Evidence for a reference frame transformation of vestibular contributions to voluntary reaching movements

Les estimations des mouvements de soi provenant des signaux vestibulaires contribuent à la planification et l’exécution des mouvements volontaires du bras lorsque le corps se déplace. Cependant, comme les senseurs vestibulaires sont fixés à la tête alors que le bras est fixé au corps, les signaux vestibulaires doivent être transformés d’un système de référence centré sur la tête à un système centré sur le corps pour pouvoir contribuer de façon appropriée au contrôle moteur du bras. Le but premier de ce travail était d’étudier l’évidence d’une telle transformation. La stimulation galvanique vestibulaire (SGV) a été utilisée pour activer les afférences vestibulaires et simuler une rotation autour d’un axe naso-occipital fixe pendant que des sujets humains faisaient des mouvements du bras dans le plan horizontal, avec la tête dans différentes orientations. Une transformation des signaux vestibulaires implique que la SVG devrait simuler une rotation autour d’un axe horizontal lorsque la tête est droite et autour d’un axe vertical lorsque la tête est en flexion antérieure. La SGV devrait ainsi perturber les mouvements du bras en fonction de l’orientation de la tête. Nos résultats démontrent que les signaux vestibulaires contribuant aux mouvements d’atteinte sont effectivement transformés en un système de référence centrée sur le corps. Le deuxième but de ce travail était d’explorer les mécanismes utilisant ces signaux vestibulaires transformés. En comparant les effets de la SGV appliquée avant ou pendant les mouvements d’atteinte nous avons montré que les signaux vestibulaires transformés contribuent à des mécanismes de compensation distincts durant la planification des mouvements d’atteinte comparativement à l’exécution.

Adaptation de la phase de planification et d’initiation du mouvement d’atteinte visuellement guidé à différentes dissociations visuomotrices.

L’hypothèse générale de ce projet soutient que le système moteur doit performer des transformations sensorimotrices afin de convertir les entrées sensorielles, concernant la position de la cible à atteindre, en commande motrice, afin de produire un mouvement du bras et de la main vers la cible à atteindre. Ce type de conversion doit être fait autant au niveau de la planification du mouvement que pour une éventuelle correction d’erreur de planification ou d’un changement inopiné de la position de la cible. La question de recherche du présent mémoire porte sur le ou les mécanismes, circuits neuronaux, impliqués dans ce type de transformation. Y a-t-il un seul circuit neuronal qui produit l’ensemble des transformations visuomotrices entre les entrées sensorielles et les sorties motrices, avant l’initiation du mouvement et la correction en temps réel du mouvement, lorsqu’une erreur ou un changement inattendu survient suite à l’initiation, ou sont-ils minimalement partiellement indépendants sur le plan fonctionnel? L’hypothèse de travail suppose qu’il n’y ait qu’un seul circuit responsable des transformations sensorimotrices, alors l’analyse des résultats obtenus par les participants devrait démontrer des changements identiques dans la performance pendant la phase de planification du mouvement d’atteinte et la phase de correction en temps réel après l’adaptation à des dissociations sensorimotrices arbitraires. L’approche expérimentale : Dans la perspective d’examiner cette question et vérifier notre hypothèse, nous avons jumelé deux paradigmes expérimentaux. En effet, les mouvements d’atteinte étaient soumis à une dissociation visuomotrice ainsi qu’à de rares essais composés de saut de cible. L’utilisation de dissociation visuomotrice permettait d’évaluer le degré d’adaptation des mécanismes impliqués dans le mouvement atteint. Les sauts de cible avaient l’avantage de permettre d’examiner la capacité d’adaptation à une dissociation visuomotrice des mécanismes impliqués dans la correction du mouvement (miroir : sur l’axe y, ou complète : inversion sur les axes x et y). Les résultats obtenus lors des analyses effectuées dans ce mémoire portent exclusivement sur l’habileté des participants à s’adapter aux deux dissociations visuomotrices à la première phase de planification du mouvement. Les résultats suggèrent que les mécanismes de planification du mouvement possèdent une grande capacité d’adaptation aux deux différentes dissociations visuomotrices. Les conclusions liées aux analyses présentées dans ce mémoire suggèrent que les mécanismes impliqués dans la phase de planification et d’initiation du mouvement parviennent relativement bien à s’adapter aux dissociations visuomotrices, miroir et inverse. Bien que les résultats démontrent une certaine distinction, entre les deux groupes à l’étude, quant aux délais nécessaires à cette adaptation, ils illustrent aussi un taux d’adaptation finale relativement similaire. L’analyse des réponses aux sauts de cible pourra être comparée aux résultats présentés dans ce mémoire afin de répondre à l’hypothèse de travail proposée par l’objectif initial de l’étude.

