Réorganisation fonctionnelle et structurale des cortex auditifs, visuels et associatifs chez les sourds profonds congénitaux ou prélinguaux

En raison de l’utilisation d’un mode de communication totalement différent de celui des entendants, le langage des signes, et de l’absence quasi-totale d’afférences en provenance du système auditif, il y a de fortes chances que d’importantes modifications fonctionnelles et structurales s’effectuent dans le cerveau des individus sourds profonds. Les études antérieures suggèrent que cette réorganisation risque d’avoir des répercussions plus importantes sur les structures corticales situées le long de la voie visuelle dorsale qu’à l’intérieur de celles situées à l’intérieur de la voie ventrale. L’hypothèse proposée par Ungerleider et Mishkin (1982) quant à la présence de deux voies visuelles dans les régions occipitales, même si elle demeure largement acceptée dans la communauté scientifique, s’en trouve aussi relativement contestée. Une voie se projetant du cortex strié vers les régions pariétales postérieures, est impliquée dans la vision spatiale, et l’autre se projetant vers les régions du cortex temporal inférieur, est responsable de la reconnaissance de la forme. Goodale et Milner (1992) ont par la suite proposé que la voie dorsale, en plus de son implication dans le traitement de l’information visuo-spatiale, joue un rôle dans les ajustements sensori-moteurs nécessaires afin de guider les actions. Dans ce contexte, il est tout à fait plausible de considérer qu’un groupe de personne utilisant un langage sensori-moteur comme le langage des signes dans la vie de tous les jours, s’expose à une réorganisation cérébrale ciblant effectivement la voie dorsale. L’objectif de la première étude est d’explorer ces deux voies visuelles et plus particulièrement, la voie dorsale, chez des individus entendants par l’utilisation de deux stimuli de mouvement dont les caractéristiques physiques sont très similaires, mais qui évoquent un traitement relativement différent dans les régions corticales visuelles. Pour ce faire, un stimulus de forme définie par le mouvement et un stimulus de mouvement global ont été utilisés. Nos résultats indiquent que les voies dorsale et ventrale procèdent au traitement d’une forme définie par le mouvement, tandis que seule la voie dorsale est activée lors d’une tâche de mouvement global dont les caractéristiques psychophysiques sont relativement semblables. Nous avons utilisé, subséquemment, ces mêmes stimulations activant les voies dorsales et ventrales afin de vérifier quels pourraient être les différences fonctionnelles dans les régions visuelles et auditives chez des individus sourds profonds. Plusieurs études présentent la réorganisation corticale dans les régions visuelles et auditives en réponse à l’absence d’une modalité sensorielle. Cependant, l’implication spécifique des voies visuelles dorsale et ventrale demeure peu étudiée à ce jour, malgré plusieurs résultats proposant une implication plus importante de la voie dorsale dans la réorganisation visuelle chez les sourds. Suite à l’utilisation de l’imagerie cérébrale fonctionnelle pour investiguer ces questions, nos résultats ont été à l’encontre de cette hypothèse suggérant une réorganisation ciblant particulièrement la voie dorsale. Nos résultats indiquent plutôt une réorganisation non-spécifique au type de stimulation utilisé. En effet, le gyrus temporal supérieur est activé chez les sourds suite à la présentation de toutes nos stimulations visuelles, peu importe leur degré de complexité. Le groupe de participants sourds montre aussi une activation du cortex associatif postérieur, possiblement recruté pour traiter l’information visuelle en raison de l’absence de compétition en provenance des régions temporales auditives. Ces résultats ajoutent aux données déjà recueillies sur les modifications fonctionnelles qui peuvent survenir dans tout le cerveau des personnes sourdes, cependant les corrélats anatomiques de la surdité demeurent méconnus chez cette population. Une troisième étude se propose donc d’examiner les modifications structurales pouvant survenir dans le cerveau des personnes sourdes profondes congénitales ou prélinguales. Nos résultats montrent que plusieurs régions cérébrales semblent être différentes entre le groupe de participants sourds et celui des entendants. Nos analyses ont montré des augmentations de volume, allant jusqu’à 20%, dans les lobes frontaux, incluant l’aire de Broca et d’autres régions adjacentes impliqués dans le contrôle moteur et la production du langage. Les lobes temporaux semblent aussi présenter des différences morphométriques même si ces dernières ne sont pas significatives. Enfin, des différences de volume sont également recensées dans les parties du corps calleux contenant les axones permettant la communication entre les régions temporales et occipitales des deux hémisphères.

