Role of the monkey ventrolateral prefrontal cortex in the integration of contextual information for the selection and understanding of goal-directed actions

Action selection and organization are very complex processes that need to exploit contextual information and the retrieval of previously memorized information, as well as the integration of these different types of data. On the basis of anatomical connection with premotor and parietal areas involved in action goal coding, and on the data about the literature it seems appropriate to suppose that one of the most candidate involved in the selection of neuronal pools for the selection and organization of intentional actions is the prefrontal cortex. We recorded single ventrolateral prefrontal (VLPF) neurons activity while monkeys performed simple and complex manipulative actions aimed at distinct final goals, by employing a modified and more strictly controlled version of the grasp-to-eat(a food pellet)/grasp-to-place(an object) paradigm used in previous studies on parietal (Fogassi et al., 2005) and premotor neurons (Bonini et al., 2010). With this task we have been able both to evaluate the processing and integration of distinct (visual and auditory) contextual sequentially presented information in order to select the forthcoming action to perform and to examine the possible presence of goal-related activity in this portion of cortex. Moreover, we performed an observation task to clarify the possible contribution of VLPF neurons to the understanding of others’ goal-directed actions. Simple Visuo Motor Task (sVMT). We found four main types of neurons: unimodal sensory-driven, motor-related, unimodal sensory-and-motor, and multisensory neurons. We found a substantial number of VLPF neurons showing both a motor-related discharge and a visual presentation response (sensory-and-motor neurons), with remarkable visuo-motor congruence for the preferred target. Interestingly the discharge of multisensory neurons reflected a behavioural decision independently from the sensory modality of the stimulus allowing the monkey to make it: some encoded a decision to act/refraining from acting (the majority), while others specified one among the four behavioural alternatives. Complex Visuo Motor Task (cVMT). The cVMT was similar to the sVMT, but included a further grasping motor act (grasping a lid in order to remove it, before grasping the target) and was run in two modalities: randomized and in blocks. Substantially, motor-related and sensory-and-motor neurons tested in the cVMTrandomized were activated already during the first grasping motor act, but the selectivity for one of the two graspable targets emerged only during the execution of the second grasping. In contrast, when the cVMT was run in block, almost all these neurons not only discharged during the first grasping motor act, but also displayed the same target selectivity showed in correspondence of the hand contact with the target. Observation Task (OT). A great part of the neurons active during the OT showed a firing rate modulation in correspondence with the action performed by the experimenter. Among them, we found neurons significantly activated during the observation of the experimenter’s action (action observation-related neurons) and neurons responding not only to the action observation, but also to the presented cue stimuli (sensory-and-action observation-related neurons. Among the neurons of the first set, almost the half displayed a target selectivity, with a not clear difference between the two presented targets; Concerning to the second neuronal set, sensory-and-action related neurons, we found a low target selectivity and a not strictly congruence between the selectivity exhibited in the visual response and in the action observation.

Fluid management and goal-directed therapy as an adjunct to Enhanced Recovery After Surgery (ERAS)

© 2014, Canadian Anesthesiologists' Society.Optimal perioperative fluid management is an important component of Enhanced Recovery After Surgery (ERAS) pathways. Fluid management within ERAS should be viewed as a continuum through the preoperative, intraoperative, and postoperative phases. Each phase is important for improving patient outcomes, and suboptimal care in one phase can undermine best practice within the rest of the ERAS pathway. The goal of preoperative fluid management is for the patient to arrive in the operating room in a hydrated and euvolemic state. To achieve this, prolonged fasting is not recommended, and routine mechanical bowel preparation should be avoided. Patients should be encouraged to ingest a clear carbohydrate drink two to three hours before surgery. The goals of intraoperative fluid management are to maintain central euvolemia and to avoid excess salt and water. To achieve this, patients undergoing surgery within an enhanced recovery protocol should have an individualized fluid management plan. As part of this plan, excess crystalloid should be avoided in all patients. For low-risk patients undergoing low-risk surgery, a “zero-balance” approach might be sufficient. In addition, for most patients undergoing major surgery, individualized goal-directed fluid therapy (GDFT) is recommended. Ultimately, however, the additional benefit of GDFT should be determined based on surgical and patient risk factors. Postoperatively, once fluid intake is established, intravenous fluid administration can be discontinued and restarted only if clinically indicated. In the absence of other concerns, detrimental postoperative fluid overload is not justified and “permissive oliguria” could be tolerated.

