Increased premotor cortex activation in high functioning autism during action observation

The mirror neuron (MN) hypothesis of autism has received considerable attention, but to date has produced inconsistent findings. Using functional MRI, participants with high functioning autism or Asperger's syndrome were compared to typically developing individuals (n=12 in each group). Participants passively observed hand gestures that included waving, pointing, and grasping. Concerning the MN network, both groups activated similar regions including prefrontal, inferior parietal and superior temporal regions, with the autism group demonstrating significantly greater activation in the dorsal premotor cortex. Concerning other regions, participants with autism demonstrated increased activity in the anterior cingulate and medial frontal gyrus, and reduced activation in calcarine, cuneus, and middle temporal gyrus. These results suggest that during observation of hand gestures, frontal cortex activation is affected in autism, which we suggest may be linked to abnormal functioning of the MN system.

Measuring the effects of manipulating stimulus presentation time on sensorimotor alpha and low beta reactivity during hand movement observation

The present study addresses three methodological questions that have been ignored in previous research on EEG indices of the human mirror neuron system (hMNS), particularly in regard to autistic individuals. The first question regards how to elicit the EEG indexed hMNS during movement observation: Is hMNS activation best elicited using long stimulus presentations or multiple short repetitions? The second question regards what EEG sensorimotor frequency bands reflect sensorimotor reactivity during hand movement observation? The third question regards how widespread is the EEG reactivity over the sensorimotor cortex during movement observation? The present study explored sensorimotor alpha and low beta reactivity during hand movement versus static hand or bouncing balls observation and compared two experimental protocols (long exposure vs. multiple repetitions) in the same participants. Results using the multiple repetitions protocol indicated a greater low beta desynchronisation over the sensorimotor cortex during hand movement compared to static hand and bouncing balls observation. This result was not achieved using the long exposure protocol. Therefore, the present study suggests that the multiple repetitions protocol is a more robust protocol to use when exploring the sensorimotor reactivity induced by hand action observation. In addition, sensorimotor low beta desynchronisation was differently modulated during hand movement, static hand and bouncing balls observation (non-biological motion) while it was not the case for sensorimotor alpha and that suggest that low beta may be a more sensitive index of hMNS activation during biological motion observation. In conclusion the present study indicates that sensorimotor reactivity of low beta during hand movement observation was found to be more widespread over the sensorimotor cortex than previously thought.

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.

Observation of a finger or an object movement primes imitative responses differentially

Behavioural advantages for imitation of human movements over movements instructed by other visual stimuli are attributed to an ‘action observation-execution matching’ (AOEM) mechanism. Here, we demonstrate that priming/exogenous cueing with a videotaped finger movement stimulus (S1) produces specific congruency effects in reaction times (RTs) of imitative responses to a target movement (S2) at defined stimulus onset asynchronies (SOAs). When contrasted with a moving object at an SOA of 533 ms, only a human movement is capable of inducing an effect reminiscent of ‘inhibition of return’ (IOR), i.e. a significant advantage for imitation of a subsequent incongruent as compared to a congruent movement. When responses are primed by a finger movement at SOAs of 533 and 1,200 ms, inhibition of congruent or facilitation of incongruent responses, respectively, is stronger as compared to priming by a moving object. This pattern does not depend on whether S2 presents a finger movement or a moving object, thus effects cannot be attributed to visual similarity between S1 and S2. We propose that, whereas both priming by a finger movement and a moving object induces processes of spatial orienting, solely observation of a human movement activates AOEM. Thus, S1 immediately elicits an imitative response tendency. As an overt imitation of S1 is inadequate in the present setting, the response is inhibited which, in turn, modulates congruency effects.

Mirror neurons, the representation of word meaning, and the foot of the third left frontal convolution

Previous neuroimaging research has attempted to demonstrate a preferential involvement of the human mirror neuron system (MNS) in the comprehension of effector-related action word (verb) meanings. These studies have assumed that Broca's area (or Brodmann's area 44) is the homologue of a monkey premotor area (F5) containing mouth and hand mirror neurons, and that action word meanings are shared with the mirror system due to a proposed link between speech and gestural communication. In an fMRI experiment, we investigated whether Broca's area shows mirror activity solely for effectors implicated in the MNS. Next, we examined the responses of empirically determined mirror areas during a language perception task comprising effector-specific action words, unrelated words and nonwords. We found overlapping activity for observation and execution of actions with all effectors studied, i.e., including the foot, despite there being no evidence of foot mirror neurons in the monkey or human brain. These "mirror" areas showed equivalent responses for action words, unrelated words and nonwords, with all of these stimuli showing increased responses relative to visual character strings. Our results support alternative explanations attributing mirror activity in Broca's area to covert verbalisation or hierarchical linearisation, and provide no evidence that the MNS makes a preferential contribution to comprehending action word meanings.

