Cortical oscillatory dynamics and benzodiazepine-site modulation of tonic inhibition in fast spiking interneurons

Tonic conductance mediated by extrasynaptic GABAA receptors has been implicated in the modulation of network oscillatory activity. Using an in vitro brain slice to produce oscillatory activity and a kinetic model of GABAA receptor dynamics, we show that changes in tonic inhibitory input to fast spiking interneurons underlie benzodiazepine-site mediated modulation of neuronal network synchrony in rat primary motor cortex. We found that low concentrations (10 nM) of the benzodiazepine site agonist, zolpidem, reduced the power of pharmacologically-induced beta-frequency (15–30 Hz) oscillatory activity. By contrast, higher doses augmented beta power. Application of the antagonist, flumazenil, also increased beta power suggesting endogenous modulation of the benzodiazepine binding site. Voltage-clamp experiments revealed that pharmacologically-induced rhythmic inhibitory postsynaptic currents were reduced by 10 nM zolpidem, suggesting an action on inhibitory interneurons. Further voltage -clamp studies of fast spiking cells showed that 10 nM zolpidem augmented a tonic inhibitory GABAA receptor mediated current in fast spiking cells whilst higher concentrations of zolpidem reduced the tonic current. A kinetic model of zolpidem-sensitive GABAA receptors suggested that incubation with 10 nM zolpidem resulted in a high proportion of GABAA receptors locked in a kinetically slow desensitized state whilst 30 nM zolpidem favoured rapid transition into and out of desensitized states. This was confirmed experimentally using a challenge with saturating concentrations of GABA. Selective modulation of an interneuron-specific tonic current may underlie the reversal of cognitive and motor deficits afforded by low-dose zolpidem in neuropathological states.

Mobility changes in older age: neuropsychological, neurophysiological and cognitive predictors of successful adaptation in a real world scenario

The aims of this thesis were to investigate the neuropsychological, neurophysiological, and cognitive contributors to mobility changes with increasing age. In a series of studies with adults aged 45-88 years, unsafe pedestrian behaviour and falls were investigated in relation to i) cognitive functions (including response time variability, executive function, and visual attention tests), ii) mobility assessments (including gait and balance and using motion capture cameras), iii) motor initiation and pedestrian road crossing behavior (using a simulated pedestrian road scene), iv) neuronal and functional brain changes (using a computer based crossing task with magnetoencephalography), and v) quality of life questionnaires (including fear of falling and restricted range of travel). Older adults are more likely to be fatally injured at the far-side of the road compared to the near-side of the road, however, the underlying mobility and cognitive processes related to lane-specific (i.e. near-side or far-side) pedestrian crossing errors in older adults is currently unknown. The first study explored cognitive, motor initiation, and mobility predictors of unsafe pedestrian crossing behaviours. The purpose of the first study (Chapter 2) was to determine whether collisions at the near-side and far-side would be differentially predicted by mobility indices (such as walking speed and postural sway), motor initiation, and cognitive function (including spatial planning, visual attention, and within participant variability) with increasing age. The results suggest that near-side unsafe pedestrian crossing errors are related to processing speed, whereas far-side errors are related to spatial planning difficulties. Both near-side and far-side crossing errors were related to walking speed and motor initiation measures (specifically motor initiation variability). The salient mobility predictors of unsafe pedestrian crossings determined in the above study were examined in Chapter 3 in conjunction with the presence of a history of falls. The purpose of this study was to determine the extent to which walking speed (indicated as a salient predictor of unsafe crossings and start-up delay in Chapter 2), and previous falls can be predicted and explained by age-related changes in mobility and cognitive function changes (specifically within participant variability and spatial ability). 53.2% of walking speed variance was found to be predicted by self-rated mobility score, sit-to-stand time, motor initiation, and within participant variability. Although a significant model was not found to predict fall history variance, postural sway and attentional set shifting ability was found to be strongly related to the occurrence of falls within the last year. Next in Chapter 4, unsafe pedestrian crossing behaviour and pedestrian predictors (both mobility and cognitive measures) from Chapter 2 were explored in terms of increasing hemispheric laterality of attentional functions and inter-hemispheric oscillatory beta power changes associated with increasing age. Elevated beta (15-35 Hz) power in the motor cortex prior to movement, and reduced beta power post-movement has been linked to age-related changes in mobility. In addition, increasing recruitment of both hemispheres has been shown to occur and be beneficial to perform similarly to younger adults in cognitive tasks (Cabeza, Anderson, Locantore, & McIntosh, 2002). It has been hypothesised that changes in hemispheric neural beta power may explain the presence of more pedestrian errors at the farside of the road in older adults. The purpose of the study was to determine whether changes in age-related cortical oscillatory beta power and hemispheric laterality are linked to unsafe pedestrian behaviour in older adults. Results indicated that pedestrian errors at the near-side are linked to hemispheric bilateralisation, and neural overcompensation post-movement, 4 whereas far-side unsafe errors are linked to not employing neural compensation methods (hemispheric bilateralisation). Finally, in Chapter 5, fear of falling, life space mobility, and quality of life in old age were examined to determine their relationships with cognition, mobility (including fall history and pedestrian behaviour), and motor initiation. In addition to death and injury, mobility decline (such as pedestrian errors in Chapter 2, and falls in Chapter 3) and cognition can negatively affect quality of life and result in activity avoidance. Further, number of falls in Chapter 3 was not significantly linked to mobility and cognition alone, and may be further explained by a fear of falling. The objective of the above study (Study 2, Chapter 3) was to determine the role of mobility and cognition on fear of falling and life space mobility, and the impact on quality of life measures. Results indicated that missing safe pedestrian crossing gaps (potentially indicating crossing anxiety) and mobility decline were consistent predictors of fear of falling, reduced life space mobility, and quality of life variance. Social community (total number of close family and friends) was also linked to life space mobility and quality of life. Lower cognitive functions (particularly processing speed and reaction time) were found to predict variance in fear of falling and quality of life in old age. Overall, the findings indicated that mobility decline (particularly walking speed or walking difficulty), processing speed, and intra-individual variability in attention (including motor initiation variability) are salient predictors of participant safety (mainly pedestrian crossing errors) and wellbeing with increasing age. More research is required to produce a significant model to explain the number of falls.

