Reliability of a new measure of motoneuron excitability

Objectlve:--This study examined the intraclass reliability· of different measures of the excitability of the Hoffmann reflex, derived from stimulus-response curves. The slope of the regression line of the H-reflex stimulus-response curve advocated by Funase et al. (1994) was also compared to the peak of the first derivative of the H-reflex stimulus-response curve (dHIdVmax), a new measure introduced in this investigation. A secondary purpose was to explore the possibility of mood as a covariate when measuring excitability of the H-reflex arc. Methods: The H-reflex amplitude at a stimulus intensity corresponding to 5% of the maximum M-wave (Mmax) is an established measure that was used as an additional basis of comparison. The H-reflex was elicited in the soleus for 24 subjects (12 males and 12 females) on five separate days. Vibration was applied to the Achilles tendon prior to stimulation to test the sensitivity of the measures on test day four. The means of five evoked potentials at each gradually increasing intensity, from below H-reflex threshold to above Mmax, were used to create both the H-reflex and M-wave stimulus response curves for each subject across test days. The mood of the subjects was assessed using the Subjective Exercise Experience Scale (SEES) prior to the stimulation protocol each day. Results: There was a modest decrease in all H-reflex measures from the first to third test day, but it was non-significant (P's>0.05). All measures of the H-reflex exhibited a profound reduction following vibration on test day four, and then returned to baseline levels on test day five (P's<0.05). The intraclass correlation coefficient (ICC) for H-reflex amplitude at 5% of Mmax was 0.85. The ICC for the slope of the regression line was 0.79 while it was 0.89 for dH/dVmax. Maximum M-wave amplitude had an ICC of 0.96 attesting to careful methodological controls. The SEES subscales of fatigue and psychological well-being remained unchanged IV across the five days. The psychological distress subscale (PO.05). Conclusions: The peak of the first derivative of the H-reflex stimulus-response curve (dH/dVmax) was shown to have comparable reliability and sensitivity to other more established measures of excitability. Psychological distress and the amplitude of the H-reflex at 5% Mmax follow similar trends across days, however there was no significant correlation between the two measures. Significance: The proposed method appears to be a more robust measure ofH-reflex excitability than the other methods tested. As such it would be an advantageous method to apply in clinical and investigative settings. Additionally, the results suggest that the relationship between psychological distress and H-reflex amplitude should be investigated further.

Electrocortical responses in reward paradigms and their variation related to personality

This thesis was conducted in order to investigate two issues: (1) how sensitive event related potentials (ERPs), and more specifically the medial frontal negativity and the P3 components, are to the valence and magnitude of reward-related stimuli, and (2) whether individual differences have an effect on the sensitivity of these ERP components to these characteristics. This was investigated using two reward-related paradigms. In the "pure gambling task" participants were asked to choose between two cards, each containing varying dollar amounts (large or small). The outcome of the choice (i.e., win or loss) was revealed after the choice was made. Additionally, participants were shown whether the non-chosen card would have been a win or a loss. In the "simple response task", participants were presented with five cues (large win, large loss, small win, small loss or zero) that labelled the trial as either a potential win, a potential loss or no change. Following the cue, a target appeared on the screen and the participant's task was to press the response key while the target was still visible. A success led to a win (gain in money) or no loss (no change) depending on the cue. Thirty participants completed both tasks; afterwards they filled out a set of questionnaires measuring personality and other individual differences relating to risk-taking behaviour. The results of both tasks showed that ERP components can differentiate between the valence and magnitude of reward-related stimuli, although no single component was uniquely related to either of the characteristics as previous suggested in the literature. Additionally, the context of the stimulus presentation (e.g., the task structure, condition within the task) affected the relationships between the ERP components and stimulus characteristics.

The Influence of Cerebral Blood Flow and Carbon Dioxide on Neuromuscular Responses During Environmental Stress