Observational learning of motor skills : Looking for optimal models

L’observation d’un modèle pratiquant une habileté motrice promeut l’apprentissage de l’habileté en question. Toutefois, peu de chercheurs se sont attardés à étudier les caractéristiques d’un bon modèle et à mettre en évidence les conditions d’observation pouvant optimiser l’apprentissage. Dans les trois études composant cette thèse, nous avons examiné les effets du niveau d’habileté du modèle, de la latéralité du modèle, du point de vue auquel l’observateur est placé, et du mode de présentation de l’information sur l’apprentissage d’une tâche de timing séquentielle composée de quatre segments. Dans la première expérience de la première étude, les participants observaient soit un novice, soit un expert, soit un novice et un expert. Les résultats des tests de rétention et de transfert ont révélé que l’observation d’un novice était moins bénéfique pour l’apprentissage que le fait d’observer un expert ou une combinaison des deux (condition mixte). Par ailleurs, il semblerait que l’observation combinée de modèles novice et expert induise un mouvement plus stable et une meilleure généralisation du timing relatif imposé comparativement aux deux autres conditions. Dans la seconde expérience, nous voulions déterminer si un certain type de performance chez un novice (très variable, avec ou sans amélioration de la performance) dans l’observation d’une condition mixte amenait un meilleur apprentissage de la tâche. Aucune différence significative n’a été observée entre les différents types de modèle novices employés dans l’observation de la condition mixte. Ces résultats suggèrent qu’une observation mixte fournit une représentation précise de ce qu’il faut faire (modèle expert) et que l’apprentissage est d’autant plus amélioré lorsque l’apprenant peut contraster cela avec la performance de modèles ayant moins de succès. Dans notre seconde étude, des participants droitiers devaient observer un modèle à la première ou à la troisième personne. L’observation d’un modèle utilisant la même main préférentielle que soi induit un meilleur apprentissage de la tâche que l’observation d’un modèle dont la dominance latérale est opposée à la sienne, et ce, quel que soit l’angle d’observation. Ce résultat suggère que le réseau d’observation de l’action (AON) est plus sensible à la latéralité du modèle qu’à l’angle de vue de l’observateur. Ainsi, le réseau d’observation de l’action semble lié à des régions sensorimotrices du cerveau qui simulent la programmation motrice comme si le mouvement observé était réalisé par sa propre main dominante. Pour finir, dans la troisième étude, nous nous sommes intéressés à déterminer si le mode de présentation (en direct ou en vidéo) influait sur l’apprentissage par observation et si cet effet est modulé par le point de vue de l’observateur (première ou troisième personne). Pour cela, les participants observaient soit un modèle en direct soit une présentation vidéo du modèle et ceci avec une vue soit à la première soit à la troisième personne. Nos résultats ont révélé que l’observation ne diffère pas significativement selon le type de présentation utilisée ou le point de vue auquel l’observateur est placé. Ces résultats sont contraires aux prédictions découlant des études d’imagerie cérébrale ayant montré une activation plus importante du cortex sensorimoteur lors d’une observation en direct comparée à une observation vidéo et de la première personne comparée à la troisième personne. Dans l’ensemble, nos résultats indiquent que le niveau d’habileté du modèle et sa latéralité sont des déterminants importants de l’apprentissage par observation alors que le point de vue de l’observateur et le moyen de présentation n’ont pas d’effets significatifs sur l’apprentissage d’une tâche motrice. De plus, nos résultats suggèrent que la plus grande activation du réseau d’observation de l’action révélée par les études en imagerie mentale durant l’observation d’une action n’induit pas nécessairement un meilleur apprentissage de la tâche.

