Nondeclarative learning in children with Specific Language Impairment: Predicting regularities in the visuomotor, phonological, and cognitive domains.

Ullman (2004) suggested that Specific Language Impairment (SLI) results from a general procedural learning deficit. In order to test this hypothesis, we investigated children with SLI via procedural learning tasks exploring the verbal, motor, and cognitive domains. Results showed that compared with a Control Group, the children with SLI (a) were unable to learn a phonotactic learning task, (b) were able but less efficiently to learn a motor learning task and (c) succeeded in a cognitive learning task. Regarding the motor learning task (Serial Reaction Time Task), reaction times were longer and learning slower than in controls. The learning effect was not significant in children with an associated Developmental Coordination Disorder (DCD), and future studies should consider comorbid motor impairment in order to clarify whether impairments are related to the motor rather than the language disorder. Our results indicate that a phonotactic learning but not a cognitive procedural deficit underlies SLI, thus challenging Ullmans' general procedural deficit hypothesis, like a few other recent studies.

Weed or wheel! FMRI, behavioural, and toxicological investigations of how cannabis smoking affects skills necessary for driving.

Marijuana is the most widely used illicit drug, however its effects on cognitive functions underling safe driving remain mostly unexplored. Our goal was to evaluate the impact of cannabis on the driving ability of occasional smokers, by investigating changes in the brain network involved in a tracking task. The subject characteristics, the percentage of Δ(9)-Tetrahydrocannabinol in the joint, and the inhaled dose were in accordance with real-life conditions. Thirty-one male volunteers were enrolled in this study that includes clinical and toxicological aspects together with functional magnetic resonance imaging of the brain and measurements of psychomotor skills. The fMRI paradigm was based on a visuo-motor tracking task, alternating active tracking blocks with passive tracking viewing and rest condition. We show that cannabis smoking, even at low Δ(9)-Tetrahydrocannabinol blood concentrations, decreases psychomotor skills and alters the activity of the brain networks involved in cognition. The relative decrease of Blood Oxygen Level Dependent response (BOLD) after cannabis smoking in the anterior insula, dorsomedial thalamus, and striatum compared to placebo smoking suggests an alteration of the network involved in saliency detection. In addition, the decrease of BOLD response in the right superior parietal cortex and in the dorsolateral prefrontal cortex indicates the involvement of the Control Executive network known to operate once the saliencies are identified. Furthermore, cannabis increases activity in the rostral anterior cingulate cortex and ventromedial prefrontal cortices, suggesting an increase in self-oriented mental activity. Subjects are more attracted by intrapersonal stimuli ("self") and fail to attend to task performance, leading to an insufficient allocation of task-oriented resources and to sub-optimal performance. These effects correlate with the subjective feeling of confusion rather than with the blood level of Δ(9)-Tetrahydrocannabinol. These findings bolster the zero-tolerance policy adopted in several countries that prohibits the presence of any amount of drugs in blood while driving.

Multimodal MRI analysis of structural and functional networks in the human brain : application to two clinical studies : driving abilities under THC intoxication and early white matter changes in FXTAS

