The behavioral relevance and top-down susceptibility of early, low level multisensory interactions in humans

Abstract (English)General backgroundMultisensory stimuli are easier to recognize, can improve learning and a processed faster compared to unisensory ones. As such, the ability an organism has to extract and synthesize relevant sensory inputs across multiple sensory modalities shapes his perception of and interaction with the environment. A major question in the scientific field is how the brain extracts and fuses relevant information to create a unified perceptual representation (but also how it segregates unrelated information). This fusion between the senses has been termed "multisensory integration", a notion that derives from seminal animal single-cell studies performed in the superior colliculus, a subcortical structure shown to create a multisensory output differing from the sum of its unisensory inputs. At the cortical level, integration of multisensory information is traditionally deferred to higher classical associative cortical regions within the frontal, temporal and parietal lobes, after extensive processing within the sensory-specific and segregated pathways. However, many anatomical, electrophysiological and neuroimaging findings now speak for multisensory convergence and interactions as a distributed process beginning much earlier than previously appreciated and within the initial stages of sensory processing.The work presented in this thesis is aimed at studying the neural basis and mechanisms of how the human brain combines sensory information between the senses of hearing and touch. Early latency non-linear auditory-somatosensory neural response interactions have been repeatedly observed in humans and non-human primates. Whether these early, low-level interactions are directly influencing behavioral outcomes remains an open question as they have been observed under diverse experimental circumstances such as anesthesia, passive stimulation, as well as speeded reaction time tasks. Under laboratory settings, it has been demonstrated that simple reaction times to auditory-somatosensory stimuli are facilitated over their unisensory counterparts both when delivered to the same spatial location or not, suggesting that audi- tory-somatosensory integration must occur in cerebral regions with large-scale spatial representations. However experiments that required the spatial processing of the stimuli have observed effects limited to spatially aligned conditions or varying depending on which body part was stimulated. Whether those divergences stem from task requirements and/or the need for spatial processing has not been firmly established.Hypotheses and experimental resultsIn a first study, we hypothesized that auditory-somatosensory early non-linear multisensory neural response interactions are relevant to behavior. Performing a median split according to reaction time of a subset of behavioral and electroencephalographic data, we found that the earliest non-linear multisensory interactions measured within the EEG signal (i.e. between 40-83ms post-stimulus onset) were specific to fast reaction times indicating a direct correlation of early neural response interactions and behavior.In a second study, we hypothesized that the relevance of spatial information for task performance has an impact on behavioral measures of auditory-somatosensory integration. Across two psychophysical experiments we show that facilitated detection occurs even when attending to spatial information, with no modulation according to spatial alignment of the stimuli. On the other hand, discrimination performance with probes, quantified using sensitivity (d'), is impaired following multisensory trials in general and significantly more so following misaligned multisensory trials.In a third study, we hypothesized that behavioral improvements might vary depending which body part is stimulated. Preliminary results suggest a possible dissociation between behavioral improvements andERPs. RTs to multisensory stimuli were modulated by space only in the case when somatosensory stimuli were delivered to the neck whereas multisensory ERPs were modulated by spatial alignment for both types of somatosensory stimuli.ConclusionThis thesis provides insight into the functional role played by early, low-level multisensory interac-tions. Combining psychophysics and electrical neuroimaging techniques we demonstrate the behavioral re-levance of early and low-level interactions in the normal human system. Moreover, we show that these early interactions are hermetic to top-down influences on spatial processing suggesting their occurrence within cerebral regions having access to large-scale spatial representations. We finally highlight specific interactions between auditory space and somatosensory stimulation on different body parts. Gaining an in-depth understanding of how multisensory integration normally operates is of central importance as it will ultimately permit us to consider how the impaired brain could benefit from rehabilitation with multisensory stimula-Abstract (French)Background théoriqueDes stimuli multisensoriels sont plus faciles à reconnaître, peuvent améliorer l'apprentissage et sont traités plus rapidement comparé à des stimuli unisensoriels. Ainsi, la capacité qu'un organisme possède à extraire et à synthétiser avec ses différentes modalités sensorielles des inputs sensoriels pertinents, façonne sa perception