Encodage des forces tactiles dans le cortex somatosensoriel primaire

Les deux fonctions principales de la main sont la manipulation d’objet et l’exploration tactile. La détection du glissement, rapportée par les mécanorécepteurs de la peau glabre, est essentielle pour l’exécution de ces deux fonctions. Durant la manipulation d’objet, la détection rapide du micro-glissement (incipient slip) amène la main à augmenter la force de pince pour éviter que l’objet ne tombe. À l’opposé, le glissement est un aspect essentiel à l’exploration tactile puisqu’il favorise une plus grande acuité tactile. Pour ces deux actions, les forces normale et tangentielle exercées sur la peau permettent de décrire le glissement mais également ce qui arrive juste avant qu’il y ait glissement. Toutefois, on ignore comment ces forces contrôlées par le sujet pourraient être encodées au niveau cortical. C’est pourquoi nous avons enregistré l’activité unitaire des neurones du cortex somatosensoriel primaire (S1) durant l’exécution de deux tâches haptiques chez les primates. Dans la première tâche, deux singes devaient saisir une pastille de métal fixe et y exercer des forces de cisaillement sans glissement dans une de quatre directions orthogonales. Des 144 neurones enregistrés, 111 (77%) étaient modulés à la direction de la force de cisaillement. L’ensemble de ces vecteurs préférés s’étendait dans toutes les directions avec un arc variant de 50° à 170°. Plus de 21 de ces neurones (19%) étaient également modulés à l’intensité de la force de cisaillement. Bien que 66 neurones (59%) montraient clairement une réponse à adaptation lente et 45 autres (41%) une réponse à adaptation rapide, cette classification ne semblait pas expliquer la modulation à l’intensité et à la direction de la force de cisaillement. Ces résultats montrent que les neurones de S1 encodent simultanément la direction et l’intensité des forces même en l’absence de glissement. Dans la seconde tâche, deux singes ont parcouru différentes surfaces avec le bout des doigts à la recherche d’une cible tactile, sans feedback visuel. Durant l’exploration, les singes, comme les humains, contrôlaient les forces et la vitesse de leurs doigts dans une plage de valeurs réduite. Les surfaces à haut coefficient de friction offraient une plus grande résistance tangentielle à la peau et amenaient les singes à alléger la force de contact, normale à la peau. Par conséquent, la somme scalaire des composantes normale et tangentielle demeurait constante entre les surfaces. Ces observations démontrent que les singes contrôlent les forces normale et tangentielle qu’ils appliquent durant l’exploration tactile. Celles-ci sont également ajustées selon les propriétés de surfaces telles que la texture et la friction. Des 230 neurones enregistrés durant la tâche d’exploration tactile, 96 (42%) ont montré une fréquence de décharge instantanée reliée aux forces exercées par les doigts sur la surface. De ces neurones, 52 (54%) étaient modulés avec la force normale ou la force tangentielle bien que l’autre composante orthogonale avait peu ou pas d’influence sur la fréquence de décharge. Une autre sous-population de 44 (46%) neurones répondait au ratio entre la force normale et la force tangentielle indépendamment de l’intensité. Plus précisément, 29 (30%) neurones augmentaient et 15 (16%) autres diminuaient leur fréquence de décharge en relation avec ce ratio. Par ailleurs, environ la moitié de tous les neurones (112) étaient significativement modulés à la direction de la force tangentielle. De ces neurones, 59 (53%) répondaient à la fois à la direction et à l’intensité des forces. L’exploration de trois ou quatre différentes surfaces a permis d’évaluer l’impact du coefficient de friction sur la modulation de 102 neurones de S1. En fait, 17 (17%) neurones ont montré une augmentation de leur fréquence de décharge avec l’augmentation du coefficient de friction alors que 8 (8%) autres ont montré le comportement inverse. Par contre, 37 (36%) neurones présentaient une décharge maximale sur une surface en particulier, sans relation linéaire avec le coefficient de friction des surfaces. La classification d’adaptation rapide ou lente des neurones de S1 n’a pu être mise en relation avec la modulation aux forces et à la friction. Ces résultats montrent que la fréquence de décharge des neurones de S1 encode l’intensité des forces normale et tangentielle, le ratio entre les deux composantes et la direction du mouvement. Ces résultats montrent que le comportement d’une importante sous-population des neurones de S1 est déterminé par les forces normale et tangentielle sur la peau. La modulation aux forces présentée ici fait le pont entre les travaux évaluant les propriétés de surfaces telles que la rugosité et les études touchant à la manipulation d’objets. Ce système de référence s’applique en présence ou en absence de glissement entre la peau et la surface. Nos résultats quant à la modulation des neurones à adaptation rapide ou lente nous amènent à suggérer que cette classification découle de la manière que la peau est stimulée. Nous discuterons aussi de la possibilité que l’activité des neurones de S1 puisse inclure une composante motrice durant ces tâches sensorimotrices. Finalement, un nouveau cadre de référence tridimensionnel sera proposé pour décrire et rassembler, dans un même continuum, les différentes modulations aux forces normale et tangentielle observées dans S1 durant l’exploration tactile.