Les approches multimodales dans l'imagerie cérébrale non invasive sont de plus en plus considérées comme un outil indispensable pour la compréhension des différents aspects de la structure et de la fonction cérébrale. Grâce aux progrès des techniques d'acquisition des images de Resonance Magnetique et aux nouveaux outils pour le traitement des données, il est désormais possible de mesurer plusieurs paramètres sensibles aux différentes caractéristiques des tissues cérébraux. Ces progrès permettent, par exemple, d'étudier les substrats anatomiques qui sont à la base des processus cognitifs ou de discerner au niveau purement structurel les phénomènes dégénératifs et développementaux. Cette thèse met en évidence l'importance de l'utilisation d'une approche multimodale pour étudier les différents aspects de la dynamique cérébrale grâce à l'application de cette approche à deux études cliniques: l'évaluation structurelle et fonctionnelle des effets aigus du cannabis fumé chez des consommateurs réguliers et occasionnels, et l'évaluation de l'intégrité de la substance grise et blanche chez des jeunes porteurs de la prémutations du gène FMR1 à risque de développer le FXTAS (Fragile-X Tremor Ataxia Syndrome). Nous avons montré que chez les fumeurs occasionnels de cannabis, même à faible concentration du principal composant psychoactif (THC) dans le sang, la performance lors d'une tâche visuo-motrice est fortement diminuée, et qu'il y a des changements dans l'activité des trois réseaux cérébraux impliqués dans les processus cognitifs: le réseau de saillance, le réseau du contrôle exécutif, et le réseau actif par défaut (Default Mode). Les sujets ne sont pas en mesure de saisir les saillances dans l'environnement et de focaliser leur attention sur la tâche. L'augmentation de la réponse hémodynamique dans le cortex cingulaire antérieur suggère une augmentation de l'activité introspective. Une investigation des ef¬fets au niveau cérébral d'une exposition prolongée au cannabis, montre des changements persistants de la substance grise dans les régions associées à la mémoire et au traitement des émotions. Le niveau d'atrophie dans ces structures corrèle avec la consommation de cannabis au cours des trois mois précédant l'étude. Dans la deuxième étude, nous démontrons des altérations structurelles des décennies avant l'apparition du syndrome FXTAS chez des sujets jeunes, asymptomatiques, et porteurs de la prémutation du gène FMR1. Les modifications trouvées peuvent être liées à deux mécanismes différents. Les altérations dans le réseau moteur du cervelet et dans la fimbria de l'hippocampe, suggèrent un effet développemental de la prémutation. Elles incluent aussi une atrophie de la substance grise du lobule VI du cervelet et l'altération des propriétés tissulaires de la substance blanche des projections afférentes correspondantes aux pédoncules cérébelleux moyens. Les lésions diffuses de la substance blanche cérébrale peu¬vent être un marquer précoce du développement de la maladie, car elles sont liées à un phénomène dégénératif qui précède l'apparition des symptômes du FXTAS. - Multimodal brain imaging is becoming a leading tool for understanding different aspects of brain structure and function. Thanks to the advances in Magnetic Resonance imaging (MRI) acquisition schemes and data processing techniques, it is now possible to measure different parameters sensitive to different tissue characteristics. This allows for example to investigate anatomical substrates underlying cognitive processing, or to disentangle, at a pure structural level degeneration and developmental processes. This thesis highlights the importance of using a multimodal approach for investigating different aspects of brain dynamics by applying this approach to two clinical studies: functional and structural assessment of the acute effects of cannabis smoking in regular and occasional users, and grey and white matter assessment in young FMR1 premutation carriers at risk of developing FXTAS. We demonstrate that in occasional smokers cannabis smoking, even at low concentration of the main psychoactive component (THC) in the blood, strongly decrease subjects' performance on a visuo-motor tracking task, and globally alters the activity of the three brain networks involved in cognitive processing: the Salience, the Control Executive, and the Default Mode networks. Subjects are unable to capture saliences in the environment and to orient attention to the task; the increase in Hemodynamic Response in the Anterior Cingulate Cortex suggests an increase in self-oriented mental activity. A further investigation on long term exposure to cannabis, shows a persistent grey matter modification in brain regions associated with memory and affective processing. The degree of atrophy in these structures also correlates with the estimation of drug use in the three months prior the participation to the study. In the second study we demonstrate structural changes in young asymptomatic premutation carriers decades before the onset of FXTAS that might be related to two different mechanisms. Alteration of the cerebellar motor network and of the hippocampal fimbria/ fornix, may reflect a potential neurodevelopmental effect of the premutation. These include grey matter atrophy in lobule VI and modification of white matter tissue property in the corresponding afferent projections through the Middle Cerebellar Peduncles. Diffuse hemispheric white matter lesions that seem to appear closer to the onset of FXTAS and be related to a neurodegenerative phenomenon may mark the imminent onset of FXTAS.

Étude multimodale de la consolidation d’habiletés motrices à ‎l’aide de l’IRMf et de l’EEG