Although reductions in cerebral blood flow (CBF) may be implicated in the development of central fatigue during environmental stress, the contribution from hypocapnia-induced reductions in CBF versus reductions in CBF per se has yet to be isolated. The current research program examined the influence of CBF, with and without consequent hypocapnia, on neuromuscular responses during hypoxia and passive heat stress. To this end, neuromuscular responses, as indicated by motor evoked potentials (MEP), maximal M-wave (Mmax) and cortical voluntary activation (cVA) of the flexor carpi radialis muscle during isometric wrist flexion, was assessed in three separate projects: 1) hypocapnia, independent of concomitant reductions in CBF; 2) altered CBF during severe hypoxia and; 3) thermal hyperpnea-mediated reductions in CBF, independent of hypocapnia. All projects employed a custom-built dynamic end-tidal forcing system to control end-tidal PCO2 (PETCO2), independent of the prevailing environmental conditions, and cyclooxygenase inhibition using indomethacin (Indomethacin, 1.2 mg·Kg-1) to selectively reduce CBF (estimated using transcranial Doppler ultrasound) without changes in PETCO2. A primary finding of the present research program is that the excitability of the corticospinal tract is inherently sensitive to changes in PaCO2, as demonstrated by a 12% increase in MEP amplitude in response to moderate hypocapnia. Conversely, CBF mediated reductions in cerebral O2 delivery appear to decrease corticospinal excitability, as indicated by a 51-64% and 4% decrease in MEP amplitude in response to hypoxia and passive heat stress, respectively. The collective evidence from this research program suggests that impaired voluntary activation is associated with reductions in CBF; however, it must be noted that changes in cVA were not linearly correlated with changes in CBF. Therefore, other factors independent of CBF, such as increased perception of effort, distress or discomfort, may have contributed to the reductions in cVA. Despite the functional association between reductions in CBF and hypocapnia, both variables have distinct and independent influence on the neuromuscular system. Therefore, future studies should control or acknowledge the separate mechanistic influence of these two factors.

Caractérisation électro-clinique des convulsions fébriles et risque d’épilepsie

Environ 2-3% d’enfants avec convulsions fébriles (CF) développent une épilepsie, mais les outils cliniques existants ne permettent pas d’identifier les enfants susceptibles de développer une épilepsie post-convulsion fébrile. Des études ont mis en évidence des anomalies d’EEG quantifiée, et plus particulièrement en réponse à la stimulation lumineuse intermittente (SLI), chez des patients épileptiques. Aucune étude n’a analysé ces paramètres chez l’enfant avec CF et il importe de déterminer s’ils sont utiles pour évaluer le pronostic des CF. Les objectifs de ce programme de recherche étaient d’identifier, d’une part, des facteurs de risque cliniques qui déterminent le développement de l’épilepsie après des CF et, d’autre part, des marqueurs électrophysiologiques quantitatifs qui différencieraient les enfants avec CF des témoins et pourraient aider à évaluer leur pronostic. Afin de répondre à notre premier objectif, nous avons analysé les dossiers de 482 enfants avec CF, âgés de 3 mois à 6 ans. En utilisant des statistiques de survie, nous avons décrit les facteurs de risque pour développer une épilepsie partielle (antécédents prénataux, retard de développement, CF prolongées et focales) et généralisée (antécédents familiaux d’épilepsie, CF récurrentes et après l’âge de 4 ans). De plus, nous avons identifié trois phénotypes cliniques distincts ayant un pronostic différent : (i) CF simples avec des antécédents familiaux de CF et sans risque d’épilepsie ultérieure; (ii) CF récurrentes avec des antécédents familiaux d’épilepsie et un risque d’épilepsie généralisée; (iii) CF focales avec des antécédents familiaux d’épilepsie et un risque d’épilepsie partielle. Afin de répondre à notre deuxième objectif, nous avons d’abord analysé les potentiels visuels steady-state (PEVSS) évoqués par la SLI (5, 7,5, 10 et 12,5 Hz) en fonction de l’âge. Le tracé EEG de haute densité (128 canaux) a été enregistré chez 61 enfants âgés entre 6 mois et 16 ans et 8 adultes normaux. Nous rapportons un développement topographique différent de l’alignement de phase des composantes des PEVSS de basses (5-15 Hz) et de hautes (30-50 Hz) fréquences. Ainsi, l’alignement de phase des composantes de basses fréquences augmente en fonction de l’âge seulement au niveau des régions occipitale et frontale. Par contre, les composantes de hautes fréquences augmentent au niveau de toutes les régions cérébrales. Puis, en utilisant cette même méthodologie, nous avons investigué si les enfants avec CF présentent des anomalies des composantes gamma (50-100 Hz) des PEVSS auprès de 12 cas de CF, 5 frères et sœurs des enfants avec CF et 15 témoins entre 6 mois et 3 ans. Nous montrons une augmentation de la magnitude et de l’alignement de phase des composantes gamma des PEVSS chez les enfants avec CF comparés au groupe témoin et à la fratrie. Ces travaux ont permis d’identifier des phénotypes électro-cliniques d’intérêt qui différencient les enfants avec CF des enfants témoins et de leur fratrie. L’étape suivante sera de vérifier s’il y a une association entre les anomalies retrouvées, la présentation clinique et le pronostic des CF. Cela pourrait éventuellement aider à identifier les enfants à haut risque de développer une épilepsie et permettre l’institution d’un traitement neuroprotecteur précoce.