Motor brain regions are involved in the encoding of delayed intentions: a fMRI study

In studies of prospective memory, recall of the content of delayed intentions is normally excellent, probably because they contain actions that have to be enacted at a later time. Action words encoded for later enactment are more accessible from memory than those encoded for later verbal report [Freeman, J.E., and Ellis, J.A. 2003a. The representation of delayed intentions: A prospective subject-performed task? Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition, 29, 976-992.]. As this higher assessibility is lost when the intended actions have to be enacted during encoding, or when a motor interference task is introduced concurrent to intention encoding, Freeman and Ellis suggested that the advantage of to-be-enacted actions is due to additional preparatory motor operations during encoding. Accordingly, in a fMRI study with 10 healthy young participants, we investigated whether motor brain regions are differentially activated during verbal encoding of actions for later enactment with the right hand in contrast to verbal encoding of actions for later verbal report. We included an additional condition of verbal encoding of abstract verbs for later verbal report to investigate whether the semantic motor information inherent in action verbs in contrast to abstract verbs activates motor brain regions different from those involved in the verbal encoding of actions for later enactment. Differential activation for the verbal encoding of to-be-enacted actions in contrast to to-be-reported actions was found in brain regions known to be involved in covert motor preparation for hand movements, i.e. the postcentral gyrus, the precuneus, the dorsal and ventral premotor cortex, the posterior middle temporal gyrus and the inferior parietal lobule. There was no overlap between these brain regions and those differentially activated during the verbal encoding of actions in contrast to abstract verbs for later verbal report. Consequently, the results of this fMRI study suggest the presence of preparatory motor operations during the encoding of delayed intentions requiring a future motor response, which cannot be attributed to semantic information inherent to action verbs. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Perceived helplessness is associated with individual differences in the central motor output system

Learned helplessness is a maladaptive response to uncontrollable stress characterized by impaired motor escape responses, reduced motivation and learning deficits. There are important individual differences in the likelihood of becoming helpless following exposure to uncontrollable stress but little is known about the neural mechanisms underlying these individual differences. Here we used structural MRI to measure gray and white matter in individuals with chronic pain, a population at high risk for helplessness due to prolonged exposure to a poorly controlled stressor (pain). Given that self-reported helplessness is predictive of treatment outcomes in chronic pain, understanding such differences might provide valuable clinical insight. We found that the magnitude of self-reported helplessness correlated with cortical thickness in the supplementary motor area (SMA) and midcingulate cortex, regions implicated in cognitive aspects of motor behavior. We then examined the white matter connectivity of these regions and found that fractional anisotropy of connected white matter tracts along the corticospinal tract was associated with helplessness and mediated the relationship between SMA cortical thickness and helplessness. These data provide novel evidence that links individual differences in the motor output pathway with perceived helplessness over a chronic and poorly controlled stressor.

Visual processing of optic flow and motor control in the human posterior cingulate sulcus

Previous studies have shown that the human posterior cingulate contains a visual processing area selective for optic flow (CSv). However, other studies performed in both humans and monkeys have identified a somatotopic motor region at the same location (CMA). Taken together, these findings suggested the possibility that the posterior cingulate contains a single visuomotor integration region. To test this idea we used fMRI to identify both visual and motor areas of the posterior cingulate in the same brains and to test the activity of those regions during a visuomotor task. Results indicated that rather than a single visuomotor region the posterior cingulate contains adjacent but separate motor and visual regions. CSv lies in the fundus of the cingulate sulcus, while CMA lies in the dorsal bank of the sulcus, slightly superior in terms of stereotaxic coordinates. A surprising and novel finding was that activity in CSv was suppressed during the visuomotor task, despite the visual stimulus being identical to that used to localize the region. This may provide an important clue to the specific role played by this region in the utilization of optic flow to control self-motion.