A prospective comparison of a noninvasive cardiac output monitor versus esophageal doppler monitor for goal-directed fluid therapy in colorectal surgery patients

Copyright © 2014 International Anesthesia Research Society.BACKGROUND: Goal-directed fluid therapy (GDFT) is associated with improved outcomes after surgery. The esophageal Doppler monitor (EDM) is widely used, but has several limitations. The NICOM, a completely noninvasive cardiac output monitor (Cheetah Medical), may be appropriate for guiding GDFT. No prospective studies have compared the NICOM and the EDM. We hypothesized that the NICOM is not significantly different from the EDM for monitoring during GDFT. METHODS: One hundred adult patients undergoing elective colorectal surgery participated in this study. Patients in phase I (n = 50) had intraoperative GDFT guided by the EDM while the NICOM was connected, and patients in phase II (n = 50) had intraoperative GDFT guided by the NICOM while the EDM was connected. Each patient's stroke volume was optimized using 250- mL colloid boluses. Agreement between the monitors was assessed, and patient outcomes (postoperative pain, nausea, and return of bowel function), complications (renal, pulmonary, infectious, and wound complications), and length of hospital stay (LOS) were compared. RESULTS: Using a 10% increase in stroke volume after fluid challenge, agreement between monitors was 60% at 5 minutes, 61% at 10 minutes, and 66% at 15 minutes, with no significant systematic disagreement (McNemar P > 0.05) at any time point. The EDM had significantly more missing data than the NICOM. No clinically significant differences were found in total LOS or other outcomes. The mean LOS was 6.56 ± 4.32 days in phase I and 6.07 ± 2.85 days in phase II, and 95% confidence limits for the difference were -0.96 to +1.95 days (P = 0.5016). CONCLUSIONS: The NICOM performs similarly to the EDM in guiding GDFT, with no clinically significant differences in outcomes, and offers increased ease of use as well as fewer missing data points. The NICOM may be a viable alternative monitor to guide GDFT.

Control of interceptive actions is based on expectancy of time to target arrival

In this study the hypothesis that interceptive movements are controlled on the basis of expectancy of time to target arrival was tested. The study was conducted through assessment of temporal errors and kinematics of interceptive movements to a moving virtual target. Initial target velocity was kept unchanged in part of the trials, and in the others it was decreased 300 ms before the due time of target arrival at the interception position, increasing in 100 ms time to target arrival. Different probabilities of velocity decrease ranging from 25 to 100% were compared. The results revealed that while there were increasing errors between probabilities of 25 and 75% for unchanged target velocity, the opposite relationship was observed for target velocity decrease. Kinematic analysis indicated that movement timing adjustments to target velocity decrease were made online. These results support the conception that visuomotor integration in the interception of moving targets is mediated by an internal forward model whose weights can be flexibly adjusted according to expectancy of time to target arrival.

Use of peripheral vision in the interception of moving targets

Use of peripheral vision to organize and reorganize an interceptive action was investigated in young adults. Temporal errors and kinematic variables were evaluated in the interception of a virtual moving target, in situations in which its initial velocity was kept unchanged or was unexpectedly decreased. Observation of target approach was made through continuous visual pursuit (focal vision) or keeping visual focus at the origin of the trajectory or at the contact spot (peripheral vision). Results showed that visual focus at the contact spot led to temporal errors similar to focal vision, although showing a distinct kinematic profile, while focus at the origin led to an impoverished performance

Impairments of movement kinematics in patients with Huntington's disease: A comparison with and without a concurrent task