Les effets de la similarité physique dans l’observation d’actions : études comportementales et neurophysiologiques

Il a été suggéré que la similarité physique entre un observateur et une action observée facilite la perception et la compréhension d’action. Par exemple, l’observation d’un acteur exécutant des gestes de la main ayant une signification culturelle est associée à une augmentation de l’excitabilité corticospinale lorsque les deux individus sont de la même ethnicité (Molnar-Szakacs et al., 2007). La perception tactile serait également facilitée lorsqu’un individu regarde un modèle de sa propre race être touché (Serino et al., 2009), tandis que des études en imagerie cérébrale fonctionnelle suggèrent la présence d’activations plus importantes dans le cortex cingulaire lorsqu’un sujet observe une personne de son propre groupe racial ressentir de la douleur (Xu et al., 2009). Certaines études ont lié ces résultats à un mécanisme de résonance motrice, possiblement associé au système des neurones miroirs (SNM), suggérant que la représentation de l’action dans les aires motrices est facilitée par la similarité physique. Toutefois, la grande majorité des stimuli utilisés dans ces études comportent une composante émotionnelle ou culturelle pouvant masquer les effets purement moteurs liant la similarité physique à un mécanisme de résonance motrice. De plus, la sélectivité de l’activation du SNM face à des stimuli biologiques a récemment été remise en question en raison de biais méthodologiques. La présente thèse présente trois études visant à évaluer l’effet de la similarité physique et des caractéristiques biologiques d’un mouvement sur la résonance motrice à l’aide de mesures comportementales et neurophysiologiques. À cet effet, l’imitation automatique de mouvements de la main, l’excitabilité corticospinale et la désynchronisation du rythme électroencéphalographique mu ont servi de marqueurs de l’activité du SNM. Dans les trois études présentées, la couleur de la peau et l’aspect biologique du stimulus observé ou imité ont été systématiquement manipulés. Nos données confirment la sélectivité du SNM pour le mouvement biologique en démontrant une réponse imitative plus rapide et une désynchronisation du rythme mu plus prononcée lors de la présentation de stimuli biologiques comparativement à des stimuli non-biologiques répliquant les aspects physiques du mouvement humain. Les deux mêmes mesures montrent une réponse neurophysiologique et comportementale équivalente lorsque l’action est exécutée par un agent de couleur similaire ou dissimilaire au participant. Nous rapportons aussi un effet surprenant de la similarité physique sur l’excitabilité corticospinale, où l’observation d’une action exécutée par un agent de couleur différente est associée à une activation plus grande du cortex moteur primaire droit de participants de sexe féminin. Prises dans leur ensemble, ces données suggèrent que la similarité physique avec une action observée ne module généralement pas l’activité du SNM au niveau des aires sensorimotrices en l’absence de composantes culturelles et émotionnelles. De plus, les résultats présentés suggèrent que le SNM est sélectif au mouvement biologique plutôt qu’à l’aspect kinématique du mouvement.

Développement des voies visuelles primaires au cours de la première année de vie chez le bébé prématuré et le béné né à terme : une étude en électrophysiologie à haute densité

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Novel molecular mechanisms of neuronal and vascular protection in experimental glaucoma