Activity-Dependent Neurorehabilitation Beyond Physical Trainings: "Mental Exercise" Through Mirror Neuron Activation

The activity dependent brain repair mechanism has been widely adopted in many types of neurorehabilitation. The activity leads to target specific and non-specific beneficial effects in different brain regions, such as the releasing of neurotrophic factors, modulation of the cytokines and generation of new neurons in adult hood. However physical exercise program clinically are limited to some of the patients with preserved motor functions; while many patients suffered from paralysis cannot make such efforts. Here the authors proposed the employment of mirror neurons system in promoting brain rehabilitation by "observation based stimulation". Mirror neuron system has been considered as an important basis for action understanding and learning by mimicking others. During the action observation, mirror neuron system mediated the direct activation of the same group of motor neurons that are responsible for the observed action. The effect is clear, direct, specific and evolutionarily conserved. Moreover, recent evidences hinted for the beneficial effects on stroke patients after mirror neuron system activation therapy. Finally some music-relevant therapies were proposed to be related with mirror neuron system.

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.

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.

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.

Dynamic modulation of human motor activity when observing actions

Previous studies have demonstrated that when we observe somebody else executing an action many areas of our own motor systems are active. It has been argued that these motor activations are evidence that we motorically simulate observed actions; this motoric simulation may support various functions such as imitation and action understanding. However, whether motoric simulation is indeed the function of motor activations during action observation is controversial, due to inconsistency in findings. Previous studies have demonstrated dynamic modulations in motor activity when we execute actions. Therefore, if we do motorically simulate observed actions, our motor systems should also be modulated dynamically, and in a corresponding fashion, during action observation. Using magnetoencephalography (MEG), we recorded the cortical activity of human participants while they observed actions performed by another person. Here, we show that activity in the human motor system is indeed modulated dynamically during action observation. The finding that activity in the motor system is modulated dynamically when observing actions can explain why studies of action observation using functional magnetic resonance imaging (fMRI) have reported conflicting results, and is consistent with the hypothesis that we motorically simulate observed actions.

EEG activation differences in the pre-motor cortex and supplementary motor area between normal individuals with high and low traits of autism

The human mirror neuron system (hMNS) is believed to provide a basic mechanism for social cognition. Event-related desynchronization (ERD) in alpha (8–12 Hz) and low beta band (12–20 Hz) over sensori-motor cortex has been suggested to index mirror neurons' activity. We tested whether autistic traits revealed by high and low scores on the Autistic Quotient (AQ) in the normal population are linked to variations in the electroencephalogram (EEG) over motor, pre-motor cortex and supplementary motor area (SMA) during action observation. Results revealed that in the low AQ group, the pre-motor cortex and SMA were more active during hand action than static hand observation whereas in the high AQ group the same areas were active both during static and hand action observation. In fact participants with high traits of autism showed greater low beta ERD while observing the static hand than those with low traits and this low beta ERD was not significantly different when they watched hand actions. Over primary motor cortex, the classical alpha and low beta ERD during hand actions relative to static hand observation was found across all participants. These findings suggest that the observation–execution matching system works differently according to the degree of autism traits in the normal population and that this is differentiated in terms of the EEG according to scalp site and bandwidth.

Reduced cortico-motor facilitation in a normal sample with high traits of autism

Recent research in social neuroscience proposes a link between mirror neuron system (MNS) and social cognition. The MNS has been proposed to be the neural mechanism underlying action recognition and intention understanding and more broadly social cognition. Pre-motor MNS has been suggested to modulate the motor cortex during action observation. This modulation results in an enhanced cortico-motor excitability reflected in increased motor evoked potentials (MEPs) at the muscle of interest during action observation. Anomalous MNS activity has been reported in the autistic population whose social skills are notably impaired. It is still an open question whether traits of autism in the normal population are linked to the MNS functioning. We measured TMS-induced MEPs in normal individuals with high and low traits of autism as measured by the autistic quotient (AQ), while observing videos of hand or mouth actions, static images of a hand or mouth or a blank screen. No differences were observed between the two while they observed a blank screen. However participants with low traits of autism showed significantly greater MEP amplitudes during observation of hand/mouth actions relative to static hand/mouth stimuli. In contrast, participants with high traits of autism did not show such a MEP amplitude difference between observation of actions and static stimuli. These results are discussed with reference to MNS functioning.

Retraining of interjoint arm coordination after stroke using robot-assisted time-independent functional training

We have developed a haptic-based approach for retraining of interjoint coordination following stroke called time-independent functional training (TIFT) and implemented this mode in the ARMin III robotic exoskeleton. The ARMin III robot was developed by Drs. Robert Riener and Tobias Nef at the Swiss Federal Institute of Technology Zurich (Eidgenossische Technische Hochschule Zurich, or ETH Zurich), in Zurich, Switzerland. In the TIFT mode, the robot maintains arm movements within the proper kinematic trajectory via haptic walls at each joint. These arm movements focus training of interjoint coordination with highly intuitive real-time feedback of performance; arm movements advance within the trajectory only if their movement coordination is correct. In initial testing, 37 nondisabled subjects received a single session of learning of a complex pattern. Subjects were randomized to TIFT or visual demonstration or moved along with the robot as it moved though the pattern (time-dependent [TD] training). We examined visual demonstration to separate the effects of action observation on motor learning from the effects of the two haptic guidance methods. During these training trials, TIFT subjects reduced error and interaction forces between the robot and arm, while TD subject performance did not change. All groups showed significant learning of the trajectory during unassisted recall trials, but we observed no difference in learning between groups, possibly because this learning task is dominated by vision. Further testing in stroke populations is warranted.