Characterizing changes in the excitability of corticospinal projections to proximal muscles of the upper limb

Background: There has been an explosion of interest in methods of exogenous brain stimulation that induce changes in the excitability of human cerebral cortex. The expectation is that these methods may promote recovery of function following brain injury. To assess their effects on motor output, it is typical to assess the state of corticospinal projections from primary motor cortex to muscles of the hand, via electromyographic responses to transcranial magnetic stimulation. If a range of stimulation intensities is employed, the recruitment curves (RCs) obtained can, at least for intrinsic hand muscles, be fitted by a sigmoid function.

Objective/hypothesis: To establish whether sigmoid fits provide a reliable basis upon which to characterize the input–output properties of the corticospinal pathway for muscles proximal to the hand, and to assess as an alternative the area under the (recruitment) curve (AURC).

Methods: A comparison of the reliability of these measures, using RCs obtained for muscles that are frequently the targets of rehabilitation.

Results: The AURC is an extremely reliable measure of the state of corticospinal projections to hand and forearm muscles, which has both face and concurrent validity. Construct validity is demonstrated by detection of widely distributed (across muscles) changes in corticospinal excitability induced by paired associative stimulation (PAS).

Conclusion(s): The parameters derived from sigmoid fits are unlikely to provide an adequate means to assess the effectiveness of therapeutic regimes. The AURC can be employed to characterize corticospinal projections to a range of muscles, and gauge the efficacy of longitudinal interventions in clinical rehabilitation.

The effects of TMS over dorsolateral prefrontal cortex on trans-saccadic memory of multiple objects

Humans typically make several rapid eye movements (saccades) per second. It is thought that visual working memory can retain and spatially integrate three to four objects or features across each saccade but little is known about this neural mechanism. Previously we showed that transcranial magnetic stimulation (TMS) to the posterior parietal cortex and frontal eye fields degrade trans-saccadic memory of multiple object features (Prime, Vesia, & Crawford, 2008, Journal of Neuroscience, 28(27), 6938-6949; Prime, Vesia, & Crawford, 2010, Cerebral Cortex, 20(4), 759-772.). Here, we used a similar protocol to investigate whether dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), an area involved in spatial working memory, is also involved in trans-saccadic memory. Subjects were required to report changes in stimulus orientation with (saccade task) or without (fixation task) an eye movement in the intervening memory interval. We applied single-pulse TMS to left and right DLPFC during the memory delay, timed at three intervals to arrive approximately 100ms before, 100ms after, or at saccade onset. In the fixation task, left DLPFC TMS produced inconsistent results, whereas right DLPFC TMS disrupted performance at all three intervals (significantly for presaccadic TMS). In contrast, in the saccade task, TMS consistently facilitated performance (significantly for left DLPFC/perisaccadic TMS and right DLPFC/postsaccadic TMS) suggesting a dis-inhibition of trans-saccadic processing. These results are consistent with a neural circuit of trans-saccadic memory that overlaps and interacts with, but is partially separate from the circuit for visual working memory during sustained fixation.

Tele-Supervised FES-Assisted Exercise for Hemiplegic Upper Limb

Stroke survivors often have upper limb (UL) hemiparesis, limiting their ability to perform activities of daily life (ADLs). Intensive, task-oriented exercise therapy (ET) can improve UL function, but motivation to perform sufficient ET is difficult to maintain. Here we report on a trial in which a workstation was deployed in the homes of chronic stroke survivors to enable tele-coaching of ET in the guise of computer games. Participants performed 6 weeks of 1 hour/day, 5 days/week ET. Hand opening and grasp were assisted with functional electrical stimulation (FES). The primary outcome measure was the Action Research Arm Test (ARAT). Secondary outcome measures included a quantitative test of UL function performed on the workstation, grasp force measurements and transcranial magnetic stimulation (TMS). Improvements were seen in the functional tests, but surprisingly, not in the TMS responses. An important finding was that participants commencing with intermediate functional scores improved the most.