Le glaucome est la deuxième cause de cécité irréversible dans le monde. La perte de vision qui se produit lors du glaucome s’explique par une dégénérescence du nerf optique et une mort progressive et sélective des cellules ganglionnaires de la rétine (CRG). L'hypertension oculaire est un facteur de risque majeur dans le glaucome, mais des défauts du champ visuel continuent à se développer chez un contingent de patients malgré l'administration de médicaments qui abaissent la pression intraoculaire (PIO). Par conséquent, bien que la PIO représente le seul facteur de risque modifiable dans le développement du glaucome, son contrôle ne suffit pas à protéger les CRGs et préserver la fonction visuelle chez de nombreux patients. Dans ce contexte, j'ai avancé l'hypothèse centrale voulant que les stratégies de traitement du glaucome visant à promouvoir la protection structurale et fonctionnelle des CRGs doivent agir sur les mécanismes moléculaires qui conduisent à la mort des ces neurones. Dans la première partie de ma thèse, j'ai caractérisé l'effet neuroprotecteur de la galantamine, un inhibiteur de l'acétylcholinestérase qui est utilisé cliniquement dans le traitement de la maladie d'Alzheimer. Cette étude s’est basée sur l'hypothèse que la galantamine, en modulant l'activité du récepteur de l'acétylcholine, puisse améliorer la survie des CRGs lors du glaucome. Nous avons utilisé un modèle expérimental bien caractérisé d'hypertension oculaire induite par l’administration d'une solution saline hypertonique dans une veine épisclérale de rats Brown Norway. Les résultats de cette étude (Almasieh et al. Cell Death and Disease, 2010) ont démontré que l'administration quotidienne de galantamine améliore de manière significative la survie des corps cellulaires et des axones CRGs. La protection structurelle des CRGs s’accompagne d’une préservation remarquable de la fonction visuelle, évaluée par l'enregistrement des potentiels évoqués visuels (PEV) dans le collicule supérieur, la cible principale des CRGs chez le rongeur. Une autre constatation intéressante de cette étude est la perte substantielle de capillaires rétiniens et la réduction du débit sanguin associé à la perte des CRGs dans le glaucome expérimental. Il est très intéressant que la galantamine ait également favorisé la protection de la microvascularisation et amélioré le débit sanguin rétinien des animaux glaucomateux (Almasieh et al. en préparation). J'ai notamment démontré que les neuro-et vasoprotections médiées par la galantamine se produisent par iv l'activation des récepteurs muscariniques de l'acétylcholine. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai étudié le rôle du stress oxydatif ainsi que l'utilisation de composés réducteurs pour tester l'hypothèse que le blocage d'une augmentation de superoxyde puisse retarder la mort des CRG lors du glaucome expérimental. J'ai profité d'un composé novateur, un antioxydant à base de phosphineborane (PB1), pour tester sur son effet neuroprotecteur et examiner son mécanisme d'action dans le glaucome expérimental. Les données démontrent que l'administration intraoculaire de PB1 entraîne une protection significative des corps cellulaire et axones des CRGs. Les voies moléculaires conduisant à la survie neuronale médiée par PB1 ont été explorées en déterminant la cascade de signalisation apoptotique en cause. Les résultats démontrent que la survie des CRGs médiée par PB1 ne dépend pas d’une inhibition de signalisation de protéines kinases activées par le stress, y compris ASK1, JNK ou p38. Par contre, PB1 induit une augmentation marquée des niveaux rétiniens de BDNF et une activation en aval de la voie de survie des ERK1 / 2 (Almasieh et al. Journal of Neurochemistry, 2011). En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes pathologiques qui conduisent à la perte de CRGs dans le glaucome et pourraient fournir des pistes pour la conception de nouvelles stratégies neuroprotectrices et vasoprotectrices pour le traitement et la gestion de cette maladie.

Conventional and Reciprocal Approaches to the Forward and Inverse Problems of Electroencephalography