Moderate exercise changes synaptic and cytoskeletal proteins in motor regions of the rat brain

Physical exercise is known to enhance brain function in several aspects. We evaluated the acute effects of a moderate forced exercise protocol on synaptic proteins, namely synapsin 1 (SYN) and synaptophysin (SYP), and structural proteins (neurofilaments, NFs) in rat brain regions related to motor function and often affected by neurodegenerative disorders. Immunohistochemistry, Western blotting and real-time PCR were used to analyze the expression of those proteins after 3, 7 and 15 days of exercise (EX3, EX7 and EX15). In the cerebellum, increase of SYN was observed at EX7 and EX15 and of NF68 at EX3. In the substantia nigra, increases of protein levels were observed for NF68 and NF160 at EX3. In the striatum, there was an increase of SYN at EX3 and EX7, of SYP at EX7 and of NF68 at EX3. In the cortex, decreased levels of NF68 and NF160 were observed at EX3, followed by an increase of NF68 at EX15. In the reticular formation, all NF proteins were increased at EX15. The mRNA data for each time-point and region also revealed significant exercise-related changes of SYN, SYP and NF expression. These results suggest that moderate physical exercise modulates synaptic and structural proteins in motor brain areas, which may play an important role in the exercise-dependent brain plasticity. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Anabolic-androgenic steroid treatment induces behavioral disinhibition and downregulation of serotonin receptor messenger RNA in the prefrontal cortex and amygdala of male mice

Nandrolone is an anabolic-androgenic steroid (AAS) that is highly abused by individuals seeking enhanced physical strength or body appearance. Supraphysiological doses of this synthetic testosterone derivative have been associated with many physical and psychiatric adverse effects, particularly episodes of impulsiveness and overt aggressive behavior. As the neural mechanisms underlying AAS-induced behavioral disinhibition are unknown, we investigated the status of serotonergic system-related transcripts in several brain areas of mice receiving prolonged nandrolone administration. Male C57BL/6J mice received 15 mg/kg of nandrolone decanoate subcutaneously once daily for 28 days, and different sets of animals were used to investigate motor-related and emotion-related behaviors or 5-HT-related messenger RNA (mRNA) levels by real-time quantitative polymerase chain reaction. AAS-injected mice had increased body weight, were more active and displayed anxious-like behaviors in novel environments. They exhibited reduced immobility in the forced swim test, a higher probability of being aggressive and more readily attacked opponents. AAS treatment substantially reduced mRNA levels of most investigated postsynaptic 5-HT receptors in the amygdala and prefrontal cortex. Interestingly, the 5-HT(1B) mRNA level was further reduced in the hippocampus and hypothalamus. There was no alteration of 5-HT system transcript levels in the midbrain. In conclusion, high doses of AAS nandrolone in male mice recapitulate the behavioral disinhibition observed in abusers. Furthermore, these high doses downregulate 5-HT receptor mRNA levels in the amygdala and prefrontal cortex. Our combined findings suggest these areas as critical sites for AAS-induced effects and a possible role for the 5-HT(1B) receptor in the observed behavioral disinhibition.

Indução de plasticidade cerebral por remoção da matriz extracelular após lesão isquêmica no córtex sensório-motor de ratos