CONCLUSIONS: 1) Daily, tele-supervised FES-ET in chronic stroke survivors is feasible with commercially-available technology. 2) The intervention can significantly improve UL function, particularly in people who start with an intermediate level of function. 3) Significant improvements in UL function can occur in the absence of changes in TMS responses.

Duration-dependent effects of the BDNF Val66Met polymorphism on anodal tDCS induced motor cortex plasticity in older adults: a group and individual perspective

The brain derived neurotrophic factor (BDNF) Val66Met polymorphism and stimulation duration are thought to play an important role in modulating motor cortex plasticity induced by non-invasive brain stimulation (NBS). In the present study we sought to determine whether these factors interact or exert independent effects in older adults. Fifty-four healthy older adults (mean age = 66.85 years) underwent two counterbalanced sessions of 1.5 mA anodal transcranial direct current stimulation (atDCS), applied over left M1 for either 10 or 20 min. Single pulse transcranial magnetic stimulation (TMS) was used to assess corticospinal excitability (CSE) before and every 5 min for 30 min following atDCS. On a group level, there was an interaction between stimulation duration and BDNF genotype, with Met carriers (n = 13) showing greater post-intervention potentiation of CSE compared to Val66Val homozygotes homozygotes (n = 37) following 20 min (p = 0.002) but not 10 min (p = 0.219) of stimulation. Moreover, Met carriers, but not Val/Val homozygotes, exhibited larger responses to TMS (p = 0.046) after 20 min atDCS, than following 10 min atDCS. On an individual level, two-step cluster analysis revealed a considerable degree of inter-individual variability, with under half of the total sample (42%) showing the expected potentiation of CSE in response to atDCS across both sessions. Intra-individual variability in response to different durations of atDCS was also apparent, with one-third of the total sample (34%) exhibiting LTP-like effects in one session but LTD-like effects in the other session. Both the inter-individual (p = 0.027) and intra-individual (p = 0.04) variability was associated with BDNF genotype. In older adults, the BDNF Val66Met polymorphism along with stimulation duration appears to play a role in modulating tDCS-induced motor cortex plasticity. The results may have implications for the design of NBS protocols for healthy and diseased aged populations.

Role of early visual cortex in trans-saccadic memory of object features

Early visual cortex (EVC) participates in visual feature memory and the updating of remembered locations across saccades, but its role in the trans-saccadic integration of object features is unknown. We hypothesized that if EVC is involved in updating object features relative to gaze, feature memory should be disrupted when saccades remap an object representation into a simultaneously perturbed EVC site. To test this, we applied transcranial magnetic stimulation (TMS) over functional magnetic resonance imaging-localized EVC clusters corresponding to the bottom left/right visual quadrants (VQs). During experiments, these VQs were probed psychophysically by briefly presenting a central object (Gabor patch) while subjects fixated gaze to the right or left (and above). After a short memory interval, participants were required to detect the relative change in orientation of a re-presented test object at the same spatial location. Participants either sustained fixation during the memory interval (fixation task) or made a horizontal saccade that either maintained or reversed the VQ of the object (saccade task). Three TMS pulses (coinciding with the pre-, peri-, and postsaccade intervals) were applied to the left or right EVC. This had no effect when (a) fixation was maintained, (b) saccades kept the object in the same VQ, or (c) the EVC quadrant corresponding to the first object was stimulated. However, as predicted, TMS reduced performance when saccades (especially larger saccades) crossed the remembered object location and brought it into the VQ corresponding to the TMS site. This suppression effect was statistically significant for leftward saccades and followed a weaker trend for rightward saccades. These causal results are consistent with the idea that EVC is involved in the gaze-centered updating of object features for trans-saccadic memory and perception.

Characteristics of Corticospinal Projections to the Intrinsic Hand Muscles in Skilled Harpists.