Le problème inverse en électroencéphalographie (EEG) est la localisation de sources de courant dans le cerveau utilisant les potentiels de surface sur le cuir chevelu générés par ces sources. Une solution inverse implique typiquement de multiples calculs de potentiels de surface sur le cuir chevelu, soit le problème direct en EEG. Pour résoudre le problème direct, des modèles sont requis à la fois pour la configuration de source sous-jacente, soit le modèle de source, et pour les tissues environnants, soit le modèle de la tête. Cette thèse traite deux approches bien distinctes pour la résolution du problème direct et inverse en EEG en utilisant la méthode des éléments de frontières (BEM): l’approche conventionnelle et l’approche réciproque. L’approche conventionnelle pour le problème direct comporte le calcul des potentiels de surface en partant de sources de courant dipolaires. D’un autre côté, l’approche réciproque détermine d’abord le champ électrique aux sites des sources dipolaires quand les électrodes de surfaces sont utilisées pour injecter et retirer un courant unitaire. Le produit scalaire de ce champ électrique avec les sources dipolaires donne ensuite les potentiels de surface. L’approche réciproque promet un nombre d’avantages par rapport à l’approche conventionnelle dont la possibilité d’augmenter la précision des potentiels de surface et de réduire les exigences informatiques pour les solutions inverses. Dans cette thèse, les équations BEM pour les approches conventionnelle et réciproque sont développées en utilisant une formulation courante, la méthode des résidus pondérés. La réalisation numérique des deux approches pour le problème direct est décrite pour un seul modèle de source dipolaire. Un modèle de tête de trois sphères concentriques pour lequel des solutions analytiques sont disponibles est utilisé. Les potentiels de surfaces sont calculés aux centroïdes ou aux sommets des éléments de discrétisation BEM utilisés. La performance des approches conventionnelle et réciproque pour le problème direct est évaluée pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable et deux valeurs très différentes pour la conductivité du crâne. On détermine ensuite si les avantages potentiels de l’approche réciproquesuggérés par les simulations du problème direct peuvent êtres exploités pour donner des solutions inverses plus précises. Des solutions inverses à un seul dipôle sont obtenues en utilisant la minimisation par méthode du simplexe pour à la fois l’approche conventionnelle et réciproque, chacun avec des versions aux centroïdes et aux sommets. Encore une fois, les simulations numériques sont effectuées sur un modèle à trois sphères concentriques pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable. La précision des solutions inverses des deux approches est comparée pour les deux conductivités différentes du crâne, et leurs sensibilités relatives aux erreurs de conductivité du crâne et au bruit sont évaluées. Tandis que l’approche conventionnelle aux sommets donne les solutions directes les plus précises pour une conductivité du crâne supposément plus réaliste, les deux approches, conventionnelle et réciproque, produisent de grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu pour des dipôles très excentriques. Les approches réciproques produisent le moins de variations en précision des solutions directes pour différentes valeurs de conductivité du crâne. En termes de solutions inverses pour un seul dipôle, les approches conventionnelle et réciproque sont de précision semblable. Les erreurs de localisation sont petites, même pour des dipôles très excentriques qui produisent des grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu, à cause de la nature non linéaire des solutions inverses pour un dipôle. Les deux approches se sont démontrées également robustes aux erreurs de conductivité du crâne quand du bruit est présent. Finalement, un modèle plus réaliste de la tête est obtenu en utilisant des images par resonace magnétique (IRM) à partir desquelles les surfaces du cuir chevelu, du crâne et du cerveau/liquide céphalorachidien (LCR) sont extraites. Les deux approches sont validées sur ce type de modèle en utilisant des véritables potentiels évoqués somatosensoriels enregistrés à la suite de stimulation du nerf médian chez des sujets sains. La précision des solutions inverses pour les approches conventionnelle et réciproque et leurs variantes, en les comparant à des sites anatomiques connus sur IRM, est encore une fois évaluée pour les deux conductivités différentes du crâne. Leurs avantages et inconvénients incluant leurs exigences informatiques sont également évalués. Encore une fois, les approches conventionnelle et réciproque produisent des petites erreurs de position dipolaire. En effet, les erreurs de position pour des solutions inverses à un seul dipôle sont robustes de manière inhérente au manque de précision dans les solutions directes, mais dépendent de l’activité superposée d’autres sources neurales. Contrairement aux attentes, les approches réciproques n’améliorent pas la précision des positions dipolaires comparativement aux approches conventionnelles. Cependant, des exigences informatiques réduites en temps et en espace sont les avantages principaux des approches réciproques. Ce type de localisation est potentiellement utile dans la planification d’interventions neurochirurgicales, par exemple, chez des patients souffrant d’épilepsie focale réfractaire qui ont souvent déjà fait un EEG et IRM.

Excitabilité du système miroir : une étude de stimulation magnétique transcrânienne sur le chant et le langage

La perception de mouvements est associée à une augmentation de l’excitabilité du cortex moteur humain. Ce système appelé « miroir » sous-tendrait notre habileté à comprendre les gestes posés par une tierce personne puisqu’il est impliqué dans la reconnaissance, la compréhension et l’imitation de ces gestes. Dans cette étude, nous examinons de quelle façon ce système miroir s’implique et se latéralise dans la perception du chant et de la parole. Une stimulation magnétique transcrânienne (TMS) à impulsion unique a été appliquée sur la représentation de la bouche du cortex moteur de 11 participants. La réponse motrice engendrée a été mesurée sous la forme de potentiels évoqués moteurs (PÉMs), enregistrés à partir du muscle de la bouche. Ceux-ci ont été comparés lors de la perception de chant et de parole, dans chaque hémisphère cérébral. Afin d’examiner l’activation de ce système moteur dans le temps, les impulsions de la TMS ont été envoyées aléatoirement à l’intérieur de 7 fenêtres temporelles (500-3500 ms). Les stimuli pour la tâche de perception du chant correspondaient à des vidéos de 4 secondes dans lesquelles une chanteuse produisait un intervalle ascendant de deux notes que les participants devaient juger comme correspondant ou non à un intervalle écrit. Pour la tâche de perception de la parole, les participants regardaient des vidéos de 4 secondes montrant une personne expliquant un proverbe et devaient juger si cette explication correspondait bien à un proverbe écrit. Les résultats de cette étude montrent que les amplitudes des PÉMs recueillis dans la tâche de perception de chant étaient plus grandes après stimulation de l’hémisphère droit que de l’hémisphère gauche, surtout lorsque l’impulsion était envoyée entre 1000 et 1500 ms. Aucun effet significatif n’est ressorti de la condition de perception de la parole. Ces résultats suggèrent que le système miroir de l’hémisphère droit s’active davantage après une présentation motrice audio-visuelle, en comparaison de l’hémisphère gauche.