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.

Cholinergic receptor subtypes functional regulation in spinal cord injured monoplegic rats

The present study deals with the Cholinergic Receptor subtypes functional regulation in spinal cord injured monoplegic rats: Effect of 5-HT GABA and bone marrow cells.Spinal cord injury causes permanent and irrevocable motor deficits and neurodegeneration. Disruption of the spinal cord leads to diminished transmission of descending control from the brain to motor neurons and ascending sensory information. Behavioural studies showed deficits in motor control and coordination in SCI rats. Cholinergic system plays an important role in SCI, the evaluation of which provides valuable insight on the underlying mechanisms of motor deficit that occur during SCI. The cholinergic transmission was studied by assessing the muscarinic and nicotinic receptors; cholinergic enzymes- ChAT and AChE; second messenger enzyme PLC; transcription factor CREB and second messengers - IP3, cAMP and cGMP. We observed a decrease in the cholinergic transmission in the brain and spinal cord of SCI rats. The disrupted cholinergic system is the indicative of motor deficit and neuronal degeneration in the spinal cord and brain regions. SCI mediated oxidative stress and apoptosis leads to neuronal degeneration in SCI rats. The decreased expression of anti oxidant enzymes – SOD, GPx and neuronal cell survival factors - BDNF, GDNF, IGF-1, Akt and cyclin D2 along with increased expression of apoptotic factors – Bax, caspase-8, TNFa and NF-kB augmented the neuronal degeneration in SCI condition. BMC administration in combination with 5-HT and GABA in SCI rats showed a reversal in the impaired cholinergic neurotransmission and reduced the oxidative stress and apoptosis. It also enhanced the expression of cell survival factors in the spinal cord region. In SCI rats treated with 5-HT and GABA, the transplanted BMC expressed NeuN confirming that 5-HT and GABA induced the differentiation and proliferation of BMC to neurons in the spinal cord. Neurotrophic factors and anti-apoptotic elements in SCI rats treated with 5-HT and GABA along with BMC rendered neuroprotective effects accompanied by improvement in behavioural deficits. This resulted in a significant reversal of altered cholinergic neurotransmission in SCI. The restorative and neuro protective effects of BMC in combination with 5-HT and GABA are of immense therapeutic significance in the clinical management of SCI.

Teaching an Old Robot New Tricks: Learning Novel Tasks via Interaction with People and Things

As AI has begun to reach out beyond its symbolic, objectivist roots into the embodied, experientialist realm, many projects are exploring different aspects of creating machines which interact with and respond to the world as humans do. Techniques for visual processing, object recognition, emotional response, gesture production and recognition, etc., are necessary components of a complete humanoid robot. However, most projects invariably concentrate on developing a few of these individual components, neglecting the issue of how all of these pieces would eventually fit together. The focus of the work in this dissertation is on creating a framework into which such specific competencies can be embedded, in a way that they can interact with each other and build layers of new functionality. To be of any practical value, such a framework must satisfy the real-world constraints of functioning in real-time with noisy sensors and actuators. The humanoid robot Cog provides an unapologetically adequate platform from which to take on such a challenge. This work makes three contributions to embodied AI. First, it offers a general-purpose architecture for developing behavior-based systems distributed over networks of PC's. Second, it provides a motor-control system that simulates several biological features which impact the development of motor behavior. Third, it develops a framework for a system which enables a robot to learn new behaviors via interacting with itself and the outside world. A few basic functional modules are built into this framework, enough to demonstrate the robot learning some very simple behaviors taught by a human trainer. A primary motivation for this project is the notion that it is practically impossible to build an "intelligent" machine unless it is designed partly to build itself. This work is a proof-of-concept of such an approach to integrating multiple perceptual and motor systems into a complete learning agent.