The process of learning to play a musical instrument necessarily alters the functional organisation of the cortical motor areas that are involved in generating the required movements. In the case of the harp, the demands placed on the motor system are quite specific. During performance, all digits with the sole exception of the little finger are used to pluck the strings. With a view to elucidating the impact of having acquired this highly specialized musical skill on the characteristics of corticospinal projections to the intrinsic hand muscles, focal transcranial magnetic stimulation (TMS) was used to elicit motor evoked potentials (MEPs) in three muscles (of the left hand): abductor pollicis brevis (APB); first dorsal interosseous (FDI); and abductor digiti minimi (ADM) in seven harpists. Seven non-musicians served as controls. With respect to the FDI muscle–which moves the index finger, the harpists exhibited reliably larger MEP amplitudes than those in the control group. In contrast, MEPs evoked in the ADM muscle–which activates the little finger, were smaller in the harpists than in the non-musicians. The locations on the scalp over which magnetic stimulation elicited discriminable responses in ADM also differed between the harpists and the non-musicians. This specific pattern of variation in the excitability of corticospinal projections to these intrinsic hand muscles exhibited by harpists is in accordance with the idiosyncratic functional demands that are imposed in playing this instrument.

Timing of response differentiation in human motor cortex during a speeded Go/No-go task

We explored the brain's ability to quickly prevent a pre-potent but unwanted motor response. To address this, transcranial magnetic stimulation was delivered over the motor cortex (hand representation) to probe excitability changes immediately after somatosensory cues prompted subjects to either move as fast as possible or withhold movement. Our results showed a difference in motor cortical excitability 90 ms post-stimulus contingent on cues to either promote or prevent movement. We suggest that our study design emphasizing response speed coupled with well-defined early probes allowed us to extend upon similar past investigations into the timing of response inhibition.

Neural adaptations associated with interlimb transfer in a ballistic wrist flexion task.

Cross education is the process whereby training of one limb gives rise to increases in the subsequent performance of its opposite counterpart. The execution of many unilateral tasks is associated with increased excitability of corticospinal projections from primary motor cortex (M1) to the opposite limb. It has been proposed that these effects are causally related. Our aim was to establish whether changes in corticospinal excitability arising from prior training of the opposite limb determine levels of interlimb transfer.

We used three vision conditions shown previously to modulate the excitability of corticospinal projections to the inactive (right) limb during wrist flexion movements performed by the training (left) limb. These were: mirrored visual feedback of the training limb; no visual feedback of either limb; and visual feedback of the inactive limb. Training comprised 300 discrete, ballistic wrist flexion movements executed as rapidly as possible. Performance of the right limb on the same task was assessed prior to, at the mid point of, and following left limb training.

There was no evidence that variations in the excitability of corticospinal projections (assessed by transcranial magnetic stimulation (TMS)) to the inactive limb were associated with, or predictive of, the extent of interlimb transfer that was expressed. There were however associations between alterations in muscle activation dynamics observed for the untrained limb, and the degree of positive transfer that arose from training of the opposite limb.

The results suggest that the acute adaptations that mediate the bilateral performance gains realised through unilateral practice of this ballistic wrist flexion task are mediated by neural elements other than those within M1 that are recruited at rest by single-pulse TMS.

The role of the lateral occipital cortex in aesthetic appreciation of representational and abstract paintings: a TMS study.

Neuroimaging studies of aesthetic appreciation have shown that activity in the lateral occipital area (LO)—a key node in the object recognition pathway—is modulated by the extent to which visual artworks are liked or found beautiful. However, the available evidence is only correlational. Here we used transcranial magnetic stimulation (TMS) to investigate the putative causal role of LO in the aesthetic appreciation of paintings. In our first experiment, we found that interfering with LO activity during aesthetic appreciation selectively reduced evaluation of representational paintings, leaving appreciation of abstract paintings unaffected. A second experiment demonstrated that, although the perceived clearness of the images overall positively correlated with liking, the detrimental effect of LO TMS on aesthetic appreciation does not owe to TMS reducing perceived clearness. Taken together, our findings suggest that object-recognition mechanisms mediated by LO play a causal role in aesthetic appreciation of representational art.