Étude des mécanismes psychophysiologiques de la modulation volontaire de la douleur par le biofeedback et la respiration.

Bien que la douleur soit une expérience subjective universelle, la façon de la percevoir et de l’interpréter est modulée par une multitude de facteurs. Plusieurs interventions cognitives se sont montrées efficaces pour réduire la douleur dans des conditions cliniques et expérimentales. Cette thèse s’intéressera particulièrement aux mécanismes psychophysiologiques impliqués dans les stratégies de modulation volontaire de la douleur. Ces stratégies sont intéressantes puisqu’elles encouragent une prise en charge par l’individu, lui permettant de jouer un rôle actif dans la régulation de sa douleur. La première étude s’intéresse à l’efficacité du biofeedback comme moyen de modulation volontaire de la douleur. Il s’agissait de déterminer si le fait de présenter une rétroaction de l’amplitude du réflex RIII (évoqué par une stimulation électrique du nerf sural) au cours d’un entraînement de plusieurs essais permettrait au participant d’adopter des stratégies de modulation de la douleur et d’activer volontairement des mécanismes de contrôle descendant de la douleur. De façon à évaluer spécifiquement les changements induits par le biofeedback, la modulation du réflexe RIII et de la douleur était comparée dans trois groupes (biofeedback valide, faux biofeedback et groupe contrôle sans rétroaction). Dans les trois groupes, il était suggéré aux participants d’utiliser des stratégies cognitives de modulation de la douleur (attention, modulation de la respiration, réévaluation cognitive et imagerie mentale) afin d’augmenter ou de diminuer leur réflexe RIII comparativement à leur niveau de base. Les résultats de notre étude indiquent que les participants des 3 groupes ont réussi à moduler leur réflexe RIII (p<0,001) ainsi que leurs évaluations de douleur (p<0,001) (intensité et désagrément). Les résultats de notre étude montrent que l’entraînement au biofeedback n’était pas nécessaire pour obtenir une modulation du réflexe RIII et de la douleur, ce qui suggère que l’utilisation de stratégies cognitives pourrait être suffisante pour déclencher des mécanismes de contrôle de la douleur. La deuxième étude découle de la première et s’intéressait à l’influence de la fréquence et de la phase respiratoire sur la nociception spinale, l’activité cérébrale et la perception de douleur. Le contrôle volontaire de la respiration est un moyen commun de régulation des émotions et est fréquemment utilisé en combinaison avec d’autres techniques (ex. : relaxation, méditation) dans le but de réguler la douleur. Les participants étaient invités à synchroniser leur respiration à des indices sonores indiquant le moment de l’inspiration et de l’expiration. Trois patrons de respiration étaient proposés (respiration à 0,1Hz avec une inspiration de 4 secondes, respiration à 0,1Hz avec une inspiration de 2 secondes et respiration à 0,2Hz avec une inspiration de 2 secondes. La moitié des stimulations étaient données durant l’inspiration et l’autre moitié durant l’expiration. Afin d’évaluer l’effet de ces manipulations, l’amplitude du RIII, l’évaluation subjective d’intensité de la douleur et de l’anxiété suscitée par le choc en plus des potentiels évoqués étaient mesurés. Les résultats de cette étude démontrent que les évaluations d’intensité de la douleur n’étaient pas affectées par le patron respiratoire (p=0,3), mais étaient statistiquement plus basses durant l’inspiration comparativement à l’expiration (p=0,02). Un effet de phase (p=0,03) était également observé sur les potentiels évoqués durant la condition de respiration à 0,1hHz avec une inspiration de 2 secondes comparativement au patron de respiration de 0,2Hz. Paradoxalement, l’amplitude du réflexe RIII était augmenté durant l’inspiration (p=0,02) comparativement à l’expiration. Ces résultats montrent que la manipulation de la fréquence et de la phase respiratoires (par une synchronisation imposée) a un effet marginal sur les évaluations de douleur et sur l’activité cérébrale et spinale évoquée par une stimulation électrique (douleur aigüe). Cela suggère que d’autres mécanismes contribuent aux effets analgésiques observés dans la relaxation et la méditation. Plus largement, nos résultats font état de la nécessité d’études plus approfondies avec une méthodologie plus rigoureuse afin de contrôler les effets non spécifiques aux traitements évalués. Une meilleure connaissance des mécanismes sous-tendant chaque stratégie permettrait de mieux cibler les clientèles susceptibles d’y répondre et de mieux considérer le ratio coût bénéfice de chaque traitement.