Modelo animal da Doença de Parkinson baseado na expressão de alfa - sinucleína: caracterização comportamental, eletrofisiológica e avaliação dos efei tos da estimulação da medula espinhal

Parkinson disease (PD) is associated with motor symptoms and dopaminergic cell loss in the nigrostriatal pathway. Alpha-synuclein is the major component of the Lewy bodies, the biological hallmarks of disease, and has been associated with familial cases of PD. Recently, the spinal cord stimulation (SCS) showed to be effective to alleviate the Parkinson symptoms in animal models and human patients. In this project, we characterized the motor and electrophysiological effects of alpha-synuclein overexpression in the substantia nigra of rats. We further investigated the effects of spinal electrical stimulation, AMPT and L-dopa administration in this model. Method: Sprague-Dawley rats were injected with empty viral vector or the vector carrying the gene for alpha-synuclein in the substantia nigra, and were tested weekly for 10 weeks in the open field and cylinder tests. A separated group of animals implanted with bilateral electrode arrays in the motor cortex and the striatum were recorded in the open field, during the SCS sessions and the pharmacological experiments. Results: Alpha-synuclein expression resulted in motor asymmetry, observed as the reduction in use of contralateral forepaw in the cylinder test. Animals showed an increase of local field potential activity in beta band three and four weeks after the virus injection, that was not evident after the 5th week. AMPT resulted in a sever parkinsonian state, with reduction in the locomotor activity and significant peak of oscillatory activity in cortex and striatum. SCS was effective to alleviate the motor asymmetry at long term, but did not reduce the corticostriatal low frequency oscillations observed 24 hs after the AMPT administration. These oscillations were attenuated by L-dopa that, even as SCS, was not effective to restore the locomotor activity during the severe dopaminergic depletion period. Discussion: The alpha-synuclein model reproduces the motor impairment and the progressive neurodegenerative process of PD. We demonstrated, by the first time, that this model also presents the increase in low frequency oscillatory activity in the corticostriatal circuit, compatible with parkinsonian condition; and that SCS has a therapeutic effect on motor symptom of this model.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Restoring function after neuromuscular trauma: novel paradigms for enhancing volitional control of neural activity in untethered environments and vHAB, a gamified therapy platform