Investigating the causal role of rightOFA in holistic detection of Mooney faces and objects: an fMRI-guided TMS study

Background The right occipital face area (rOFA) is known to be involved in face discrimination based on local featural information. Whether this region is involved in global, holistic stimulus processing is not known. Objective We used fMRI-guided transcranial magnetic stimulation (TMS) to investigate whether rOFA is causally implicated in stimulus detection based on holistic processing, by the use of Mooney stimuli. Methods Two studies were carried out: In Experiment 1, participants performed a detection task involving Mooney faces and Mooney objects; Mooney stimuli lack distinguishable local features and can be detected solely via holistic processing (i.e. at a global level) with top-down guidance from previously stored representations. Experiment 2 required participants to detect shapes which are recognized via bottom-up integration of local (collinear) Gabor elements and was performed to control for specificity of rightOFA's implication in holistic detection. Results In Experiment 1, TMS over rOFA and rLO impaired detection of all stimulus categories, with no category-specific effect. In Experiment 2, shape detection was impaired when TMS was applied over rLO but not over rOFA. Conclusions Our results demonstrate that rOFA is causally implicated in the type of top-down holistic detection required by Mooney stimuli and that such role is not face-selective. In contrast, rOFA does not appear to play a causal role in in detection of shapes based on bottom-up integration of local components, demonstrating that its involvement in processing non-face stimuli is specific for holistic processing.

Mutism and Amnesia following High-Voltage Electrical Injury: Psychogenic Symptomatology Triggered by Organic Dysfunction?

Background: Mutism and dense retrograde amnesia are found both in organic and dissociative contexts. Moreover, dissociative symptoms may be modulated by right prefrontal activity. A single case, M.R., developed left hemiparesis, mutism and retrograde amnesia after a high-voltage electric shock without evidence of lasting brain lesions. M.R. suddenly recovered from his mutism following a mild brain trauma 2 years later. Methods: M.R.'s neuropsychological pattern and anatomoclinical correlations were studied through (i) language and memory assessment to characterize his deficits, (ii) functional neuroimaging during a standard language paradigm, and (iii) assessment of frontal and left insular connectivity through diffusion tractography imaging and transcranial magnetic stimulation. A control evaluation was repeated after recovery. Findings: M.R. recovered from the left hemiparesis within 90 days of the accident, which indicated a transient right brain impairment. One year later, neurobehavioral, language and memory evaluations strongly suggested a dissociative component in the mutism and retrograde amnesia. Investigations (including MRI, fMRI, diffusion tensor imaging, EEG and r-TMS) were normal. Twenty-seven months after the electrical injury, M.R. had a very mild head injury which was followed by a rapid recovery of speech. However, the retrograde amnesia persisted. Discussion: This case indicates an interaction of both organic and dissociative mechanisms in order to explain the patient's symptoms. The study also illustrates dissociation in the time course of the two different dissociative symptoms in the same patient.

Long-term effects of sports concussion

Questions : Cette thèse visait à répondre à deux questions fondamentales : 1) Est-ce que les athlètes qui présentent un historique de commotions cérébrales du sport en conservent des effets délétères à long terme? ; et 2) Est-ce que les effets néfastes des commotions cérébrales récurrentes sur le fonctionnement tant cognitif que moteur sont cumulatifs? Devis expérimental : À l’aide d’un plan d’investigation double-cohorte réalisé avec un groupe d’athlètes évoluant au niveau universitaire et un autre formé d’anciens athlètes universitaires testés plus de trois décennies plus tard, les quatre études qui composent cette thèse ont employé des méthodes raffinées d’investigation des fonctions cognitives et motrices pour en déceler des atteintes persistantes. Méthodologie : Les potentiels évoqués cognitifs ainsi que les tests neuropsychologiques ont permis de sonder le fonctionnement cognitif de ces athlètes alors que la stimulation magnétique transcrânienne, une plateforme de force permettant de mesurer la stabilité posturale ainsi qu’un système d’enregistrement tridimensionnel des mouvements rapides alternatifs ont servi à l’évaluation de l’intégrité du système moteur. Résultats : Cette thèse a permis de déceler des altérations persistentes et cumulatives des fonctions cognitives et motrices. De plus, ces subtiles atteintes observées chez les jeunes athlètes, affectant essentiellement des marqueurs neurophysiologiques sous-cliniques du fonctionnement cognitif et moteur, s’étaient accentuées chez les anciens athlètes universitaires qui montraient un déclin quantifiable tant des fonctions cognitives que motrices. Discussion : Ces résultats suggèrent d’une part que les commotions cérébrales du sport entraînent des altérations cognitives et motrices chroniques qui s’accentuent en fonction du nombre de commotions cérébrales subies. D’autre part, les effets délétères des commotions cérébrales du sport sur le fonctionnement cognitif et moteur combinés à ceux associés au processus de vieillissement entraînent un déclin cognitif et moteur quantifiable en comparaison aux anciens athlètes n’ayant jamais subi de commotions cérébrales.