This study aimed to quantify the efficiency and smoothness of voluntary movement in Huntington's disease (HD) by the use of a graphics tablet that permits analysis of movement profiles. In particular, we aimed to ascertain whether a concurrent task (digit span) would affect the kinematics of goal-directed movements. Twelve patients with HD and their matched controls performed 12 vertical zig-zag movements, with both left and right hands (with and without the concurrent task), to large or small circular targets over long or short extents. The concurrent task was associated with shorter movement times and reduced right-hand superiority. Patients with HD were overall slower, especially with long strokes, and had similar peak velocities for both small and large targets, so that controls could better accommodate differences in target size. Patients with HD spent more time decelerating, especially with small targets, whereas controls allocated more nearly equal proportions of time to the acceleration and deceleration phases of movement, especially with large targets. Short strokes were generally less force inefficient than were long strokes, especially so for either hand in either group in the absence of the concurrent task, and for the right hand in its presence. With the concurrent task, however, the left hand's behavior changed differentially for the two groups; for patients with HD, it became more force efficient with short strokes and even less efficient with long strokes, whereas for controls, it became more efficient with long strokes. Controls may be able to divert attention away from the inferior left hand, increasing its automaticity, whereas patients with HD, because of disease, may be forced to engage even further online visual control under the demands of a concurrent task. Patients with HD may perhaps become increasingly reliant on terminal visual guidance, which indicates an impairment in constructing and refining an internal representation of the movement necessary for its. effective execution. Basal ganglia dysfunction may impair the ability to use internally generated cues to guide movement.

Functional asymmetries in the movement kinematics of patients with Tourette's syndrome

Objectives-This study adopted a concurrent task design and aimed to quantify the efficiency and smoothness of voluntary movement in Tourette's syndrome via the use of a graphics tablet which permits analysis of movement profiles. In particular, the aim was to ascertain whether a concurrent task (digit span) would affect the kinematics of goal directed movements, and whether patients with Tourette's syndrome would exhibit abnormal functional asymmetries compared with their matched controls. Methods-Twelve patients with Tourette's syndrome and their matched controls performed 12 vertical zig zag movements, with both left and right hands (with and without the concurrent task), to large or small targets over long or short extents. Results-With short strokes, controls showed the predicted right hand superiority in movement time more strongly than patients with Tourette's syndrome, who instead showed greater hand symmetry with short strokes. The right hand of controls was less force efficient with long strokes and more force efficient with short strokes, whereas either hand of patients with Tourette's syndrome was equally force efficient, irrespective of stroke length, with an overall performance profile similar to but better than that of the controls' left hand. The concurrent task, however, increased the force efficiency of the right hand in patients with Tourette's syndrome and the left hand in controls. Conclusions-Patients with Tourette's syndrome, compared with controls, were not impaired in the performance of fast, goal directed movements such as aiming at targets; they performed in certain respects better than controls. The findings clearly add to the growing literature on anomalous lateralisation in Tourette's syndrome, which may be explained by the recently reported loss of normal basal ganglia asymmetries in that disorder.

Représentation interne des caractéristiques physiques d'un objet

Dans les situations du quotidien, nous manipulons fréquemment des objets sans les regarder. Pour effectuer des mouvements vers une cible précise avec un objet à la main, il est nécessaire de percevoir les propriétés spatiales de l’objet. Plusieurs études ont démontré que les sujets peuvent discriminer entre des longueurs d'objet différentes sans l’aide des informations visuelles et peuvent adapter leurs mouvements aux nouvelles caractéristiques inertielles produites lors de la manipulation d’un objet. Dans cette étude, nous avons conduit deux expérimentations afin d’évaluer la capacité des sujets à adapter leurs mouvements d’atteinte à la longueur et à la forme perçues des objets manipulés sur la base unique des sensations non visuelles (sensations haptiques). Dans l'expérience 1, dix sujets devaient exécuter des mouvements d’atteintes vers 4 cibles tridimensionnelles (3D) avec un objet à la main. Trois objets de longueur différente ont été utilisés (pointeurs: 12.5, 17.5, 22.5 cm). Aucune connaissance de la position de la main et de l’objet par rapport à la cible n’était disponible pendant et après les mouvements vers les cibles 3D. Ainsi, lorsque comparé avec les erreurs spatiales commises lors des atteintes manuelles sans pointeur, l’erreur spatiale de chacun des mouvements avec pointeur reflète la précision de l’estimation de la longueur des pointeurs. Nos résultats indiquent que les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec un objet en comparaison avec la condition sans pointeur. Cependant, de façon intéressante, ils ont maintenu le même niveau de précision à travers les trois conditions avec des objets de différentes longueurs malgré une différence de 10 cm entre l’objet le plus court et le plus long. Dans l'expérience 2, neuf sujets différents ont effectué des mouvements d’atteinte vers les mêmes cibles utilisant cette fois-ci deux objets en forme de L (objet no.1 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 12,5 cm – objet no.2 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 17,5 cm). Comme c’était le cas lors de l'expérience 1, les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec les objets et cette augmentation était similaire entre les deux conditions avec les objets en forme de L. Une observation frappante de l’expérience 2 est que les erreurs de direction n’ont pas augmenté de façon significative entre les conditions avec objet en forme de L et la condition contrôle sans objet. Ceci démontre que les participants ont perçu de façon précise la déviation latérale des objets sans jamais avoir eu de connaissances visuelles de la configuration des objets. Les résultats suggèrent que l’adaptation à la longueur et à la forme des objets des mouvements d’atteinte est principalement basée sur l’intégration des sensations haptiques. À notre connaissance, cette étude est la première à fournir des données quantitatives sur la précision avec laquelle le système haptique peut permettre la perception de la longueur et de la forme d’un objet tenu dans la main afin d’effectuer un mouvement précis en direction d’une cible.