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Neurorehabilitation of hand functions using brain computer interface

Introduction: Brain computer interface (BCI) is a promising new technology with possible application in neurorehabilitation after spinal cord injury. Movement imagination or attempted movement-based BCI coupled with functional electrical stimulation (FES) enables the simultaneous activation of the motor cortices and the muscles they control. When using the BCI- coupled with FES (known as BCI-FES), the subject activates the motor cortex using attempted movement or movement imagination of a limb. The BCI system detects the motor cortex activation and activates the FES attached to the muscles of the limb the subject is attempting or imaging to move. In this way the afferent and the efferent pathways of the nervous system are simultaneously activated. This simultaneous activation encourages Hebbian type learning which could be beneficial in functional rehabilitation after spinal cord injury (SCI). The FES is already in use in several SCI rehabilitation units but there is currently not enough clinical evidence to support the use of BCI-FES for rehabilitation. Aims: The main aim of this thesis is to assess outcomes in sub-acute tetraplegic patients using BCI-FES for functional hand rehabilitation. In addition, the thesis explores different methods for assessing neurological rehabilitation especially after BCI-FES therapy. The thesis also investigated mental rotation as a possible rehabilitation method in SCI. Methods: Following investigation into applicable methods that can be used to implement rehabilitative BCI, a BCI based on attempted movement was built. Further, the BCI was used to build a BCI-FES system. The BCI-FES system was used to deliver therapy to seven sub-acute tetraplegic patients who were scheduled to receive the therapy over a total period of 20 working days. These seven patients are in a 'BCI-FES' group. Five more patients were also recruited and offered equivalent FES quantity without the BCI. These further five patients are in a 'FES-only' group. Neurological and functional measures were investigated and used to assess both patient groups before and after therapy. Results: The results of the two groups of patients were compared. The patients in the BCI-FES group had better improvements. These improvements were found with outcome measures assessing neurological changes. The neurological changes following the use of the BCI-FES showed that during movement attempt, the activation of the motor cortex areas of the SCI patients became closer to the activation found in healthy individuals. The intensity of the activation and its spatial localisation both improved suggesting desirable cortical reorganisation. Furthermore, the responses of the somatosensory cortex during sensory stimulation were of clear evidence of better improvement in patients who used the BCI-FES. Missing somatosensory evoked potential peaks returned more for the BCI-FES group while there was no overall change in the FES-only group. Although the BCI-FES group had better neurological improvement, they did not show better functional improvement than the FES-only group. This was attributed mainly to the short duration of the study where therapies were only delivered for 20 working days. Conclusions: The results obtained from this study have shown that BCI-FES may induce cortical changes in the desired direction at least faster than FES alone. The observation of better improvement in the patients who used the BCI-FES is a good result in neurorehabilitation and it shows the potential of thought-controlled FES as a neurorehabilitation tool. These results back other studies that have shown the potential of BCI-FES in rehabilitation following neurological injuries that lead to movement impairment. Although the results are promising, further studies are necessary given the small number of subjects in the current study.

Comprendre l’interaction entre la douleur et le système moteur : une étude novatrice combinant la stimulation magnétique transcrânienne et l’électroencéphalographie

