THE INFLUENCE OF VIBRISSAL SOMATOSENSORY PROCESSING IN RAT SUPERIOR COLLICULUS ON PREY CAPTURE

The lateral part of intermediate layer of superior colliculus (SCI) is a critical substrate for successful predation by rats. Hunting-evoked expression of the activity marker Fos is concentrated in SCI while prey capture in rats with NMDA lesions in SCI is impaired. Particularly affected are rapid orienting and stereotyped sequences of actions associated with predation of fast moving prey. Such deficits are consistent with the view that the deep layers of SC are important for sensory guidance of movement. Although much of the relevant evidence involves visual control of movement, less is known about movement guidance by somatosensory input from vibrissae. Indeed, our impression is that prey contact with whiskers is a likely stimulus to trigger predation. Moreover, SCI receives whisker and orofacial somatosensory information directly from trigeminal complex, and indirectly from zona incerta, parvicelular reticular formation and somatosensory barrel cortex. To better understand sensory guidance of predation by vibrissal information we investigated prey capture by rats after whisker removal and the role of superior colliculus (SC) by comparing Fos expression after hunting with and without whiskers. Rats were allowed to hunt cockroaches, after which their whiskers were removed. Two days later they were allowed to hunt cockroaches again. Without whiskers the rats were less able to retain the cockroaches after capture and less able to pursue them in the event of the cockroach escaping. The predatory behaviour of rats with re-grown whiskers returned to normal. In parallel, Fos expression in SCI induced by predation was significantly reduced in whiskerless animals. We conclude that whiskers contribute to the efficiency of rat prey capture and that the loss of vibrissal input to SCI, as reflected by reduced Fos expression, could play a critical role in predatory deficits of whiskerless rats. (C) 2011 IBRO. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Objektivierung eines musikunterstützten Trainings motorischer Funktionen nach Schlaganfall

Neurorehabilitation, Stroke, Plasticity, Music-supported Training, Auditory sensorimotor integration

Temporo-Parietal Junction encodes the Embodied Self: Neuro-Robotics, fMRI, and Lesion mapping.