Equinoterapia en niños con autismo

Introducción: Autismo es un trastorno del desarrollo caracterizado por compromiso en interacción social, habilidades de lenguaje, presentando rituales con estereotipias. Sin tratamientos curativos, actualmente se buscan terapias alternativas. Un incremento de la literatura científica de terapias asistidas con animales se ha evidenciado, demostrando mejoría en pacientes autistas con la equinoterapia. Objetivo: Realizar una revisión sistemática de la literatura para evaluar efectividad de la equinoterapia en habilidades sociales y de lenguaje en niños autistas. Metodología: Revisión sistemática de la literatura de artículos obtenidos en bases de datos y Meta-buscadores que proporcionaron evidencia de equinoterapia en niños autistas. Tipo de artículos consultados: revisiones sistemáticas, meta análisis y ensayos clínicos. Trabajos publicados hasta 2013. En inglés y español. Se emplearon términos MeSH y EMTREE. Resultados: Cuatro artículos cumplieron criterios de inclusión y exclusión. Se analizaron los artículos individualmente, no se logró realizar un meta análisis por diferencias metodológicas entre los estudios. En total 85 sujetos fueron evaluados en dichos estudios. La equinoterapia en niños autistas evidenció mejoría en habilidades sociales y en las habilidades de lenguaje pre verbal. Discusión: La equinoterapia es prometedora en el manejo de niños autistas, los artículos evidencian consistentemente mejorías a nivel de habilidades sociales y de lenguaje. Debe ser considerado el tipo de paciente, el régimen de equinoterapia y la sostenibilidad de las mejoras. Conclusiones: Se necesitan nuevos estudio con un mayor rigor metodológico que permitan fortalecer la evidencia sobre la equinoterapia en niños con autismo y así poder realizar recomendaciones con un adecuado nivel de evidencia.

For better or worse: the effect of levodopa on speech in Parkinson's disease

While the beneficial effect of levodopa on traditional motor control tasks have been well documented over the decades. its effect on speech motor control has rarely been objectively examined and the existing literature remains inconclusive. This paper aims to examine the effect of levodopa on speech in patients with Parkinson's disease. It was hypothesized that levodopa would improve preparatory motor set related activity and alleviate hypophonia. Patients fasted and abstained from levodopa overnight. Motor examination and speech testing was performed the following day, pre-levodopa during their "off' state, then at hourly intervals post-medication to obtain the best "on" state. All speech stimuli showed a consistent tendency for increased loudness and faster rate during the "on" state, but this was accompanied by a greater extent of intensity decay. Pitch and articulation remained unchanged. Levodopa effectively upscaled the overall gain setting of vocal amplitude and tempo, similar to its well-known effect on limb movement. However, unlike limb movement, this effect on the final acoustic product of speech may or may not be advantageous, depending on the existing speech profile of individual patients. (C) 2007 Movement Disorder Society.

Who knows best? Awareness of divided attention difficulty in a neurological rehabilitation setting

Objective: To explore whether patients relearning to walk after acquired brain injury and showing cognitive-motor interference were aware of divided attention difficulty; whether their perceptions concurred with those of treating staff. Design: Patients and neurophysiotherapists (from rehabilitation and disabled wards) completed questionnaires. Factor analyses were applied to responses. Correlations between responses, clinical measures and experimental decrements were examined. Results: Patient/staff responses showed some agreement; staff reported higher levels of perceived difficulty; responses conformed to two factors. One factor (staff/patients alike) reflected expectations about functional/motor status and did not correlate with decrements. The other factor (patients) correlated significantly with dual-task motor decrement, suggesting some genuine awareness of difficulty (cognitive performance prioritized over motor control). The other factor (staff) correlated significantly with cognitive decrement (gait prioritized over sustained attention). Conclusions: Despite some inaccurate estimation of susceptibility; patients and staff do exhibit awareness of divided attention difficulty, but with a limited degree of concurrence. In fact, our results suggest that patients and staff may be sensitive to different aspects of the deficit. Rather than 'Who knows best?', it is a question of 'Who knows what?.

Effects of utterance length on lip kinematics in aphasia

Most existing models of language production and speech motor control do not explicitly address how language requirements affect speech motor functions, as these domains are usually treated as separate and independent from one another. This investigation compared lip movements during bilabial closure between five individuals with mild aphasia and five age and gender-matched control speakers when the linguistic characteristics of the stimuli were varied by increasing the number of syllables. Upper and lower lip movement data were collected for mono-, bi- and tri-syllabic nonword sequences using an AG 100 EMMA system. Each task was performed under both normal and fast rate conditions. Single articulator kinematic parameters (peak velocity, amplitude, duration,and cyclic spatio-temporal index) were measured to characterize lip movements. Results revealed that compared to control speakers, individuals with aphasia showed significantly longer movement duration and lower movement stability for longer items (bi- and tri-syllables). Moreover, utterance length affected the lip kinematics, in that the monosyllables had smaller peak velocities, smaller amplitudes and shorter durations compared to bi- and trisyllables, and movement stability was lowest for the trisyllables. In addition, the rate-induced changes (smaller amplitude and shorter duration with increased rate) were most prominent for the short items (i.e., monosyllables). These findings provide further support for the notion that linguistic changes have an impact on the characteristics of speech movements, and that individuals with aphasia are more affected by such changes than control speakers.