et son interaction avec l'environnement. Une question majeure dans le domaine scientifique est comment le cerveau parvient à extraire et à fusionner des stimuli pour créer une représentation percep- tuelle cohérente (mais aussi comment il isole les stimuli sans rapport). Cette fusion entre les sens est appelée "intégration multisensorielle", une notion qui provient de travaux effectués dans le colliculus supérieur chez l'animal, une structure sous-corticale possédant des neurones produisant une sortie multisensorielle différant de la somme des entrées unisensorielles. Traditionnellement, l'intégration d'informations multisen- sorielles au niveau cortical est considérée comme se produisant tardivement dans les aires associatives supérieures dans les lobes frontaux, temporaux et pariétaux, suite à un traitement extensif au sein de régions unisensorielles primaires. Cependant, plusieurs découvertes anatomiques, électrophysiologiques et de neuroimageries remettent en question ce postulat, suggérant l'existence d'une convergence et d'interactions multisensorielles précoces.Les travaux présentés dans cette thèse sont destinés à mieux comprendre les bases neuronales et les mécanismes impliqués dans la combinaison d'informations sensorielles entre les sens de l'audition et du toucher chez l'homme. Des interactions neuronales non-linéaires précoces audio-somatosensorielles ont été observées à maintes reprises chez l'homme et le singe dans des circonstances aussi variées que sous anes- thésie, avec stimulation passive, et lors de tâches nécessitant un comportement (une détection simple de stimuli, par exemple). Ainsi, le rôle fonctionnel joué par ces interactions à une étape du traitement de l'information si précoce demeure une question ouverte. Il a également été démontré que les temps de réaction en réponse à des stimuli audio-somatosensoriels sont facilités par rapport à leurs homologues unisensoriels indépendamment de leur position spatiale. Ce résultat suggère que l'intégration audio- somatosensorielle se produit dans des régions cérébrales possédant des représentations spatiales à large échelle. Cependant, des expériences qui ont exigé un traitement spatial des stimuli ont produits des effets limités à des conditions où les stimuli multisensoriels étaient, alignés dans l'espace ou encore comme pouvant varier selon la partie de corps stimulée. Il n'a pas été établi à ce jour si ces divergences pourraient être dues aux contraintes liées à la tâche et/ou à la nécessité d'un traitement de l'information spatiale.Hypothèse et résultats expérimentauxDans une première étude, nous avons émis l'hypothèse que les interactions audio- somatosensorielles précoces sont pertinentes pour le comportement. En effectuant un partage des temps de réaction par rapport à la médiane d'un sous-ensemble de données comportementales et électroencépha- lographiques, nous avons constaté que les interactions multisensorielles qui se produisent à des latences précoces (entre 40-83ms) sont spécifique aux temps de réaction rapides indiquant une corrélation directe entre ces interactions neuronales précoces et le comportement.Dans une deuxième étude, nous avons émis l'hypothèse que si l'information spatiale devient perti-nente pour la tâche, elle pourrait exercer une influence sur des mesures comportementales de l'intégration audio-somatosensorielles. Dans deux expériences psychophysiques, nous montrons que même si les participants prêtent attention à l'information spatiale, une facilitation de la détection se produit et ce toujours indépendamment de la configuration spatiale des stimuli. Cependant, la performance de discrimination, quantifiée à l'aide d'un index de sensibilité (d') est altérée suite aux essais multisensoriels en général et de manière plus significative pour les essais multisensoriels non-alignés dans l'espace.Dans une troisième étude, nous avons émis l'hypothèse que des améliorations comportementales pourraient différer selon la partie du corps qui est stimulée (la main vs. la nuque). Des résultats préliminaires suggèrent une dissociation possible entre une facilitation comportementale et les potentiels évoqués. Les temps de réactions étaient influencés par la configuration spatiale uniquement dans le cas ou les stimuli somatosensoriels étaient sur la nuque alors que les potentiels évoqués étaient modulés par l'alignement spatial pour les deux types de stimuli somatosensorielles.ConclusionCette thèse apporte des éléments nouveaux concernant le rôle fonctionnel joué par les interactions multisensorielles précoces de bas niveau. En combinant la psychophysique et la neuroimagerie électrique, nous démontrons la pertinence comportementale des ces interactions dans le système humain normal. Par ailleurs, nous montrons que ces interactions précoces sont hermétiques aux influences dites «top-down» sur le traitement spatial suggérant leur occurrence dans des régions cérébrales ayant accès à des représentations spatiales de grande échelle. Nous soulignons enfin des interactions spécifiques entre l'espace auditif et la stimulation somatosensorielle sur différentes parties du corps. Approfondir la connaissance concernant les bases neuronales et les mécanismes impliqués dans l'intégration multisensorielle dans le système normale est d'une importance centrale car elle permettra d'examiner et de mieux comprendre comment le cerveau déficient pourrait bénéficier d'une réhabilitation avec la stimulation multisensorielle.