Role of corticospinal influences in post-stroke spasticity

Chez les personnes post-AVC (Accident Vasculaire Cérébral), spasticité, faiblesse et toute autre coactivation anormale proviennent de limitations dans la régulation de la gamme des seuils des réflexes d'étirement. Nous avons voulu savoir si les déficits dans les influences corticospinales résiduelles contribuaient à la limitation de la gamme des seuils et au développement de la spasticité chez les patients post-AVC. La stimulation magnétique transcranienne (SMT) a été appliquée à un site du cortex moteur où se trouvent les motoneurones agissant sur les fléchisseurs et extenseurs du coude. Des potentiels évoqués moteurs (PEM) ont été enregistrés en position de flexion et d'extension du coude. Afin d'exclure l'influence provenant de l'excitabilité motoneuronale sur l'évaluation des influences corticospinales, les PEM ont été suscités lors de la période silencieuse des signaux électromyographiques (EMG) correspondant à un bref raccourcissement musculaire juste avant l'enclenchement de la SMT. Chez les sujets contrôles, il y avait un patron réciproque d'influences corticospinales (PEM supérieurs en position d'extension dans les extenseurs et vice-versa pour les fléchisseurs). Quant à la plupart des sujets post-AVC ayant un niveau clinique élevé de spasticité, la facilitation corticospinale dans les motoneurones des fléchisseurs et extenseurs était supérieure en position de flexion (patron de co-facilitation). Les résultats démontrent que la spasticité est associée à des changements substantiels des influences corticospinales sur les motoneurones des fléchisseurs et des extenseurs du coude.

Contrôle cortico-spinal des mouvements volontaires du coude

Il existe plusieurs théories du contrôle moteur, chacune présumant qu’une différente variable du mouvement est réglée par le cortex moteur. On trouve parmi elles la théorie du modèle interne qui a émis l’hypothèse que le cortex moteur programme la trajectoire du mouvement et l’activité électromyographique (EMG) d’une action motrice. Une autre, appelée l’hypothèse du point d’équilibre, suggère que le cortex moteur établisse et rétablisse des seuils spatiaux; les positions des segments du corps auxquelles les muscles et les réflexes commencent à s’activer. Selon ce dernier, les paramètres du mouvement sont dérivés sans pré-programmation, en fonction de la différence entre la position actuelle et la position seuil des segments du corps. Pour examiner de plus près ces deux théories, nous avons examiné l’effet d’un changement volontaire de l’angle du coude sur les influences cortico-spinales chez des sujets sains en employant la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) par-dessus le site du cortex moteur projetant aux motoneurones des muscles du coude. L’état de cette aire du cerveau a été évalué à un angle de flexion du coude activement établi par les sujets, ainsi qu’à un angle d’extension, représentant un déplacement dans le plan horizontal de 100°. L’EMG de deux fléchisseurs du coude (le biceps et le muscle brachio-radial) et de deux extenseurs (les chefs médial et latéral du triceps) a été enregistrée. L’état d’excitabilité des motoneurones peut influer sur les amplitudes des potentiels évoqués moteurs (MEPs) élicitées par la TMS. Deux techniques ont été entreprises dans le but de réduire l’effet de cette variable. La première était une perturbation mécanique qui raccourcissait les muscles à l'étude, produisant ainsi une période de silence EMG. La TMS a été envoyée avec un retard après la perturbation qui entraînait la production du MEP pendant la période de silence. La deuxième technique avait également le but d’équilibrer l’EMG des muscles aux deux angles du coude. Des forces assistantes ont été appliquées au bras par un moteur externe afin de compenser les forces produites par les muscles lorsqu’ils étaient actifs comme agonistes d’un mouvement. Les résultats des deux séries étaient analogues. Un muscle était facilité quand il prenait le rôle d’agoniste d’un mouvement, de manière à ce que les MEPs observés dans le biceps fussent de plus grandes amplitudes quand le coude était à la position de flexion, et ceux obtenus des deux extenseurs étaient plus grands à l’angle d’extension. Les MEPs examinés dans le muscle brachio-radial n'étaient pas significativement différents aux deux emplacements de l’articulation. Ces résultats démontrent que les influences cortico-spinales et l’activité EMG peuvent être dissociées, ce qui permet de conclure que la voie cortico-spinale ne programme pas l’EMG à être générée par les muscles. Ils suggèrent aussi que le système cortico-spinal établit les seuils spatiaux d’activation des muscles lorsqu’un segment se déplace d’une position à une autre. Cette idée suggère que des déficiences dans le contrôle des seuils spatiaux soient à la base de certains troubles moteurs d’origines neurologiques tels que l’hypotonie et la spasticité.