Clustered functional MRI of overt speech production

To investigate the neural network of overt speech production, eventrelated fMRI was performed in 9 young healthy adult volunteers. A clustered image acquisition technique was chosen to minimize speechrelated movement artifacts. Functional images were acquired during the production of oral movements and of speech of increasing complexity (isolated vowel as well as monosyllabic and trisyllabic utterances). This imaging technique and behavioral task enabled depiction of the articulo-phonologic network of speech production from the supplementary motor area at the cranial end to the red nucleus at the caudal end. Speaking a single vowel and performing simple oral movements involved very similar activation of the corticaland subcortical motor systems. More complex, polysyllabic utterances were associated with additional activation in the bilateral cerebellum,reflecting increased demand on speech motor control, and additional activation in the bilateral temporal cortex, reflecting the stronger involvement of phonologic processing.

Advances in upper limb stroke rehabilitation: a technology push

Strokes affect thousands of people worldwide leaving sufferers with severe disabilities affecting their daily activities. In recent years, new rehabilitation techniques have emerged such as constraint-induced therapy, biofeedback therapy and robot-aided therapy. In particular, robotic techniques allow precise recording of movements and application of forces to the affected limb, making it a valuable tool for motor rehabilitation. In addition, robot-aided therapy can utilise visual cues conveyed on a computer screen to convert repetitive movement practice into an engaging task such as a game. Visual cues can also be used to control the information sent to the patient about exercise performance and to potentially address psychosomatic variables influencing therapy. This paper overviews the current state-of-the-art on upper limb robot-mediated therapy with a focal point on the technical requirements of robotic therapy devices leading to the development of upper limb rehabilitation techniques that facilitate reach-to-touch, fine motor control, whole-arm movements and promote rehabilitation beyond hospital stay. The reviewed literature suggest that while there is evidence supporting the use of this technology to reduce functional impairment, besides the technological push, the challenge ahead lies on provision of effective assessment of outcome and modalities that have a stronger impact transferring functional gains into functional independence.

Speech-like and non-speech lip kinematics and coordination in aphasia

Background and aims: In addition to the well-known linguistic processing impairments in aphasia, oro-motor skills and articulatory implementation of speech segments are reported to be compromised to some degree in most types of aphasia. This study aimed to identify differences in the characteristics and coordination of lip movements in the production of a bilabial closure gesture between speech-like and nonspeech tasks in individuals with aphasia and healthy control subjects. Method and procedure: Upper and lower lip movement data were collected for a speech-like and a nonspeech task using an AG 100 EMMA system from five individuals with aphasia and five age and gender matched control subjects. Each task was produced at two rate conditions (normal and fast), and in a familiar and a less-familiar manner. Single articulator kinematic parameters (peak velocity, amplitude, duration, and cyclic spatio-temporal index) and multi-articulator coordination indices (average relative phase and variability of relative phase) were measured to characterize lip movements. Outcome and results: The results showed that when the two lips had similar task goals (bilabial closure) in speech-like versus nonspeech task, kinematic and coordination characteristics were not found to be different. However, when changes in rate were imposed on the bilabial gesture, only speech-like task showed functional adaptations, indicated by a greater decrease in amplitude and duration at fast rates. In terms of group differences, individuals with aphasia showed smaller amplitudes and longer movement durations for upper lip, higher spatio-temporal variability for both lips, and higher variability in lip coordination than the control speakers. Rate was an important factor in distinguishing the two groups, and individuals with aphasia were limited in implementing the rate changes. Conclusion and implications: The findings support the notion of subtle but robust differences in motor control characteristics between individuals with aphasia and the control participants, even in the context of producing bilabial closing gestures for a relatively simple speech-like task. The findings also highlight the functional differences between speech-like and nonspeech tasks, despite a common movement coordination goal for bilabial closure.