La consolidation est le processus qui transforme une nouvelle trace mnésique labile en ‎une autre plus stable et plus solide. Une des tâches utilisées en laboratoire pour ‎l’exploration de la consolidation motrice dans ses dimensions comportementale et ‎cérébrale est la tâche d’apprentissage de séquences motrices. Celle-ci consiste à ‎reproduire une même série de mouvements des doigts, apprise de manière implicite ou ‎explicite, tout en mesurant l’amélioration dans l’exécution. Les études récentes ont ‎montré que, dans le cas de l’apprentissage explicite de cette tâche, la consolidation de la ‎trace mnésique associée à cette nouvelle habileté dépendrait du sommeil, et plus ‎particulièrement des fuseaux en sommeil lent. Et bien que deux types de fuseaux aient ‎été décrits (lents et rapides), le rôle de chacun d’eux dans la consolidation d’une ‎séquence motrice est encore mal exploré. En effet, seule une étude s’est intéressée à ce ‎rôle, montrant alors une implication des fuseaux rapides dans ce processus mnésique ‎suite à une nuit artificiellement altérée. D’autre part, les études utilisant l’imagerie ‎fonctionnelle (IRMf et PET scan) menées par différentes équipes dont la notre, ont ‎montré des changements au niveau de l’activité du système cortico-striatal suite à la ‎consolidation motrice. Cependant, aucune corrélation n’a été faite à ce jour entre ces ‎changements et les caractéristiques des fuseaux du sommeil survenant au cours de la nuit ‎suivant un apprentissage moteur. Les objectifs de cette thèse étaient donc: 1) de ‎déterminer, à travers des enregistrements polysomnographiques et des analyses ‎corrélationnelles, les caractéristiques des deux types de fuseaux (i.e. lents et rapides) ‎associées à la consolidation d’une séquence motrice suite à une nuit de sommeil non ‎altérée, et 2) d’explorer, à travers des analyses corrélationnelles entre les données ‎polysomnographiques et le signal BOLD (« Blood Oxygenated Level Dependent »), ‎acquis à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), ‎l’association entre les fuseaux du sommeil et les activations cérébrales suite à la ‎consolidation de la séquence motrice. Les résultats de notre première étude ont montré ‎une implication des fuseaux rapides, et non des fuseaux lents, dans la consolidation ‎d’une séquence motrice apprise de manière explicite après une nuit de sommeil non ‎altérée, corroborant ainsi les résultats des études antérieures utilisant des nuits de ‎sommeil altérées. En effet, les analyses statistiques ont mis en évidence une ‎augmentation significative de la densité des fuseaux rapides durant la nuit suivant ‎l’apprentissage moteur par comparaison à la nuit contrôle. De plus, cette augmentation ‎corrélait avec les gains spontanés de performance suivant la nuit. Par ailleurs, les ‎résultats de notre seconde étude ont mis en évidence des corrélations significatives entre ‎l’amplitude des fuseaux de la nuit expérimentale d’une part et les gains spontanés de ‎performance ainsi que les changements du signal BOLD au niveau du système cortico-‎striatal d’autre part. Nos résultats suggèrent donc un lien fonctionnel entre les fuseaux ‎du sommeil, les gains de performance ainsi que les changements neuronaux au niveau ‎du système cortico-striatal liés à la consolidation d’une séquence motrice explicite. Par ‎ailleurs, ils supportent l’implication des fuseaux rapides dans ce type de consolidation ; ‎ceux-ci aideraient à l’activation des circuits neuronaux impliqués dans ce processus ‎mnésique et amélioreraient par la même occasion la consolidation motrice liée au ‎sommeil.‎

Variabilité individuelle de l'allocation fonctionnelle des régions cérébrales perceptives dans l'autisme