O acidente vascular cerebral (AVC) é a terceira maior causa de mortalidade e incapacidade no mundo e a principal causa de mortes no Brasil. Após a lesão isquêmica, pela capacidade limitada do Sistema Nervoso Central (SNC) se regenerar, os déficits funcionais geralmente são incapacitantes e permanentes. A incapacidade de regeneração decorre, dentre outros fatores, do acúmulo de proteoglicanos de sulfato de condroitina (PGSC) no local da lesão, inibindo a plasticidade no microambiente extracelular. A enzima condroitinase ABC (ChABC) tem se mostrado eficiente para degradar os PGSC, proporcionando plasticidade. Esta pesquisa se propõe a avaliar o efeito da remoção de PGSC após uma lesão isquêmica no córtex sensório-motor primário de ratos. Para tal, utilizou-se 20 ratos Wistar, em 4 grupos experimentais, controle e tratado, com tempo de sobrevida de 7 e 14 dias. Induziu-se uma lesão isquêmica através de microinjeções do vasoconstritor ET-1 (Endotelina-1) no córtex sensório-motor, implantou-se um polímero de Etileno vinil acetato saturado com ChABC (tratado) ou BSA (controle). Morfologicamente, avaliamos a área de lesão, que se mostrou sem diferença estatística entre grupo controle 7 dias (média de 1653,8 ± 162,57mm²), tratado 7 dias (média de 2067,3 ± 235,42mm²), controle 14 dias (média de 1267,16 ± 280,6mm²), tratado 14 dias (média de 1323,8 ± 297,05mm²) após lesão; a quantidade de astrócitos, que também se mostrou sem diferença estatística entre grupo controle 7 dias (média de 16,6±4,67 células/campo), tratado 7 (média de 21,07±1,87 células/campo) e controle 14 (média de 17,46±0,80 células/campo), tratado 14 (média de 18,51±2,60 células/campo) dias após lesão; e a expressão de controitin degradado, que qualitativamente foi mais expresso nos ratos tratados 7 e 14 dias após lesão. Comportamentalmente, no teste do cilindro, animais tratados tiveram índice de assimetria menor já em 7 dias após lesão, com diferença significativa entre os grupos. No teste da escada horizontal, os animais tratados tiveram menor diferença intragrupo que os controles. Em 7 dias após lesão, já estavam com o mesmo desempenho funcional que seu pré-cirúrgico. Os dados comportamentais demonstram que a ChABC foi eficaz na melhora do desempenho funcional de maneira precoce, o que significa que a degradação das PGSC abre uma janela plástica na lesão isquêmica cortical, sem influenciar no tamanho da lesão e quantidade de astrócitos na cicatriz glial, porém com melhora do desempenho funcional de maneira precoce. Novos estudos devem ser realizados, associando a ChABC a terapêuticas adjuvantes no tratamento de lesões isquêmicas experimentais.

Increased variability of motor cortical excitability to transcranial magnetic stimulation in migraine: a new clue to an old enigma

Increased, decreased or normal excitability to transcranial magnetic stimulation (TMS) has been reported in the motor (M1) and visual cortices of patients with migraine. Light deprivation (LD) has been reported to modulate M1 excitability in control subjects (CS). Still, effects of LD on M1 excitability compared to exposure to environmental light exposure (EL) had not been previously described in patients with migraine (MP). To further our knowledge about differences between CS and MP, regarding M1 excitability and effects of LD on M1 excitability, we opted for a novel approach by extending measurement conditions. We measured motor thresholds (MTs) to TMS, short-interval intracortical inhibition, and ratios between motor-evoked potential amplitudes and supramaximal M responses in MP and CS on two different days, before and after LD or EL. Motor thresholds significantly increased in MP in LD and EL sessions, and remained stable in CS. There were no significant between-group differences in other measures of TMS. Short-term variation of MTs was greater in MP compared to CS. Fluctuation in excitability over hours or days in MP is an issue that, until now, has been relatively neglected. The results presented here will help to reconcile conflicting observations.

Models for the Study of Cortical Activity During Cognitive ans Motor Tasks

This thesis is mainly devoted to show how EEG data and related phenomena can be reproduced and analyzed using mathematical models of neural masses (NMM). The aim is to describe some of these phenomena, to show in which ways the design of the models architecture is influenced by such phenomena, point out the difficulties of tuning the dozens of parameters of the models in order to reproduce the activity recorded with EEG systems during different kinds of experiments, and suggest some strategies to cope with these problems. In particular the chapters are organized as follows: chapter I gives a brief overview of the aims and issues addressed in the thesis; in chapter II the main characteristics of the cortical column, of the EEG signal and of the neural mass models will be presented, in order to show the relationships that hold between these entities; chapter III describes a study in which a NMM from the literature has been used to assess brain connectivity changes in tetraplegic patients; in chapter IV a modified version of the NMM is presented, which has been developed to overcomes some of the previous version’s intrinsic limitations; chapter V describes a study in which the new NMM has been used to reproduce the electrical activity evoked in the cortex by the transcranial magnetic stimulation (TMS); chapter VI presents some preliminary results obtained in the simulation of the neural rhythms associated with memory recall; finally, some general conclusions are drawn in chapter VII.