The neurological underpinnings of cluttering: some initial findings

Background Cluttering is a fluency disorder characterised by overly rapid or jerky speech patterns that compromise intelligibility. The neural correlates of cluttering are unknown but theoretical accounts implicate the basal ganglia and medial prefrontal cortex. Dysfunction in these brain areas would be consistent with difficulties in selection and control of speech motor programs that are characteristic of speech disfluencies in cluttering. There is a surprising lack of investigation into this disorder using modern imaging techniques. Here, we used functional MRI to investigate the neural correlates of cluttering. Method We scanned 17 adults who clutter and 17 normally fluent control speakers matched for age and sex. Brain activity was recorded using sparse-sampling functional MRI while participants viewed scenes and either (i) produced overt speech describing the scene or (ii) read out loud a sentence provided that described the scene. Speech was recorded and analysed off line. Differences in brain activity for each condition compared to a silent resting baseline and between conditions were analysed for each group separately (cluster-forming threshold Z > 3.1, extent p < 0.05, corrected) and then these differences were further compared between the two groups (voxel threshold p < 0.01, extent > 30 voxels, uncorrected). Results In both conditions, the patterns of activation in adults who clutter and control speakers were strikingly similar, particularly at the cortical level. Direct group comparisons revealed greater activity in adults who clutter compared to control speakers in the lateral premotor cortex bilaterally and, as predicted, on the medial surface (pre-supplementary motor area). Subcortically, adults who clutter showed greater activity than control speakers in the basal ganglia. Specifically, the caudate nucleus and putamen were overactive in adults who clutter for the comparison of picture description with sentence reading. In addition, adults who clutter had reduced activity relative to control speakers in the lateral anterior cerebellum bilaterally. Eleven of the 17 adults who clutter also stuttered. This comorbid diagnosis of stuttering was found to contribute to the abnormal overactivity seen in the group of adults who clutter in the right ventral premotor cortex and right anterior cingulate cortex. In the remaining areas of abnormal activity seen in adults who clutter compared to controls, the subgroup who clutter and stutter did not differ from the subgroup who clutter but do not stutter. Conclusions Our findings were in good agreement with theoretical predictions regarding the neural correlates of cluttering. We found evidence for abnormal function in the basal ganglia and their cortical output target, the medial prefrontal cortex. The findings are discussed in relation to models of cluttering that point to problems with motor control of speech.

Rapid evolution of the cerebellum in humans and other great apes

Humans’ unique cognitive abilities are usually attributed to a greatly expanded neocortex, which has been described as “the crowning achievement of evolution and the biological substrate of human mental prowess” [1]. The human cerebellum, however, contains four times more neurons than the neocortex [2] and is attracting increasing attention for its wide range of cognitive functions. Using a method for detecting evolutionary rate changes along the branches of phylogenetic trees, we show that the cerebellum underwent rapid size increase throughout the evolution of apes, including humans, expanding significantly faster than predicted by the change in neocortex size. As a result, humans and other apes deviated significantly from the general evolutionary trend for neocortex and cerebellum to change in tandem, having significantly larger cerebella relative to neocortex size than other anthropoid primates. These results suggest that cerebellar specialization was a far more important component of human brain evolution than hitherto recognized and that technical intelligence was likely to have been at least as important as social intelligence in human cognitive evolution. Given the role of the cerebellum in sensory-motor control and in learning complex action sequences, cerebellar specialization is likely to have underpinned the evolution of humans’ advanced technological capacities, which in turn may have been a preadaptation for language.

THE ROLE OF THE SUPERIOR COLLICULUS IN PREDATORY HUNTING

Combining the results of behavioral, neuronal immediate early gene activation, lesion and neuroanatomical experiments, we have presently investigated the role of the superior colliculus (SC) in predatory hunting. First, we have shown that insect hunting is associated with a characteristic large increase in Fos expression in the lateral part of the intermediate gray layer of the SC (Wig). Next, we have shown that animals with bilateral NMDA lesions of the lateral parts of the SC presented a significant delay in starting to chase the prey and longer periods engaged in other activities than predatory hunting. They also showed a clear deficit to orient themselves toward the moving prey and lost the stereotyped sequence of actions seen for capturing, holding and killing the prey. Our Phaseolus vulgaris-leucoagglutinin analysis revealed that the lateral SCig, besides providing the well-documented descending crossed pathway to premotor sites in brainstem and spinal cord, projects to a number of midbrain and diencephalic sites likely to influence key functions in the context of the predatory behavior, such as general levels of arousal, motivational level to hunt or forage, behavioral planning, appropriate selection of the basal ganglia motor plan to hunt, and motor output of the primary motor cortex. In contrast to the lateral SC lesions, medial SC lesions produced a small deficit in predatory hunting, and compared to what we have seen for the lateral SCig, the medial SCig has a very limited set of projections to thalamic sites related to the control of motor planning or motor output, and provides conspicuous inputs to brainstem sites involved in organizing a wide range of anti-predatory defensive responses. Overall, the present results served to clarify how the different functional domains in the SC may mediate the decision to pursue and hunt a prey or escape from a predator. (C) 2010 IBRO. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.