Résumé : L’interaction entre la douleur et le système moteur est bien connue en clinique et en réadaptation. Il est sans surprise que la douleur est un phénomène considérablement invalidant, affectant la qualité de vie de ceux et celles qui en souffrent. Toutefois, les bases neurophysiologiques qui sous-tendent cette interaction demeurent, encore aujourd’hui, mal comprises. Le but de la présente étude était de mieux comprendre les mécanismes corticaux impliqués dans l’interaction entre la douleur et le système moteur. Pour ce faire, une douleur expérimentale a été induite à l’aide d’une crème à base de capsaïcine au niveau de l’avant-bras gauche des participants. L'effet de la douleur sur la force des projections corticospinales ainsi que sur l’activité cérébrale a été mesuré à l’aide de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de l’électroencéphalographie (EEG), respectivement. L’analyse des données EEG a permis de révéler qu'en présence de douleur aiguë, il y a une augmentation de l’activité cérébrale au niveau du cuneus central (fréquence têta), du cortex dorsolatéral préfrontal gauche (fréquence alpha) ainsi que du cuneus gauche et de l'insula droite (toutes deux fréquence bêta), lorsque comparée à la condition initiale (sans douleur). Également, les analyses démontrent une augmentation de l'activité du cortex moteur primaire droit en présence de douleur, mais seulement chez les participants qui présentaient simultanément une diminution de leur force de projections corticales (mesurée avec la TMS t=4,45, p<0,05). Ces participants ont également montré une plus grande connectivité entre M1 et le cuneus que les participants dont la douleur n’a pas affecté la force des projections corticospinales (t=3,58, p<0,05). Ces résultats suggèrent qu’une douleur expérimentale induit, chez certains individus, une altération au niveau des forces de projections corticomotrices. Les connexions entre M1 et le cuneus seraient possiblement impliquées dans la survenue de ces changements corticomoteurs.

Améliorer la douleur et le sommeil chez les aînés souffrant de douleur chronique à l’aide de la stimulation transcrânienne par courant direct (tDCS)

Résumé : Introduction: La douleur chronique et les problèmes de sommeil ont un impact significatif sur la qualité de vie. La prévalence de ces deux conditions augmente substantiellement avec l’âge. L’objectif de cette étude était d’évaluer la faisabilité d’une étude randomisée, contrôlée par placebo et de recueillir des données sur l’efficacité de la stimulation transcrânienne par courant direct (tDCS) pour réduire la douleur et améliorer le sommeil chez des aînés souffrant de douleur chronique d’origines musculo-squelettique. Méthodes: Quatorze patients souffrant de douleur chronique et de problèmes de sommeil ont reçu cinq séances quotidiennes consécutives de tDCS anodique appliquée au cortex moteur primaire (2 mA, 20 minutes) ou cinq séances de tDCS simulée de manière randomisée. L’intensité de la douleur était mesurée avec une échelle visuelle analogue et les paramètres de sommeil avec l’actigraphie. Pendant toute la durée de l’étude, des journaux de bord de douleur et de sommeil étaient aussi utilisés afin de mesurer l'effet de la tDCS sur la douleur et le sommeil du quotidien des participants. Résultats: Les résultats indiquent que la tDCS réelle engendre une analgésie de 59 %, alors que la tDCS simulée ne réduit pas la douleur (p < 0,05). Par contre, aucun changement n’a été observé au niveau des paramètres de sommeil (tous les p ≥ 0,18). Conclusion: Il appert que cinq séances de tDCS anodique appliquée au niveau du cortex moteur primaire seraient efficaces pour réduire la douleur des aînés souffrant de douleur chronique, mais pas pour améliorer leur sommeil. De futures études seront nécessaires afin de déterminer si d’autres paramètres de stimulation pourraient avoir un impact sur le sommeil et si ces résultats peuvent être reproduits en utilisant un plus grand nombre de patients.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Les interactions vestibulo-corticales qui sous-tendent le contrôle de la posture chez les sujets sains

Le système vestibulaire et le cortex moteur participent au contrôle de la posture, mais la nature de leurs interactions est peu documentée. Afin de caractériser les interactions vestibulo-corticales qui sous-tendent le contrôle de l’équilibre en position debout, l’activité électromyographique (EMG) du soléaire (SOL), du tibial antérieur (TA) et du péronier long (PERL) de la jambe droite a été enregistrée chez 14 sujets sains. La stimulation galvanique vestibulaire (GVS) a été appliquée avec la cathode derrière l’oreille droite ou gauche à différents intervalles inter-stimulus (ISIs) avant ou après la stimulation magnétique transcrânienne induisant des potentiels moteurs évoqués (MEPs) au niveau des muscles enregistrés. Lorsque que la cathode était à droite, une inhibition des MEPs a été observée au niveau du SOL à un ISI de 40 et 130 ms et une facilitation des MEPS a été observée au niveau TA à un ISI de 110 ms. Lorsque la cathode était à gauche, une facilitation des MEPs a été observée au niveau du SOL, du TA et du PERL à un ISI de 50, -10 et 0 ms respectivement. L’emplacement de ces interactions sur l’axe neural a été estimé en fonction des ISIs et en comparant l’effet de la GVS sur les MEPs à son effet sur l’EMG de base et sur le réflexe-H. Selon ces analyses, les modulations observées peuvent avoir lieu au niveau spinal ou au niveau supraspinal. Ces résultats suggèrent que les commandes de la voie corticospinale peuvent être modulées par le système vestibulaire à différents niveaux de l’axe neuronal.