Introduction: Neuroimaging of the self focused on high-level mechanisms such as language, memory or imagery of the self. Recent evidence suggests that low-level mechanisms of multisensory and sensorimotor integration may play a fundamental role in encoding self-location and the first-person perspective (Blanke and Metzinger, 2009). Neurological patients with out-of body experiences (OBE) suffer from abnormal self-location and the first-person perspective due to a damage in the temporo-parietal junction (Blanke et al., 2004). Although self-location and the first-person perspective can be studied experimentally (Lenggenhager et al., 2009), the neural underpinnings of self-location have yet to be investigated. To investigate the brain network involved in self-location and first-person perspective we used visuo-tactile multisensory conflict, magnetic resonance (MR)-compatible robotics, and fMRI in study 1, and lesion analysis in a sample of 9 patients with OBE due to focal brain damage in study 2. Methods: Twenty-two participants saw a video showing either a person's back or an empty room being stroked (visual stimuli) while the MR-compatible robotic device stroked their back (tactile stimulation). Direction and speed of the seen stroking could either correspond (synchronous) or not (asynchronous) to those of the seen stroking. Each run comprised the four conditions according to a 2x2 factorial design with Object (Body, No-Body) and Synchrony (Synchronous, Asynchronous) as main factors. Self-location was estimated using the mental ball dropping (MBD; Lenggenhager et al., 2009). After the fMRI session participants completed a 6-item adapted from the original questionnaire created by Botvinick and Cohen (1998) and based on questions and data obtained by Lenggenhager et al. (2007, 2009). They were also asked to complete a questionnaire to disclose the perspective they adopted during the illusion. Response times (RTs) for the MBD and fMRI data were analyzed with a 3-way mixed model ANOVA with the in-between factor Perspective (up, down) and the two with-in factors Object (body, no-body) and Stroking (synchronous, asynchronous). Quantitative lesion analysis was performed using MRIcron (Rorden et al., 2007). We compared the distributions of brain lesions confirmed by multimodality imaging (Knowlton, 2004) in patients with OBE with those showing complex visual hallucinations involving people or faces, but without any disturbance of self-location and first person perspective. Nine patients with OBE were investigated. The control group comprised 8 patients. Structural imaging data were available for normalization and co-registration in all the patients. Normalization of each patient's lesion into the common MNI (Montreal Neurological Institute) reference space permitted simple, voxel-wise, algebraic comparisons to be made. Results: Even if in the scanner all participants were lying on their back and were facing upwards, analysis of perspective showed that half of the participants had the impression to be looking down at the virtual human body below them, despite any cues about their body position (Down-group). The other participants had the impression to be looking up at the virtual body above them (Up-group). Analysis of Q3 ("How strong was the feeling that the body you saw was you?") indicated stronger self-identification with the virtual body during the synchronous stroking. RTs in the MBD task confirmed these subjective data (significant 3-way interaction between perspective, object and stroking). fMRI results showed eight cortical regions where the BOLD signal was significantly different during at least one of the conditions resulting from the combination of Object and Stroking, relative to baseline: right and left temporo-parietal junction, right EBA, left middle occipito-temporal gyrus, left postcentral gyrus, right medial parietal lobe, bilateral medial occipital lobe (Fig 1). The activation patterns in right and left temporo-parietal junction and right EBA reflected changes in self-location and perspective as revealed by statistical analysis that was performed on the percentage of BOLD change with respect to the baseline. Statistical lesion overlap comparison (using nonparametric voxel based lesion symptom mapping) with respect to the control group revealed the right temporo-parietal junction, centered at the angular gyrus (Talairach coordinates x = 54, y =-52, z = 26; p>0.05, FDR corrected). Conclusions: The present questionnaire and behavioural results show that - despite the noisy and constraining MR environment) our participants had predictable changes in self-location, self-identification, and first-person perspective when robotic tactile stroking was applied synchronously with the robotic visual stroking. fMRI data in healthy participants and lesion data in patients with abnormal self-location and first-person perspective jointly revealed that the temporo-parietal cortex especially in the right hemisphere encodes these conscious experiences. We argue that temporo-parietal activity reflects the experience of the conscious "I" as embodied and localized within bodily space.

Temporo-parietal cortex encodes location of the self: joining fMRI with neuroscience robotics to study bodily self-consciousness

Neuroimaging of the self has focused on high-level mechanisms such as language, memory or imagery of the self and implicated widely distributed brain networks. Yet recent evidence suggests that low-level mechanisms such as multisensory and sensorimotor integration may play a fundamental role in self-related processing. In the present study we used visuotactile multisensory conflict, robotics, virtual reality, and fMRI to study such low-level mechanisms by experimentally inducing changes in self-location. Participants saw a video of a person's back (body) or an empty room (no-body) being stroked while a MR-compatible robotic device stroked their back. The latter tactile input was synchronous or asynchronous with respect to the seen stroking. Self-location was estimated behaviorally confirming previous data that self-location only differed between the two body conditions. fMRI results showed a bilateral activation of the temporo-parietal cortex with a significantly higher BOLD signal increase in the synchronous/body condition with respect to the other conditions. Sensorimotor cortex and extrastriate-body-area were also activated. We argue that temporo-parietal activity reflects the experience of the conscious 'I' as embodied and localized within bodily space, compatible with clinical data in neurological patients with out-of-body experiences.