Nutrition et Cerveau

L'énergie requise pour assurer un fonctionnement cérébral adéquat est considérable, et la synthèse et l'acheminement des nutriments sont largement tributaires de l'apport alimentaire. A l'inverse, le cerveau est nécessaire à la régulation de la prise de nourriture, soulignant son Interdépendance avec la nutrition. Bien que plus résistant à un apport calorique réduit que la majorité des autres organes, il peut souffrir de carences diverses, et également en être la cause. Cet article discute les mécanismes impliqués dans la régulation de la prise d'aliments, au travers d'exemples tels que les troubles du comportement alimentaire. Les carences vitaminiques et les régimes amaigrissants sont discutés à la lumière des conséquences neurologiques qu'ils entraînent.

Perioperative nutrition is still a surgical orphan: results of a Swiss-Austrian survey.

Background/Objectives:There is strong evidence for the beneficial effects of perioperative nutrition in patients undergoing major surgery. We aimed to evaluate implementation of current guidelines in Switzerland and Austria.Subjects/Methods:A survey was conducted in 173 Swiss and Austrian surgical departments. We inquired about nutritional screening, perioperative nutrition and estimated clinical significance.Results:The overall response rate was 55%, having 69% (54/78) responders in Switzerland and 44% (42/95) in Austria. Most centres were aware of reduced complications (80%) and shorter hospital stay (59%). However, only 20% of them implemented routine nutritional screening. Non-compliance was because of financial (49%) and logistic restrictions (33%). Screening was mainly performed in the outpatient's clinic (52%) or during admission (54%). The nutritional risk score was applied by 14% only; instead, various clinical (78%) and laboratory parameters (56%) were used. Indication for perioperative nutrition was based on preoperative screening in 49%. Although 23% used preoperative nutrition, 68% applied nutritional support pre- and postoperatively. Preoperative nutritional treatment ranged from 3 days (33%), to 5 (31%) and even 7 days (20%).Conclusions:Although malnutrition is a well-recognised risk factor for poor post-operative outcome, surgeons remain reluctant to implement routine screening and nutritional support according to evidence-based guidelines.

Nutrition dans la bronchopneumopathie chronique obstructive [Nutrition in chronic obstructive bronchopneumopathy]

The respiratory system and nutrition are linked. Obesity is sometimes seen in chronic obstructive pulmonary disease (COPD), but its prevalence, the morbidity and mortality induced by it are not known. In addition, the prevalence of malnutrition is high in COPD and the more severe the COPD is, the higher percentage of malnutrition is present. Emphysematous patients are more frequently undernourished than those suffering from chronic bronchitis. Malnutrition is the consequence of the hypermetabolism induced by the higher cost of breathing in emphysema. The survival rate of these patients is negatively affected by malnutrition. A careful assessment of nutritional status must be performed in all COPD patients, especially during an episode of acute respiratory failure. When signs of malnutrition are present, a nutritional intervention should be initiated rapidly. An amount of calories sufficient to meet the energy expenditure increased by the disease must be given. Excessive intake may overstress the respiratory system whose functional reserve is limited in COPD. The diet must include a well balanced percentage of fat, carbohydrates and proteins. Preservation of the fat-free mass is the minimum goal to reach in acute respiratory failure. After the resolution of the acute phase, a gain of weight should be attempted within a rehabilitation program.

