of our daily life and require appropriate muscle coordination. The main pathway through which M1 sends motor commands to spinal motor neurons is via the corticospinal tract. The rhesus macaque, like humans, have this direct corticomotoneuronal pathway of M1, making it a useful model to study this system. Although the effect of M1 inactivation on the control of the hand in term of behavioral changes has been studied in monkeys, little is known of how muscle activation patterns of the upper limb during reaching and grasping in monkeys becomes altered. The goal of this study was to evaluate the effect of a partial inactivation of the primary motor cortex (M1) in rhesus macaques on both behavioral performance and muscle activations. To do so we performed intra-cortical injections of Muscimol, a GABA agonist, to inactivate the hand area of M1. Monkeys performed a reach-to-grasp task that required a precision grip to retrieve a food pellet from a well. Electromyographic (EMG) activity of the proximal and distal muscles of the contralateral upper limb were recorded and quantified relative to the behavioral performance. We found that depending on the severity of the impairment, the Muscimol injection could induce several different movement abnormalities, such as decrease in the success rate, loss of independent finger movements, longer duration of the first flexion of the index finger, and use of alternate types of grasp to retrieve the food pellet. In cases of severe impairment, monkeys displayed all these movement abnormalities concurrently. In addition, we observed that behavioral deficits were associated with muscle discoordination. Indeed, EMG analysis revealed that the latencies and the muscle activation patterns were altered during the reach, hand preshaping and the grasp phases of the movement. These inappropriate EMG activities were visible on both proximal and distal muscles of the upper limb. In cases of mild impairment, monkeys had fewer behavioral deficits, but still showed some changes in the temporal muscle activation patterns. In contrast to the severe cases, the muscle activation patterns were more preserved. Interestingly, in the mild cases, the muscle activation patterns were altered if a rotation of the forearm was required by the task. Thus, we found that behavioral and muscular activation changes were dependent on the severity of the impairment and/or the difficulty of the task (i.e. required a rotation of the forearm).