Routine post-weaning handling of rats prevents isolation rearing-induced deficit in prepulse inhibition

Rats reared under isolation conditions from weaning present a number of behavioral changes compared to animals reared under social conditions (group housing). These changes include deficits in prepulse inhibition (PPI) of the startle reflex to a loud sound. PPI refers to the reduction of the magnitude of the startle reflex when a relatively weak stimulus (the prepulse) precedes by an appropriate time interval the intense startle-elicing stimulus (the pulse). PPI is useful for studying sensorimotor integration. The present study evaluated the effect of handling on the impairment of PPI induced by isolation-rearing. Male Wistar rats (N = 11-15/group) were housed in groups (5 per cage and handled three times a week) or isolated (housed individually) since weaning (21 days) for 10 weeks when they reach approximately 150 g. The isolated rats were divided into "minimally handled" animals (handled once a week for cleaning purposes only) or "handled" animals (handled three times a week). This handling consisted of grasping the rat by the tail and moving it to a clean cage (approximately 5 s). A statistically significant reduction (52%) in the PPI test was found only in the isolated group with minimal handling while no difference was seen between grouped animals and isolated handled animals. These results indicate that isolation rearing causes disruption in the PPI at adult age, which serves as an index of attention deficit. This change in the sensory processing of information induced by post-weaning isolation can be prevented by handling during the development of the animal.

Les mécanismes synaptiques et intrinsèques qui sous-tendent l’activité des cellules réticulospinales (RS) en réponse à une stimulation sensorielle de type cutané chez la lamproie

Chez diverses espèces animales, les informations sensorielles peuvent déclencher la locomotion. Ceci nécessite l’intégration des informations sensorielles par le système nerveux central. Chez la lamproie, les réseaux locomoteurs spinaux sont activés et contrôlés par les cellules réticulospinales (RS), système descendant le plus important. Ces cellules reçoivent des informations variées provenant notamment de la périphérie. Une fois activées par une brève stimulation cutanée d’intensité suffisante, les cellules RS produisent des dépolarisations soutenues de durées variées impliquant des propriétés intrinsèques calcium-dépendantes et associées à l’induction de la nage de fuite. Au cours de ce doctorat, nous avons voulu savoir si les afférences synaptiques ont une influence sur la durée des dépolarisations soutenues et si l’ensemble des cellules RS partagent des propriétés d’intégration similaires, impliquant possiblement les réserves de calcium internes. Dans un premier temps, nous montrons pour la première fois qu’en plus de dépendre des propriétés intrinsèques des cellules réticulospinales, les dépolarisations soutenues dépendent des afférences excitatrices glutamatergiques, incluant les afférences spinales, pour perdurer pendant de longues périodes de temps. Les afférences cutanées ne participent pas au maintien des dépolarisations soutenues et les afférences inhibitrices glycinergique et GABAergiques ne sont pas suffisantes pour les arrêter. Dans un deuxième temps, nous montrons que suite à une stimulation cutanée, l’ensemble des cellules RS localisées dans les quatre noyaux réticulés possèdent un patron d’activation similaire et elles peuvent toutes produire des dépolarisations soutenues dont le maintien ne dépend pas des réserves de calcium internes. Enfin, les résultats obtenus durant ce doctorat ont permis de mieux comprendre les mécanismes cellulaires par lesquels l’ensemble des cellules RS intègrent une brève information sensorielle et la transforment en une réponse soutenue associée à une commande motrice.

Effet de la maladie de Parkinson et de la médication dopaminergique sur les mécanismes de traitement et d'intégration sensorielle et l'adaptation visuomotrice