Un protocole de nutrition suffit-il à garantir des pratiques "evidence based" (EBM) - réalité clinique et propositions : P5

Le support nutritionnel en soins intensifs est désormais basé sur des études de niveau A et B. La participation du SMIA au «Nutrition Day 2008» avait mis en évidence des déviations par rapport aux recommandations. Cette étude a pour objectif de réaliser une analyse approfondie sur un mois. Méthodes: Analyse des patients sortis ayant séjourné plus de 3 jours en mars 2008 dans un service de 32 lits bénéficiant d'une diététicienne à 60% et du Protocole NUTSIA depuis 2006. Extraction de la database: variables démographiques, nutrition risk score (NRS), jours de démarrage et voie de nutrition, bilan calorique cumulé. Résultats: 69 patients âgés de 60 ± 17 ans ont séjourné 9 ± 10 jours. Le NRS est réalisé tardivement dans 29% des cas. A 48h, le support nutritionnel est défini chez 67% des patients avec 43% de nutrition artificielle, une prédominance de NE (73%) sur PN (27%). Seuls 3 patients ont un bilan cumulé < -10000 kcal. La couverture des séjours par la diététicienne est de 50%. Conclusion: Comparé à l'EBM, les pratiques nutritionnelles sont globalement satisfaisantes, mais l'évaluation systématique est insuffisante. L'introduction de la NE est tardive et sa progression trop lente comparé au protocole. Les remèdes proposés sont une administration de NE par défaut, une augmentation de la présence de la diététicienne et son «empowerment» sur la prescription.

The effects of nutrition, puberty and dancing on bone density in adolescent ballet dancers.

Ballet dancers have on average a low bone mineral content (BMC), with elevated fracture-risk, low body mass index (BMI) for age (body mass index, kg/m2), low energy intake, and delayed puberty. This study aims at a better understanding of the interactions of these factors, especially with regard to nutrition. During a competition for pre-professional dancers we examined 127 female participants (60 Asians, 67 Caucasians). They averaged 16.7 years of age, started dancing at 5.8 years, and danced 22 hours/week. Assessments were made for BMI, BMC (DXA), and bone mineral apparent density (BMAD) at the lumbar spine and femoral neck, pubertal stage (Tanner score), and nutritional status (EAT-40 questionnaire and a qualitative three-day dietary record). BMI for age was found to be normal in only 42.5% of the dancers, while 15.7% had a more or less severe degree of thinness (12.6% Grade2 and 3.1% Grade 3 thinness). Menarche was late (13.9 years, range 11 to 16.8 years). Food intake, evaluated by number of consumed food portions, was below the recommendations for a normally active population in all food groups except animal proteins, where the intake was more than twice the recommended amount. In this population, with low BMI and intense exercise, BMC was low and associated with nutritional factors; dairy products had a positive and non-dairy proteins a negative influence. A positive correlation between BMAD and years since menarche confirmed the importance of exposure to estrogens and the negative impact of delayed puberty. Because of this and the probable negative influence of a high intake of non-dairy proteins, such as meat, fish, and eggs, and the positive association with a high dairy intake, ballet schools should promote balanced diets and normal weight and should recognize and help dancers avoid eating disorders and delayed puberty caused by extensive dancing and inadequate nutrition.

Enteral nutrition in critically ill patients with severe hemodynamic failure after cardiopulmonary bypass.