Contributions des voies vestibulospinale et corticospinale au contrôle des mouvements du bras

Le contrôle des mouvements du bras fait intervenir plusieurs voies provenant du cerveau. Cette thèse, composée principalement de deux études, tente d’éclaircir les contributions des voies tirant leur origine du système vestibulaire et du cortex moteur. Dans la première étude (Raptis et al 2007), impliquant des mouvements d’atteinte, nous avons cerné l’importance des voies descendantes partant du système vestibulaire pour l’équivalence motrice, i.e. la capacité du système moteur à atteindre un but moteur donné lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. L’hypothèse émise était que le système vestibulaire joue un rôle essentiel dans l’équivalence motrice. Nous avons comparé la capacité d’équivalence motrice de sujets sains et de patients vestibulodéficients chroniques lors de mouvements nécessitant un contrôle des positions du bras et du tronc. Pendant que leur vision était temporairement bloquée, les sujets devaient soit maintenir une position de l’index pendant une flexion du tronc, soit atteindre une cible dans l’espace péri-personnel en combinant le mouvement du bras avec une flexion du tronc. Lors d’essais déterminés aléatoirement et imprévus par les participants, leur tronc était retenu par un mécanisme électromagnétique s’activant en même temps que le signal de départ. Les sujets sains ont pu préserver la position ou la trajectoire de l’index dans les deux conditions du tronc (libre, bloqué) en adaptant avec une courte latence (60-180 ms) les mouvements articulaires au niveau du coude et de l’épaule. En comparaison, six des sept patients vestibulodéficients chroniques ont présenté des déficits au plan des adaptations angulaires compensatoires. Pour ces patients, entre 30 % et 100 % du mouvement du tronc n’a pas été compensé et a été transmis à la position ou trajectoire de l’index. Ces résultats indiqueraient que les influences vestibulaires évoquées par le mouvement de la tête pendant la flexion du tronc jouent un rôle majeur pour garantir l’équivalence motrice dans ces tâches d’atteinte lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. Également, ils démontrent que la plasticité de long terme survenant spontanément après une lésion vestibulaire unilatérale complète ne serait pas suffisante pour permettre au SNC de retrouver un niveau d’équivalence motrice normal dans les actions combinant un déplacement du bras et du tronc. Ces tâches de coordination bras-tronc constituent ainsi une approche inédite et sensible pour l’évaluation clinique des déficits vestibulaires. Elles permettent de sonder une dimension fonctionnelle des influences vestibulaires qui n’était pas prise en compte dans les tests cliniques usuels, dont la sensibilité relativement limitée empêche souvent la détection d’insuffisances vestibulaires six mois après une lésion de ces voies. Avec cette première étude, nous avons donc exploré comment le cerveau et les voies descendantes intègrent des degrés de liberté articulaires supplémentaires dans le contrôle du bras. Dans la seconde étude (Raptis et al 2010), notre but était de clarifier la nature des variables spécifiées par les voies descendantes pour le contrôle d’actions motrices réalisées avec ce membre. Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle les voies corticospinales contrôlent la position et les mouvements des bras en modulant la position-seuil (position de référence à partir de laquelle les muscles commencent à être activés en réponse à une déviation de cette référence). Selon ce principe, les voies corticospinales ne spécifieraient pas directement les patrons d’activité EMG, ce qui se refléterait par une dissociation entre l’EMG et l’excitabilité corticospinale pour des positions-seuils différentes. Dans un manipulandum, des participants (n=16) ont modifié leur angle du poignet, d’une