Introduction : Une augmentation de la plasticité cérébrale est susceptible d’être impliquée dans la réallocation des régions corticales et dans les nombreuses altérations microstructurelles observées en autisme. Considérant les nombreux résultats démontrant un surfonctionnement perceptif et un fonctionnement moteur atypique en autisme, l’augmentation de la plasticité cérébrale suggère une plus grande variabilité individuelle de l’allocation fonctionnelle chez cette population, plus spécifiquement dans les régions perceptives et motrices. Méthode : Afin de tester cette hypothèse, 23 participants autistes de haut-niveau et 22 non-autistes appariés pour l’âge, le quotient intellectuel, les résultats au test des Matrices de Raven et la latéralité, ont réalisé une tâche d’imitation visuo-motrice dans un appareil d’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf). Pour chaque participant, les coordonnées du pic d’activation le plus élevé ont été extraites des aires motrices primaires (Aire de Brodmann 4 (BA4)) et supplémentaires (BA6), du cortex visuo-moteur pariétal supérieur (BA7) ainsi que des aires visuelles primaires (BA17) et associatives (BA18+19) des deux hémisphères. L’étendue des activations, mesurée en fonction du nombre de voxels activés, et la différence d’intensité des activations, calculée en fonction du changement moyen d’intensité du signal ont également été considérées. Pour chaque région d’intérêt et hémisphère, la distance entre la localisation de l’activation maximale de chaque participant par rapport à celle de la moyenne de son groupe a servi de variable d’intérêt. Les moyennes de ces distances individuelles obtenues pour chaque groupe et chacune des régions d’intérêt ont ensuite été soumises à une ANOVA à mesures répétées afin de déterminer s’il existait des différences de variabilité dans la localisation des activations entre les groupes. Enfin, l’activation fonctionnelle générale à l’intérieur de chaque groupe et entre les groupes a également été étudiée. Résultats : Les résultats démontrent qu’une augmentation de la variabilité individuelle en terme de localisation des activations s’est produite à l’intérieur des deux groupes dans les aires associatives motrices et visuelles comparativement aux aires primaires associées. Néanmoins, malgré le fait que cette augmentation de variabilité dans les aires associatives soit partagée, une comparaison directe de celle-ci entre les groupes a démontré que les autistes présentaient une plus grande variabilité de la localisation des activations fonctionnelles dans le cortex visuo-moteur pariétal supérieur (BA7) et les aires associatives visuelles (BA18+19) de l’hémisphère gauche. Conclusion : Des stratégies différentes et possiblement uniques pour chaque individu semblent être observées en autisme. L’augmentation de la variabilité individuelle de la localisation des activations fonctionnelles retrouvée chez les autistes dans les aires associatives, où l’on observe également davantage de variabilité chez les non-autistes, suggère qu’une augmentation et/ou une altération des mécanismes de plasticité est impliquée dans l’autisme.

The effect of learning condition on perceptual anticipation, awareness, and visual search

The efficacy of explicit and implicit learning paradigms was examined during the very early stages of learning the perceptual-motor anticipation task of predicting ball direction from temporally occluded footage of soccer penalty kicks. In addition, the effect of instructional condition on point-of-gaze during learning was examined. A significant improvement in horizontal prediction accuracy was observed in the explicit learning group; however, similar improvement was evident in a placebo group who watched footage of soccer matches. Only the explicit learning intervention resulted in changes in eye movement behaviour and increased awareness of relevant postural cues. Results are discussed in terms of methodological and practical issues regarding the employment of implicit perceptual training interventions. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

A influência da restrição motora na tarefa A não B e as implicações da memória motora no alcance manual de crianças

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Dissociable patterns of neural activity during response inhibition in depressed adolescents with and without suicidal behavior

Objectives - Impaired attentional control and behavioral control are implicated in adult suicidal behavior. Little is known about the functional integrity of neural circuitry supporting these processes in suicidal behavior in adolescence. Method - Functional magnetic resonance imaging was used in 15 adolescent suicide attempters with a history of major depressive disorder (ATTs), 15 adolescents with a history of depressive disorder but no suicide attempt (NATs), and 14 healthy controls (HCs) during the performance of a well-validated go-no-go response inhibition and motor control task that measures attentional and behavioral control and has been shown to activate prefrontal, anterior cingulate, and parietal cortical circuitries. Questionnaires assessed symptoms and standardized interviews characterized suicide attempts. Results - A 3 group by 2 condition (go-no-go response inhibition versus go motor control blocks) block-design whole-brain analysis (p < .05, corrected) showed that NATs showed greater activity than ATTs in the right anterior cingulate gyrus (p = .008), and that NATs, but not ATTs, showed significantly greater activity than HCs in the left insula (p = .004) to go-no-go response inhibition blocks. Conclusions - Although ATTs did not show differential patterns of neural activity from HCs during the go-no-go response inhibition blocks, ATTs and NATs showed differential activation of the right anterior cingulate gyrus during response inhibition. These findings indicate that suicide attempts during adolescence are not associated with abnormal activity in response inhibition neural circuitry. The differential patterns of activity in response inhibition neural circuitry in ATTs and NATs, however, suggest different neural mechanisms for suicide attempt versus major depressive disorder in general in adolescence that should be a focus of further study.