BACKGROUND & AIMS: The study was designed to investigate and quantify nutritional support, and particularly enteral nutrition (EN), in critically ill patients with severe hemodynamic failure. METHODS: Prospective, descriptive study in a surgical intensive care unit (ICU) in a university teaching hospital: patients aged 67+/-13 yrs (mean+/-SD) admitted after cardiac surgery with extracorporeal circulation, staying 5 days in the ICU with acute cardiovascular failure. Severity of disease was assessed with SAPS II, and SOFA scores. Variables were energy delivery and balance, nutrition route, vasopressor doses, and infectious complications. Artificial feeding delivered according to ICU protocol. EN was considered from day 2-3. Energy target was set 25 kcal/kg/day to be reached stepwise over 5 days. RESULTS: Seventy out of 1114 consecutive patients were studied, aged 67+/-17 years, and staying 10+/-7 days in the ICU. Median SAPS II was 43. Nine patients died (13%). All patients had circulatory failure: 18 patients required intra-aortic balloon-pump support (IABP). Norepinephrine was required in 58 patients (83%). Forty patients required artificial nutrition. Energy delivery was very variable. There was no abdominal complication related to EN. As a mean, 1360+/-620 kcal/kg/day could be delivered enterally during the first 2 weeks, corresponding to 70+/-35% of energy target. Enteral nutrient delivery was negatively influenced by increasing dopamine and norepinephrine doses, but not by the use of IABP. CONCLUSION: EN is possible in the majority of patients with severe hemodynamic failure, but usually results in hypocaloric feeding. EN should be considered in patients with careful abdominal and energy monitoring.

Visual representation of food in the brain : effects of repeated exposure and gut hormone secretion