Social learning and action understanding in human observers: contributions of sensori-motor constraints and prior information

The aim of this thesis was to investigate the respective contribution of prior information and sensorimotor constraints to action understanding, and to estimate their consequences on the evolution of human social learning. Even though a huge amount of literature is dedicated to the study of action understanding and its role in social learning, these issues are still largely debated. Here, I critically describe two main perspectives. The first perspective interprets faithful social learning as an outcome of a fine-grained representation of others’ actions and intentions that requires sophisticated socio-cognitive skills. In contrast, the second perspective highlights the role of simpler decision heuristics, the recruitment of which is determined by individual and ecological constraints. The present thesis aims to show, through four experimental works, that these two contributions are not mutually exclusive. A first study investigates the role of the inferior frontal cortex (IFC), the anterior intraparietal area (AIP) and the primary somatosensory cortex (S1) in the recognition of other people’s actions, using a transcranial magnetic stimulation adaptation paradigm (TMSA). The second work studies whether, and how, higher-order and lower-order prior information (acquired from the probabilistic sampling of past events vs. derived from an estimation of biomechanical constraints of observed actions) interacts during the prediction of other people’s intentions. Using a single-pulse TMS procedure, the third study investigates whether the interaction between these two classes of priors modulates the motor system activity. The fourth study tests the extent to which behavioral and ecological constraints influence the emergence of faithful social learning strategies at a population level. The collected data contribute to elucidate how higher-order and lower-order prior expectations interact during action prediction, and clarify the neural mechanisms underlying such interaction. Finally, these works provide/open promising perspectives for a better understanding of social learning, with possible extensions to animal models.

The future in action: neurophysiological and behavioral evidence of anticipatory motor simulation.

The motor system can no longer be considered as a mere passive executive system of motor commands generated elsewhere in the brain. On the contrary, it is deeply involved in perceptual and cognitive functions and acts as an “anticipation device”. The present thesis investigates the anticipatory motor mechanisms occurring in two particular instances: i) when processing sensory events occurring within the peripersonal space (PPS); and ii) when perceiving and predicting others’actions. The first study provides evidence that PPS representation in humans modulates neural activity within the motor system, while the second demonstrates that the motor mapping of sensory events occurring within the PPS critically relies on the activity of the premotor cortex. The third study provides direct evidence that the anticipatory motor simulation of others’ actions critically relies on the activity of the anterior node of the action observation network (AON), namely the inferior frontal cortex (IFC). The fourth study, sheds light on the pivotal role of the left IFC in predicting the future end state of observed right-hand actions. Finally, the fifth study examines how the ability to predict others’ actions could be influenced by a reduction of sensorimotor experience due to the traumatic or congenital loss of a limb. Overall, the present work provides new insights on: i) the anticipatory mechanisms of the basic reactivity of the motor system when processing sensory events occurring within the PPS, and the same anticipatory motor mechanisms when perceiving others’ implied actions; ii) the functional connectivity and plasticity of premotor-motor circuits both during the motor mapping of sensory events occurring within the PPS and when perceiving others’ actions; and iii) the anticipatory mechanisms related to others’ actions prediction.

The role of medial parieto occipital cortex in visuospatial attention and reach planning: electrophysiological studies in human and non-human primates

We usually perform actions in a dynamic environment and changes in the location of a target for an upcoming action require both covert shifts of attention and motor planning update. In this study we tested whether, similarly to oculomotor areas that provide signals for overt and covert attention shifts, covert attention shifts modulate activity in cortical area V6A, which provides a bridge between visual signals and arm-motor control. We performed single cell recordings in monkeys trained to fixate straight-ahead while shifting attention outward to a peripheral cue and inward again to the fixation point. We found that neurons in V6A are influenced by spatial attention demonstrating that visual, motor, and attentional responses can occur in combination in single neurons of V6A. This modulation in an area primarily involved in visuo-motor transformation for reaching suggests that also reach-related regions could directly contribute in the shifts of spatial attention necessary to plan and control goal-directed arm movements. Moreover, to test whether V6A is causally involved in these processes, we have performed a human study using on-line repetitive transcranial magnetic stimulation over the putative human V6A (pV6A) during an attention and a reaching task requiring covert shifts of attention and reaching movements towards cued targets in space. We demonstrate that the pV6A is causally involved in attention reorienting to target detection and that this process interferes with the execution of reaching movements towards unattended targets. The current findings suggest the direct involvement of the action-related dorso-medial visual stream in attentional processes, and a more specific role of V6A in attention reorienting. Therefore, we propose that attention signals are used by the V6A to rapidly update the current motor plan or the ongoing action when a behaviorally relevant object unexpectedly appears at an unattended location.