Les interactions vestibulo-corticales qui sous-tendent le contrôle de la posture chez les sujets sains

Le système vestibulaire et le cortex moteur participent au contrôle de la posture, mais la nature de leurs interactions est peu documentée. Afin de caractériser les interactions vestibulo-corticales qui sous-tendent le contrôle de l’équilibre en position debout, l’activité électromyographique (EMG) du soléaire (SOL), du tibial antérieur (TA) et du péronier long (PERL) de la jambe droite a été enregistrée chez 14 sujets sains. La stimulation galvanique vestibulaire (GVS) a été appliquée avec la cathode derrière l’oreille droite ou gauche à différents intervalles inter-stimulus (ISIs) avant ou après la stimulation magnétique transcrânienne induisant des potentiels moteurs évoqués (MEPs) au niveau des muscles enregistrés. Lorsque que la cathode était à droite, une inhibition des MEPs a été observée au niveau du SOL à un ISI de 40 et 130 ms et une facilitation des MEPS a été observée au niveau TA à un ISI de 110 ms. Lorsque la cathode était à gauche, une facilitation des MEPs a été observée au niveau du SOL, du TA et du PERL à un ISI de 50, -10 et 0 ms respectivement. L’emplacement de ces interactions sur l’axe neural a été estimé en fonction des ISIs et en comparant l’effet de la GVS sur les MEPs à son effet sur l’EMG de base et sur le réflexe-H. Selon ces analyses, les modulations observées peuvent avoir lieu au niveau spinal ou au niveau supraspinal. Ces résultats suggèrent que les commandes de la voie corticospinale peuvent être modulées par le système vestibulaire à différents niveaux de l’axe neuronal.

Percentiles de la prueba de carrera de ida y vuelta 4x10 m en escolares de 9 a 17 años de Bogotá, Colombia: Estudio FUPRECOL

Objetivo: Este estudio describe los percentiles de la prueba de carrera de ida y vuelta 4 x 10 m en escolares de 9 a 17 años, de Bogotá, Colombia, pertenecientes al estudio Asociación de la fuerza prensil con manifestaciones tempranas de riesgo cardiovascular en niños colombianos. “FUPRECOL” Métodos: Estudio descriptivo transversal, en 2502 varones (42.7%) y 3349 mujeres (57,2%), de edades entre 9 y 17 años, pertenecientes a 24 instituciones educativas del sector oficial, en Bogotá, Colombia. La velocidad/agilidad se evaluó con la prueba de carrera de ida y vuelta 4 x 10 m (componente motor de la batería Fuprecol). Se calcularon los percentiles (P3, P10, P25, P50, P75, P90 y P97) y curvas centiles por el método LMS, según el sexo y la edad; y se realizó una comparación entre los valores de la velocidad-agilidad observados con estudios internacionales. Resultados: La edad promedio de los participantes fue 12,7 (DE 2,4) años. Al comparar por sexos, los varones presentan un mejor rendimiento en la prueba de carrera 4 x 10 m que las mujeres. En varones, el P50 osciló entre 11,9 segundos y 13,1 segundos, mientras que en mujeres el P50 osciló entre 14,3 segundos y 15,0 segundos. Al comparar los resultados de este estudio por grupos de edades y sexos, con trabajos internacionales, el P50 fue mayor al reportado en los trabajos de España, Portugal y el estudio HELENA realizado en 9 países europeos. Esta misma tendencia fue observada al comparar la media y la desviación estándar con escolares de Argentina, Francia y el mismo estudio HELENA. Conclusiones: Se registran percentiles de la prueba de carrera de ida y vuelta 4 x 10 m en función de las edades y el sexo. Estos valores pueden ser utilizados tanto para evaluar los niveles de aptitud de los estudiantes como para detectar a estudiantes cuyos niveles de condición física están por debajo de un mínimo saludable.