L’intégrité de notre système sensorimoteur est essentielle aux interactions adéquates avec notre environnement. Dans la maladie de Parkinson (MP), l’efficacité des interactions quotidiennes entre le corps et l’environnement est fréquemment réduite et diminue la qualité de vie. La MP est une maladie neurodégénérative résultant prioritairement d’une perte neuronale dopaminergique dans les ganglions de la base (GB). Cette dégénérescence altère le fonctionnement normal de la circuiterie associant les GB au cortex cérébral. L’administration de médications dopaminergiques permet d’améliorer les principaux symptômes cliniques moteurs de la MP. Cette thèse porte sur les rôles des GB dans les processus de traitement et d’intégration des informations sensorielles visuelle et proprioceptive et dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice. Elle s’intéresse également à l’influence de la médication dopaminergique sur ces fonctions sensorimotrices. Nous avons réalisé trois études comportementales, utilisant l’atteinte manuelle tridimensionnelle comme modèle expérimental. Dans chacune de ces études, nous avons comparé la performance de personnes âgées en santé à celle de personnes souffrant de la MP avec et sans leur médication antiparkinsonienne quotidienne. Ces trois études ont été réalisées à l’aide d’un système d’analyse de mouvement et une station de réalité virtuelle. Dans la première étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans l’intégration sensorimotrice ou le traitement des informations proprioceptives. Pour se faire, nous avons testé la capacité des patients MP à effectuer des atteintes manuelles tridimensionnelles précises dans quatre conditions variant la nature des informations sensorielles (visuelles et/ou proprioceptives) définissant la position de la main et de la cible. Les patients MP ont effectué, en moyenne, de plus grandes erreurs spatiales que les personnes en santé uniquement lorsque les informations proprioceptives étaient la seule source d’information sensorielle disponible. De plus, ces imprécisions spatiales étaient significativement plus grandes que celles des personnes en santé, seulement lorsque les patients étaient testés dans la condition médicamentée. La deuxième étude présentée dans cette thèse a permis de démontrer que les imprécisions spatiales des patients MP dans les conditions proprioceptives étaient le résultat de déficits dans l’utilisation en temps réel des informations proprioceptives pour guider les mouvements. Dans la troisième étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice explicite ou implicite. Pour se faire, nous avons testé les capacités adaptatives des patients MP dans deux tâches variant le décours temporel de l’application d’une perturbation visuomotrice tridimensionnelle. Dans la tâche explicite, la perturbation était introduite soudainement, produisant de grandes erreurs détectées consciemment. Dans la condition implicite, la perturbation était introduite graduellement ce qui engendrait de petites erreurs non détectables. Les résultats montrent que les patients MP dans les conditions médicamentée et non médicamentée présentent des déficits adaptatifs uniquement dans la tâche explicite. Dans l’ensemble, les résultats expérimentaux présentés dans cette thèse montrent que la médication dopaminergique n’améliore pas le traitement des afférences proprioceptives et l’adaptation visuomotrice des personnes souffrant de la MP. Ces observations suggèrent que les dysfonctions dans les circuits dopaminergiques dans les GB ne sont pas les seules responsables des déficits observés dans ces fonctions sensorimotrices.

A virtual reality approach to the study of visually driven postural control in developing and aging humans