position de flexion (45°) à une position d’extension (-25°), et vice-versa. Les forces élastiques passives des muscles ont été compensées avec un moteur couple afin que les sujets puissent égaliser leur activité EMG de base dans les deux positions. L’excitabilité motoneuronale dans ces positions a été comparée à travers l’analyse des réponses EMG évoquées à la suite d’étirements brefs. Dans les deux positions, le niveau d’EMG et l’excitabilité motoneuronale étaient semblables. De plus, ces tests ont permis de montrer que le repositionnement du poignet était associé à une translation de la position-seuil. Par contre, malgré la similitude de l’excitabilité motoneuronale dans ces positions, l’excitabilité corticospinale des muscles du poignet était significativement différente : les impulsions de stimulation magnétique transcrânienne (TMS; à 1.2 MT, sur l’aire du poignet de M1) ont provoqué des potentiels moteurs évoqués (MEP) de plus grande amplitude en flexion pour les fléchisseurs comparativement à la position d’extension et vice-versa pour les extenseurs (p<0.005 pour le groupe). Lorsque les mêmes positions étaient établies après une relaxation profonde, les réponses réflexes et les amplitudes des MEPs ont drastiquement diminué. La relation caractéristique observée entre position physique et amplitude des MEPs dans le positionnement actif s’est aussi estompée lorsque les muscles étaient relâchés. Cette étude suggère que la voie corticospinale, en association avec les autres voies descendantes, participerait au contrôle de la position-seuil, un processus qui prédéterminerait le référentiel spatial dans lequel l’activité EMG émerge. Ce contrôle de la « référence » constituerait un principe commun s’appliquant à la fois au contrôle de la force musculaire, de la position, du mouvement et de la relaxation. Nous avons aussi mis en évidence qu’il est nécessaire, dans les prochaines recherches ou applications utilisant la TMS, de prendre en compte la configuration-seuil des articulations, afin de bien interpréter les réponses musculaires (ou leurs changements) évoquées par cette technique; en effet, la configuration-seuil influencerait de manière notable l’excitabilité corticomotrice, qui peut être considérée comme un indicateur non seulement lors d’activités musculaires, mais aussi cognitives, après apprentissages moteurs ou lésions neurologiques causant des déficits moteurs (ex. spasticité, faiblesse). Considérées dans leur ensemble, ces deux études apportent un éclairage inédit sur des principes fondamentaux du contrôle moteur : nous y illustrons de manière plus large le rôle du système vestibulaire dans les tâches d’atteinte exigeant une coordination entre le bras et son « support » (le tronc) et clarifions l’implication des voies corticomotrices dans la spécification de paramètres élémentaires du contrôle moteur du bras. De plus amples recherches sont cependant nécessaires afin de mieux comprendre comment les systèmes sensoriels et descendants (e.g. vestibulo-, réticulo-, rubro-, propriospinal) participent et interagissent avec les signaux corticofugaux afin de spécifier les seuils neuromusculaires dans le contrôle de la posture et du mouvement.

A DEVELOPMENTAL PERSPECTIVE OF INTERMANUAL PERFORMANCE ASYMMETRY IN AIMING

This study compared intermanual performance asymmetry between adults and children of different ages in timing components of an aiming task. Participants manipulated a computer mouse with either hand, aiming to rapidly reach targets of different widths with a pointer on a monitor. Results showed longer deceleration movements with the left hand in children, leading to increased intermanual performance asymmetry when aiming at narrower targets. Increased intermanual performance asymmetry in children is conceptualized to derive from planning to minimize trajectory variability when controlling the nondominant hand.