Neurogeometry of reaching

The purpose of the thesis is to develop a model for the functional behaviour of neurons in the primary motor cortex (M1) responsible for arm reaching movements. From Georgopoulos neurophysiological data, we provide a first bundle structure compatible with the hypercolumnar organization and with the position-direction selectivity of motor cortical cells. We then extend this model to encode the direction of arm movement which varies in time, as experimentally measured by Hatsopoulos by introducing the notion of movement fragments. We provide a sub-Riemannian model which describes the time-dependent directional selectivity of cells though integral curves of the geometric structure we set up. The sub-Riemannian distance we define allows to implement a grouping algorithm able to detect a set of hand motor trajectories. These paths, identified by using a kernel defined in terms of kinematic variables, are compatible with the motor primitives obtained from neurophysiological results by spectral analysis applied directly on cortical variables. In a second part of the work, we propose geodesics in this space as an alternative model of models for arm movement trajectories. We define a special class of curves, called admissible, on which to study the geodesics problem: we provide a connectivity property in terms of admissible paths and the existence of normal length minimizers. Admissible geodesics are used as a model of reaching paths, finding a first validation through Flash and Hogan minimizing trajectories.

Predicting corticospinal excitability from pre-TMS EEG using convolutional neural networks

The amplitude of motor evoked potentials (MEPs) elicited by transcranial magnetic stimulation (TMS) of the primary motor cortex (M1) shows a large variability from trial to trial, although MEPs are evoked by the same repeated stimulus. A multitude of factors is believed to influence MEP amplitudes, such as cortical, spinal and motor excitability state. The goal of this work is to explore to which degree the variation in MEP amplitudes can be explained by the cortical state right before the stimulation. Specifically, we analyzed a dataset acquired on eleven healthy subjects comprising, for each subject, 840 single TMS pulses applied to the left M1 during acquisition of electroencephalography (EEG) and electromyography (EMG). An interpretable convolutional neural network, named SincEEGNet, was utilized to discriminate between low- and high-corticospinal excitability trials, defined according to the MEP amplitude, using in input the pre-TMS EEG. This data-driven approach enabled considering multiple brain locations and frequency bands without any a priori selection. Post-hoc interpretation techniques were adopted to enhance interpretation by identifying the more relevant EEG features for the classification. Results show that individualized classifiers successfully discriminated between low and high M1 excitability states in all participants. Outcomes of the interpretation methods suggest the importance of the electrodes situated over the TMS stimulation site, as well as the relevance of the temporal samples of the input EEG closer to the stimulation time. This novel decoding method allows causal investigation of the cortical excitability state, which may be relevant for personalizing and increasing the efficacy of therapeutic brain-state dependent brain stimulation (for example in patients affected by Parkinson’s disease).

The role played by the parietoocciptal cortex in the process of sensory-motor integration: An electroencephalographic study

Introduction. A fundamental aspect of planning future actions is the performance and control of motor tasks. This behaviour is done through sensory-motor integration. Aim. To explain the electrophysiological mechanisms in the cortex (modifications to the alpha band) that are involved in anticipatory actions when individuals have to catch a free-falling object. Subjects and methods. The sample was made up of 20 healthy subjects of both sexes (11 males and 9 females) with ages ranging between 25 and 40 years (32.5 +/- 7.5) who were free of mental or physical diseases (previous medical history); the subjects were right-handed (Edinburgh Inventory) and were not taking any psychoactive or psychotropic substances at the time of the study. The experiment consisted in a task in which subjects had to catch freely falling objects. The experiment was made up of six blocks of 15 tests, each of which lasted 2 minutes and 30 seconds before and two seconds after each ball was dropped. Results. An interaction of the factors moment and position was only observed for the right parietooccipital cortex, in the combination of electrodes P4-O2. Conclusion. These findings suggest that the right parietooccipital cortex plays an important role in increasing expectation and swiftness in the process of preparing for a motor task.