Développement et fonctionnement des mécanismes de résonance motrice chez l'humain

La découverte dans le cerveau du singe macaque de cellules visuo-motrices qui répondent de façon identique à la production et la perception d’actes moteurs soutient l’idée que ces cellules, connues sous le nom de neurones-miroirs, encoderaient la représentation d’actes moteurs. Ces neurones, et le système qu’ils forment, constitueraient un système de compréhension moteur; par delà la simple représentation motrice, il est également possible que ce système participe à des processus de haut niveau en lien avec la cognition sociale. Chez l’humain adulte, des études d’imagerie récentes montrent d’importants chevauchements entre les patrons d’activité liés à l’exécution d’actes moteurs et ceux associés à la perception d’actions. Cependant, malgré le nombre important d’études sur ce système de résonance motrice, étonnamment peu se sont penchées sur les aspects développementaux de ce mécanisme, de même que sa relation avec certaines habiletés sociales dans la population neurotypique. De plus, malgré l’utilisation répandue de certaines techniques neurophysiologiques pour quantifier l’activité de ce système, notamment l’électroencéphalographie et la stimulation magnétique transcrânienne, on ignore en grande partie la spécificité et la convergence de ces mesures dans l’étude des processus de résonance motrice. Les études rassemblées ici visent à combler ces lacunes, c'est-à-dire (1) définir l’existence et les propriétés fonctionnelles du système de résonance motrice chez l’enfant humain, (2) établir le lien entre ce système et certaines habiletés sociales spécifiques et (3) déterminer la validité des outils d’investigation couramment utilisés pour mesurer son activité. Dans l’article 1, l’électroencéphalographie quantitative est utilisée afin de mesurer l’activité des régions sensorimotrices chez un groupe d’enfants d’âge scolaire durant la perception d’actions de la main. On y démontre une modulation de l’activité du rythme mu aux sites centraux non seulement lors de l’exécution de tâches motrices, mais également lors de l’observation passive d’actions. Ces résultats soutiennent l’hypothèse de l’existence d’un système de résonance motrice sensible aux représentations visuelles d’actes moteurs dans le cerveau immature. L’article 2 constitue une étude de cas réalisée chez une jeune fille de 12 ans opérée pour épilepsie réfractaire aux médicaments. L’électroencéphalographie intracrânienne est utilisée afin d’évaluer le recrutement du cortex moteur lors de la perception de sons d’actions. On y montre une modulation de l’activité du cortex moteur, visible dans deux périodes distinctes, qui se reflètent par une diminution de la puissance spectrale des fréquences beta et alpha. Ces résultats soutiennent l’hypothèse de l’existence d’un système de résonance motrice sensible aux représentations auditives d’actions chez l’enfant. L’article 3 constitue une recension des écrits portant sur les données comportementales et neurophysiologiques qui suggèrent la présence d’un système de compréhension d’action fonctionnel dès la naissance. On y propose un modèle théorique où les comportements d’imitation néonataux sont vus comme la résultante de mécanismes d’appariement moteurs non inhibés. Afin de mesurer adéquatement la présence de traits empathiques et autistique dans le but de les mettre en relation avec l’activité du système de résonance motrice, l’article 4 consiste en une validation de versions françaises des échelles Empathy Quotient (Baron-Cohen & Wheelwright, 2004) et Autism Spectrum Quotient (Baron-Cohen et al., 2001) qui seront utilisées dans l’article 5. Les versions traduites de ces échelles ont été administrées à 100 individus sains et 23 personnes avec un trouble du spectre autistique. Les résultats répliquent fidèlement ceux obtenus avec les questionnaires en version anglaise, ce qui suggère la validité des versions françaises. Dans l’article 5, on utilise la stimulation magnétique transcrânienne afin d’investiguer le décours temporel de l’activité du cortex moteur durant la perception d’action et le lien de cette activité avec la présence de traits autistiques et empathiques chez des individus normaux. On y montre que le cortex moteur est rapidement activé suivant la perception d’un mouvement moteur, et que cette activité est corrélée avec les mesures sociocognitives utilisées. Ces résultats suggèrent l’existence d’un système d’appariement moteur rapide dans le cerveau humain dont l’activité est associée aux aptitudes sociales. L’article 6 porte sur la spécificité des outils d’investigation neurophysiologique utilisés dans les études précédentes : la stimulation magnétique transcrânienne et l’électroencéphalographie quantitative. En utilisant ces deux techniques simultanément lors d’observation, d’imagination et d’exécution d’actions, on montre qu’elles évaluent possiblement des processus distincts au sein du système de résonance motrice. En résumé, cette thèse vise à documenter l’existence d’un système de résonance motrice chez l’enfant, d’établir le lien entre son fonctionnement et certaines aptitudes sociales et d’évaluer la validité et la spécificité des outils utilisés pour mesurer l’activité au sein de ce système. Bien que des recherches subséquentes s’avèrent nécessaires afin de compléter le travail entamé ici, les études présentées constituent une avancée significative dans la compréhension du développement et du fonctionnement du système de résonance motrice, et pourraient éventuellement contribuer à l’élaboration d’outils diagnostiques et/ou de thérapeutiques chez des populations où des anomalies de ce système ont été répertoriées.