L'être humain utilise trois systèmes sensoriels distincts pour réguler le maintien de la station debout: la somesthésie, le système vestibulaire, et le système visuel. Le rôle de la vision dans la régulation posturale demeure peu connu, notamment sa variabilité en fonction de l'âge, du type développemental, et des atteintes neurologiques. Dans notre travail, la régulation posturale induite visuellement a été évaluée chez des participants au développement et vieillissement normaux âgés de 5-85 ans, chez des individus autistes (développement atypique) âgés de 12-33 ans, ainsi que chez des enfants entre 9-18 ans ayant subi un TCC léger. À cet effet, la réactivité posturale des participants en réponse à un tunnel virtuel entièrement immersif, se mouvant à trois niveaux de vélocité, a été mesurée; des conditions contrôles, où le tunnel était statique ou absent, ont été incluses. Les résultats montrent que la réactivité (i.e. instabilité) posturale induite visuellement est plus élevée chez les jeunes enfants; ensuite, elle s'atténue pour rejoindre des valeurs adultes vers 16-19 ans et augmente de façon linéaire en fonction de l'âge après 45 ans jusqu'à redevenir élevée vers 60 ans. De plus, à la plus haute vélocité du tunnel, les plus jeunes participants autistes ont manifesté significativement moins de réactivité posturale comparativement à leurs contrôles; cette différence n'était pas présente chez des participants plus âgés (16-33 ans). Enfin, les enfants ayant subi un TCC léger, et qui étaient initialement modérément symptomatiques, ont montré un niveau plus élevé d'instabilité posturale induite visuellement que les contrôles, et ce jusqu'à 12 semaines post-trauma malgré le fait que la majorité d'entre eux (89%) n'étaient plus symptomatiques à ce stade. En somme, cela suggère la présence d'une importante période de transition dans la maturation des systèmes sous-tendant l'intégration sensorimotrice impliquée dans le contrôle postural vers l'âge de 16 ans, et d'autres changements sensorimoteurs vers l'âge de 60 ans; cette sur-dépendance visuelle pour la régulation posturale chez les enfants et les aînés pourrait guider l'aménagement d'espaces et l'élaboration d'activités ajustés à l'âge des individus. De plus, le fait que l'hypo-réactivité posturale aux informations visuelles chez les autistes dépende des caractéristiques de l'environnement visuel et de l'âge chronologique, affine notre compréhension des anomalies sensorielles propres à l'autisme. Par ailleurs, le fait que les enfants ayant subi un TCC léger montrent des anomalies posturales jusqu'à 3 mois post-trauma, malgré une diminution significative des symptômes rapportés, pourrait être relié à une altération du traitement de l'information visuelle dynamique et pourrait avoir des implications quant à la gestion clinique des patients aux prises avec un TCC léger, puisque la résolution des symptômes est actuellement le principal critère utilisé pour la prise de décision quant au retour aux activités. Enfin, les résultats obtenus chez une population à développement atypique (autisme) et une population avec atteinte neurologique dite transitoire (TCC léger), contribuent non seulement à une meilleure compréhension des mécanismes d'intégration sensorimotrice sous-tendant le contrôle postural mais pourraient aussi servir comme marqueurs sensibles et spécifiques de dysfonction chez ces populations. Mots-clés : posture, équilibre, vision, développement/vieillissement sensorimoteur, autisme, TCC léger symptomatique, réalité virtuelle.

The psychophysics of decision making in a two-direction random dot motion target selection task

La tâche de kinématogramme de points aléatoires est utilisée avec le paradigme de choix forcé entre deux alternatives pour étudier les prises de décisions perceptuelles. Les modèles décisionnels supposent que les indices de mouvement pour les deux alternatives sont encodés dans le cerveau. Ainsi, la différence entre ces deux signaux est accumulée jusqu’à un seuil décisionnel. Cependant, aucune étude à ce jour n’a testé cette hypothèse avec des stimuli contenant des mouvements opposés. Ce mémoire présente les résultats de deux expériences utilisant deux nouveaux stimuli avec des indices de mouvement concurrentiels. Parmi une variété de combinaisons d’indices concurrentiels, la performance des sujets dépend de la différence nette entre les deux signaux opposés. De plus, les sujets obtiennent une performance similaire avec les deux types de stimuli. Ces résultats supportent un modèle décisionnel basé sur l’accumulation des indices de mouvement net et suggèrent que le processus décisionnel peut intégrer les signaux de mouvement à partir d’une grande gamme de directions pour obtenir un percept global de mouvement.