The thesis at hand is concerned with the spatio-temporal brain mechanisms of visual food perception as investigated by electrical neuroimaging. Due to the increasing prevalence of obesity and its associated challenges for public health care, there is a need to better understand behavioral and brain processes underlying food perception and food-based decision-making. The first study (Study A) of this thesis was concerned with the role of repeated exposure to visual food cues. In our everyday lives we constantly and repeatedly encounter food and these exposures influence our food choices and preferences. In Study A, we therefore applied electrical neuroimaging analyses of visual evoked potentials to investigate the spatio-temporal brain dynamics linked to the repeated viewing of high- and low-energy food cues (published manuscript: "The role of energetic value in dynamic brain response adaptation during repeated food image viewing" (Lietti et al., 2012)). In this study, we found that repetitions differentially affect behavioral and brain mechanisms when high-energy, as opposed to low-energy foods and non-food control objects, were viewed. The representation of high-energy food remained invariant between initial and repeated exposures indicating that the sight of high-energy dense food induces less behavioral and neural adaptation than the sight of low-energy food and non-food control objects. We discuss this finding in the context of the higher salience (due to greater motivation and higher reward or hedonic valuation) of energy- dense food that likely generates a more mnemonically stable representation. In turn, this more invariant representation of energy-dense food is supposed to (partially) explain why these foods are over-consumed despite of detrimental health consequences. In Study Β we investigated food responsiveness in patients who had undergone Roux-en-Y gastric bypass surgery to overcome excessive obesity. This type of gastric bypass surgery is not only known to alter food appreciation, but also the secretion patterns of adipokines and gut peptides. Study Β aimed at a comprehensive and interdisciplinary investigation of differences along the gut-brain axis in bypass-operated patients as opposed to weight-matched non-operated controls. On the one hand, the spatio-temporal brain dynamics to the visual perception of high- vs. low-energy foods under differing states of motivation towards food intake (i.e. pre- and post-prandial) were assessed and compared between groups. On the other hand, peripheral gut hormone measures were taken in pre- and post-prandial nutrition state and compared between groups. In order to evaluate alterations in the responsiveness along the gut-brain-axis related to gastric bypass surgery, correlations between both measures were compared between both participant groups. The results revealed that Roux-en- Y gastric bypass surgery alters the spatio-temporal brain dynamics to the perception of high- and low-energy food cues, as well as the responsiveness along the gut-brain-axis. The potential role of these response alterations is discussed in relation to previously observed changes in physiological factors and food intake behavior post-Roux-en-Y gastric bypass surgery. By doing so, we highlight potential behavioral, neural and endocrine (i.e. gut hormone) targets for the future development of intervention strategies for deviant eating behavior and obesity. Together, the studies showed that the visual representation of foods in the brain is plastic and that modulations in neural activity are already noted at early stages of visual processing. Different factors of influence such as a repeated exposure, Roux-en-Y gastric bypass surgery, motivation (nutrition state), as well as the energy density of the visually perceived food were identified. En raison de la prévalence croissante de l'obésité et du défi que cela représente en matière de santé publique, une meilleure compréhension des processus comportementaux et cérébraux liés à la nourriture sont nécessaires. En particulier, cette thèse se concentre sur l'investigation des mécanismes cérébraux spatio-temporels liés à la perception visuelle de la nourriture. Nous sommes quotidiennement et répétitivement exposés à des images de nourriture. Ces expositions répétées influencent nos choix, ainsi que nos préférences alimentaires. La première étude (Study A) de cette thèse investigue donc l'impact de ces exposition répétée à des stimuli visuels de nourriture. En particulier, nous avons comparé la dynamique spatio-temporelle de l'activité cérébrale induite par une exposition répétée à des images de nourriture de haute densité et de basse densité énergétique. (Manuscrit publié: "The role of energetic value in dynamic brain response adaptation during repeated food image viewing" (Lietti et al., 2012)). Dans cette étude, nous avons pu constater qu'une exposition répétée à des images représentant de la nourriture de haute densité énergétique, par opposition à de la nourriture de basse densité énergétique, affecte les mécanismes comportementaux et cérébraux de manière différente. En particulier, la représentation neurale des images de nourriture de haute densité énergétique est similaire lors de l'exposition initiale que lors de l'exposition répétée. Ceci indique que la perception d'images de nourriture de haute densité énergétique induit des adaptations comportementales et neurales de moindre ampleur par rapport à la perception d'images de nourriture de basse densité énergétique ou à la perception d'une « catégorie contrôle » d'objets qui ne sont pas de la nourriture. Notre discussion est orientée sur les notions prépondérantes de récompense et de motivation qui sont associées à la nourriture de haute densité énergétique. Nous suggérons que la nourriture de haute densité énergétique génère une représentation mémorielle plus stable et que ce mécanisme pourrait (partiellement) être sous-jacent au fait que la nourriture de haute densité énergétique soit préférentiellement consommée. Dans la deuxième étude (Study Β) menée au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux mécanismes de perception de la nourriture chez des patients ayant subi un bypass gastrique Roux- en-Y, afin de réussir à perdre du poids et améliorer leur santé. Ce type de chirurgie est connu pour altérer la perception de la nourriture et le comportement alimentaire, mais également la sécrétion d'adipokines et de peptides gastriques. Dans une approche interdisciplinaire et globale, cette deuxième étude investigue donc les différences entre les patients opérés et des individus « contrôles » de poids similaire au niveau des interactions entre leur activité cérébrale et les mesures de leurs hormones gastriques. D'un côté, nous avons investigué la dynamique spatio-temporelle cérébrale de la perception visuelle de nourriture de haute et de basse densité énergétique dans deux états physiologiques différent (pre- et post-prandial). Et de l'autre, nous avons également investigué les mesures physiologiques des hormones gastriques. Ensuite, afin d'évaluer les altérations liées à l'intervention chirurgicale au niveau des interactions entre la réponse cérébrale et la sécrétion d'hormone, des corrélations entre ces deux mesures ont été comparées entre les deux groupes. Les résultats révèlent que l'intervention chirurgicale du bypass gastrique Roux-en-Y altère la dynamique spatio-temporelle de la perception visuelle de la nourriture de haute et de basse densité énergétique, ainsi que les interactions entre cette dernière et les mesures périphériques des hormones gastriques. Nous discutons le rôle potentiel de ces altérations en relation avec les modulations des facteurs physiologiques et les changements du comportement alimentaire préalablement déjà démontrés. De cette manière, nous identifions des cibles potentielles pour le développement de stratégies d'intervention future, au niveau comportemental, cérébral et endocrinien (hormones gastriques) en ce qui concerne les déviances du comportement alimentaire, dont l'obésité. Nos deux études réunies démontrent que la représentation visuelle de la nourriture dans le cerveau est plastique et que des modulations de l'activité neurale apparaissent déjà à un stade très précoce des mécanismes de perception visuelle. Différents facteurs d'influence comme une exposition repetee, le bypass gastrique Roux-en-Y, la motivation (état nutritionnel), ainsi que la densité énergétique de la nourriture qui est perçue ont pu être identifiés.