Effets de la vibration des muscles sur les mécanismes neuronaux et la fonction du membre supérieur et inférieur des personnes ayant une hémiparésie chronique

Cette thèse vise à répondre à trois questions fondamentales: 1) La diminution de l’excitabilité corticospinale et le manque d’inhibition intracorticale observés suite à la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) du cortex moteur de la main atteinte de sujets hémiparétiques sont-ils aussi présents suite à la SMT du cortex moteur de la jambe atteinte? 2) Est-ce que les altérations dans l’excitabilité corticomotrice sont corrélées aux déficits et incapacités motrices des personnes ayant subi un accident vasculaire cérébral depuis plus de 6 mois? 3) La vibration musculaire, étant la source d’une forte afférence sensorielle, peut-elle moduler l’excitabilité corticomotrice et améliorer la performance motrice de ces personnes? Premièrement, afin d’appuyer notre choix d’intervention et d’évaluer le potentiel de la vibration mécanique locale pour favoriser la réadaptation des personnes ayant une atteinte neurologique, nous avons réalisé une révision en profondeur de ses applications et intérêts cliniques à partir d’informations trouvées dans la littérature scientifique (article 1). La quantité importante d’information sur les effets physiologiques de la vibration contraste avec la pauvreté des études qui ont évalué son effet thérapeutique. Nous avons trouvé que, malgré le manque d’études, les résultats sur son utilisation sont encourageants et positifs et aucun effet adverse n’a été rapporté. Dans les trois autres articles qui composent cette thèse, l’excitabilité des circuits corticospinaux et intracorticaux a été étudiée chez 27 sujets hémiparétiques et 20 sujets sains sans atteintes neurologiques. Les fonctions sensorimotrices ont aussi été évaluées par des tests cliniques valides et fidèles. Tel qu’observé à la main chez les sujets hémiparétiques, nous avons trouvé, par rapport aux sujets sains, une diminution de l’excitabilité corticospinale ainsi qu’un manque d’inhibition intracorticale suite à la SMT du cortex moteur de la jambe atteinte (article 2). Les sujets hémiparétiques ont également montré un manque de focus de la commande motrice lors de l’activation volontaire des fléchisseurs plantaires. Ceci était caractérisé par une augmentation de l’excitabilité nerveuse des muscles agonistes, mais aussi généralisée aux synergistes et même aux antagonistes. De plus, ces altérations ont été corrélées aux déficits moteurs au membre parétique. Le but principal de cette thèse était de tester les effets potentiels de la vibration des muscles de la main (article 3) et de la cuisse (article 4) sur les mécanismes neuronaux qui contrôlent ces muscles. Nous avons trouvé que la vibration augmente l’amplitude de la réponse motrice des muscles vibrés, même chez des personnes n’ayant pas de réponse motrice au repos ou lors d’une contraction volontaire. La vibration a également diminué l’inhibition intracorticale enregistrée au quadriceps parétique (muscle vibré). La diminution n’a cependant pas été significative au niveau de la main. Finalement, lors d’un devis d’investigation croisé, la vibration de la main ou de la jambe parétique a résulté en une amélioration spécifique de la dextérité manuelle ou de la coordination de la jambe, respectivement. Au membre inférieur, la vibration du quadriceps a également diminuée la spasticité des patients. Les résultats obtenus dans cette thèse sont très prometteurs pour la rééducation de la personne hémiparétique car avec une seule séance de vibration, nous avons obtenu des améliorations neurophysiologiques et cliniques.