Pediatric CNS pathophysiology

Research in pediatric central nervous system pathophysiology is focused around three primary goals: identification of neurodevelopmental disorders, understanding the differences in brain development which underlie these disorders, and improving treatment for these young children. Autism spectrum disorders (ASDs) are a complex set of disorders which are characterized by difficulties in language and social interactions. These behavioral measures are highly variable and a number of underlying causes can generate similar behavioral effects. Therefore, it is important to identify neurophysiological markers to better identify and characterize these disorders. Recent ASD findings using MEG show atypical latency and amplitude responses and poor cortical connectivity in children with ASDs across the cognitive spectrum from basic auditory processing, multisensory integration, to face and semantic processing. These results further support the view that ASDs are a complex neurologically-based disorder. On the other hand, the cause of Down syndrome is well understood as originating from a partial or full replication of chromosome 21. However, the cognitive and neurological consequences of this chromosomal abnormality are not yet well understood. Using a simple observation and motor execution task, poor functional connectivity in sensory-motor areas, particularly in the gamma band range, has been identified in children with Down syndrome and is consistent with behavioral deficits in the sensory-motor realm. Additional studies are needed to better understand whether targeted identification of these abnormalities can facilitate treatment in this disorder. Finally, while epilepsy can be reliably diagnosed, seizure control is still limited in many cases where the seizure onset zone is not readily apparent. Advances in pre-surgical evaluation and intra-operative co-registration will be described. These studies describing pediatric CNS pathophysiology will be discussed. © Springer-Verlag 2010.

Relative frequency of knowledge of results and task complexity in the motor skill acqusition

The aim of this study was to investigate the effects of knowledge of results (KR) frequency and task complexity on motor skill acquisition. The task consisted of throwing a bocha ball to place it as close as possible to the target ball. 120 students ages 11 to 73 years were assigned to one of eight experimental groups according to knowledge of results frequency (25, 50, 75, and 100%) and task complexity (simple and complex). Subjects performed 90 trials in the acquisition phase and 10 trials in the transfer test. The results showed that knowledge of results given at a frequency of 25% resulted in an inferior absolute error than 50% and inferior variable error than 50, 75, and 100 I frequencies, but no effect of task complexity was found.

Motor perseveration during an ""A not B"" task in children with intellectual disabilities

This study was designed to identify perseverative reaching tendencies in children with intellectual disabilities (ID), over a period of 1 year, by using a version of the Piagetian ""A not B"" task modified by Smith, Thelen, Titzer, and McLin (1999). Nine children (4.8 years old at the beginning of the study) with intellectual disabilities (ID) (eight with mild ID; one with moderate ID) were assessed every 3 months for approximately 1 year, totaling four assessments. The results indicate that in a majority of the cases perseveration was resilient, and that the visual system decoupled from the reaching, especially towards the later assessment periods at the end of the year. Across assessment periods variability seemed to increase in each trial (A1 through B2) for reached target. These individuals, vulnerable to distraction and attention and to short-term memory deficits, are easily locked into rigid modes of motor habits. They are susceptible to perseveration while performing simple task contexts that are typically designed for 10- to 12-month-old, normally-developing infants, therefore creating strong confinements to stable, rigid modes of elementary forms of behavior. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effects of age on learning a spatial motor task in younger and older adults individualizing their knowledge of results schedule

Self-controlled KR practice has revealed that providing participants the opportunity to control their KR is superior for motor learning compared to participants replicating the KR schedule of a self-control participant, without the choice (e.g., yoked). The purpose of the present experiment was two-fold. First, to examine the utility of a self-controlled KR schedule for learning a spatial motor task in younger and older adults and second, to determine whether a self-controlled KR schedule facilitates an increased ability to estimate one’s performance in retention and transfer. Twenty younger adults and 20 older adults practiced in either the self-control or yoked condition and were required to push and release a slide along a confined pathway using their non-dominant hand to a target distance. The retention data revealed that as a function of age, a self-controlled KR schedule facilitated superior retention performance and performance estimations in younger adults compared to their yoked counterparts.

The effects of estimating good vs. poor knowledge of results during acquisition of a spatial motor task

Recent studies have shown that providing learners Knowledge of Results (KR) after “good trials” rather than “poor trials” is superior for learning. The present study examined whether requiring participants to estimate their three best or three worst trials in a series of six trial blocks before receiving KR would prove superior to learning compared to not estimating their performance. Participants were required to push and release a slide along a confined pathway using their non-dominant hand to a target distance (133cm). The retention and transfer data suggest those participants who received KR after good trials demonstrated superior learning and performance estimations compared to those receiving KR after poor trials. The results of the present experiment offer an important theoretical extension in our understanding of the role of KR content and performance estimation on motor skill learning.