Direct and indirect connections between cochlear root neurons and facial motor neurons: Pathways underlying the acoustic pinna reflex in the albino rat

Cochlear root neurons (CRNs) are involved in the acoustic startle reflex, which is widely used in behavioral models of sensorimotor integration. A short-latency component of this reflex, the auricular reflex, promotes pinna movements in response to unexpected loud sounds. However, the pathway involved in the auricular component of the startle reflex is not well understood. We hypothesized that the auricular reflex is mediated by direct and indirect inputs from CRNs to the motoneurons responsible for pinna movement, which are located in the medial subnucleus of the facial motor nucleus (Mot7). To assess whether there is a direct connection between CRNs and auricular motoneurons in the rat, two neuronal tracers were used in conjunction: biotinylated dextran amine, which was injected into the cochlear nerve root, and Fluoro-Gold, which was injected into the levator auris longus muscle. Under light microscopy, close appositions were observed between axon terminals of CRNs and auricular motoneurons. The presence of direct synaptic contact was confirmed at the ultrastructural level. To confirm the indirect connection, biotinylated dextran amine was injected into the auditory-responsive portion of the caudal pontine reticular nucleus, which receives direct input from CRNs. The results confirm that the caudal pontine reticular nucleus also targets the Mot7 and that its terminals are concentrated in the medial subnucleus. Therefore, it is likely that CRNs innervate auricular motoneurons both directly and indirectly, suggesting that these connections participate in the rapid auricular reflex that accompanies the acoustic startle reflex. © 2008 Wiley-Liss, Inc.

O papel dos sistemas visual, vestibular, somatosensorial e auditivo para o controle postural

The maintenance of a given body orientation is obtained by the complex relation between sensory information and muscle activity. Therefore, this study purpose was to review the role of visual, somatosensory, vestibular and auditory information in the maintenance and control of the posture. Method. a search by papers for the last 24 years was done in the PubMed and CAPES databases. The following keywords were used: postural control, sensory information, vestibular system, visual system, somatosensory system, auditory system and haptic system. Results. the influence of each sensory system and its integration were analyzed for the maintenance and control of the posture. Conclusion. the literature showed that there is information redundancy provided by sensory channels. Thus, the central nervous system chooses the main source for the posture control.

Complexidade do ambiente e assimetria no andar de idosos com doença de Parkinson

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Influência de gênero e do ciclo estral no reflexo auditivo de sobressalto em ratos Wistar

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Premotor and occipital theta asymmetries as discriminators of memory- and stimulus-guided tasks

The saccadic paradigm has been used to investigate specific cortical networks involving visuospatial attention. We examined whether asymmetry in theta and beta band differentiates the role of the hemispheres during the execution of two different prosacadic conditions: a fixed condition, where the stimulus was presented at the same location; and a random condition, where the stimulus was unpredictable. Twelve healthy volunteers (3 male; mean age: 26.25) performed the task while their brain activity pattern was recorded using quantitative electroencephalography. We did not find any significant difference for beta, slow- and fast-alpha frequencies for the pairs of electrodes analyzed. The results for theta band showed a superiority of the left hemisphere in the frontal region when responding to the random condition on the right, which is related to the planning and selection of responses, and also a greater activation of the right hemisphere during the random condition, in the occipital region, related to the identification and recognition of patterns. These results indicate that asymmetries in the premotor area and the occipital cortex differentiate memory- and stimulus-driven tasks. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Analysis of slow- and fast-alpha band asymmetry during performance of a saccadic eye movement task: Dissociation between memory- and attention-driven systems

This study aimed at analyzing the relationship between slow- and fast-alpha asymmetry within frontal cortex and the planning, execution and voluntary control of saccadic eye movements (SEM), and quantitative electroencephalography (qEEG) was recorded using a 20-channel EEG system in 12 healthy participants performing a fixed (i.e., memory-driven) and a random SEM (i.e., stimulus-driven) condition. We find main effects for SEM condition in slow- and fast-alpha asymmetry at electrodes F3-F4, which are located over premotor cortex, specifically a negative asymmetry between conditions. When analyzing electrodes F7-F8, which are located over prefrontal cortex, we found a main effect for condition in slow-alpha asymmetry, particularly a positive asymmetry between conditions. In conclusion, the present approach supports the association of slow- and fast-alpha bands with the planning and preparation of SEM, and the specific role of these sub-bands for both, the attention network and the coordination and integration of sensory information with a (oculo)-motor response. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.