Les effets de la similarité physique dans l’observation d’actions : études comportementales et neurophysiologiques

Il a été suggéré que la similarité physique entre un observateur et une action observée facilite la perception et la compréhension d’action. Par exemple, l’observation d’un acteur exécutant des gestes de la main ayant une signification culturelle est associée à une augmentation de l’excitabilité corticospinale lorsque les deux individus sont de la même ethnicité (Molnar-Szakacs et al., 2007). La perception tactile serait également facilitée lorsqu’un individu regarde un modèle de sa propre race être touché (Serino et al., 2009), tandis que des études en imagerie cérébrale fonctionnelle suggèrent la présence d’activations plus importantes dans le cortex cingulaire lorsqu’un sujet observe une personne de son propre groupe racial ressentir de la douleur (Xu et al., 2009). Certaines études ont lié ces résultats à un mécanisme de résonance motrice, possiblement associé au système des neurones miroirs (SNM), suggérant que la représentation de l’action dans les aires motrices est facilitée par la similarité physique. Toutefois, la grande majorité des stimuli utilisés dans ces études comportent une composante émotionnelle ou culturelle pouvant masquer les effets purement moteurs liant la similarité physique à un mécanisme de résonance motrice. De plus, la sélectivité de l’activation du SNM face à des stimuli biologiques a récemment été remise en question en raison de biais méthodologiques. La présente thèse présente trois études visant à évaluer l’effet de la similarité physique et des caractéristiques biologiques d’un mouvement sur la résonance motrice à l’aide de mesures comportementales et neurophysiologiques. À cet effet, l’imitation automatique de mouvements de la main, l’excitabilité corticospinale et la désynchronisation du rythme électroencéphalographique mu ont servi de marqueurs de l’activité du SNM. Dans les trois études présentées, la couleur de la peau et l’aspect biologique du stimulus observé ou imité ont été systématiquement manipulés. Nos données confirment la sélectivité du SNM pour le mouvement biologique en démontrant une réponse imitative plus rapide et une désynchronisation du rythme mu plus prononcée lors de la présentation de stimuli biologiques comparativement à des stimuli non-biologiques répliquant les aspects physiques du mouvement humain. Les deux mêmes mesures montrent une réponse neurophysiologique et comportementale équivalente lorsque l’action est exécutée par un agent de couleur similaire ou dissimilaire au participant. Nous rapportons aussi un effet surprenant de la similarité physique sur l’excitabilité corticospinale, où l’observation d’une action exécutée par un agent de couleur différente est associée à une activation plus grande du cortex moteur primaire droit de participants de sexe féminin. Prises dans leur ensemble, ces données suggèrent que la similarité physique avec une action observée ne module généralement pas l’activité du SNM au niveau des aires sensorimotrices en l’absence de composantes culturelles et émotionnelles. De plus, les résultats présentés suggèrent que le SNM est sélectif au mouvement biologique plutôt qu’à l’aspect kinématique du mouvement.