Étude du traitement visuel simple et complexe chez les enfants autistes

Les personnes ayant un trouble du spectre autistique (TSA) manifestent des particularités perceptives. En vision, des travaux influents chez les adultes ont mené à l’élaboration d’un modèle explicatif du fonctionnement perceptif autistique qui suggère que l’efficacité du traitement visuel varie en fonction de la complexité des réseaux neuronaux impliqués (Hypothèse spécifique à la complexité). Ainsi, lorsque plusieurs aires corticales sont recrutées pour traiter un stimulus complexe (e.g., modulations de texture; attributs de deuxième ordre), les adultes autistes démontrent une sensibilité diminuée. À l’inverse, lorsque le traitement repose principalement sur le cortex visuel primaire V1 (e.g., modulations locales de luminance; attributs de premier ordre), leur sensibilité est augmentée (matériel statique) ou intacte (matériel dynamique). Cette dissociation de performance est spécifique aux TSA et peut s’expliquer, entre autre, par une connectivité atypique au sein de leur cortex visuel. Les mécanismes neuronaux précis demeurent néanmoins méconnus. De plus, on ignore si cette signature perceptuelle est présente à l’enfance, information cruciale pour les théories perceptives de l’autisme. Le premier volet de cette thèse cherche à vérifier, à l’aide de la psychophysique et l’électrophysiologie, si la double dissociation de performance entre les attributs statiques de premier et deuxième ordre se retrouve également chez les enfants autistes d’âge scolaire. Le second volet vise à évaluer chez les enfants autistes l’intégrité des connexions visuelles descendantes impliquées dans le traitement des textures. À cet effet, une composante électrophysiologique reflétant principalement des processus de rétroaction corticale a été obtenue lors d’une tâche de ségrégation des textures. Les résultats comportementaux obtenus à l’étude 1 révèlent des seuils sensoriels similaires entre les enfants typiques et autistes à l’égard des stimuli définis par des variations de luminance et de texture. Quant aux données électrophysiologiques, il n’y a pas de différence de groupe en ce qui concerne le traitement cérébral associé aux stimuli définis par des variations de luminance. Cependant, contrairement aux enfants typiques, les enfants autistes ne démontrent pas une augmentation systématique d’activité cérébrale en réponse aux stimuli définis par des variations de texture pendant les fenêtres temporelles préférentiellement associées au traitement de deuxième ordre. Ces différences d’activation émergent après 200 ms et engagent les aires visuelles extrastriées des régions occipito-temporales et pariétales. Concernant la connectivité cérébrale, l’étude 2 indique que les connexions visuelles descendantes sont fortement asymétriques chez les enfants autistes, en défaveur de la région occipito-temporale droite. Ceci diffère des enfants typiques pour qui le signal électrophysiologique reflétant l’intégration visuo-corticale est similaire entre l’hémisphère gauche et droit du cerveau. En somme, en accord avec l’hypothèse spécifique à la complexité, la représentation corticale du traitement de deuxième ordre (texture) est atypiquement diminuée chez les enfants autistes, et un des mécanismes cérébraux impliqués est une altération des processus de rétroaction visuelle entre les aires visuelles de haut et bas niveau. En revanche, contrairement aux résultats obtenus chez les adultes, il n’y a aucun indice qui laisse suggérer la présence de mécanismes supérieurs pour le traitement de premier ordre (luminance) chez les enfants autistes.

Impact d’une sieste sur plasticité cérébrale induite par stimulation magnétique transcrânienne

Chez l’humain, différents protocoles de stimulation magnétique transcrânienne répétée (SMTr) peuvent être utilisés afin de manipuler expérimentalement la plasticité cérébrale au niveau du cortex moteur primaire (M1). Ces techniques ont permis de mieux comprendre le rôle du sommeil dans la régulation de la plasticité cérébrale. Récemment, une étude a montré que lorsqu’une première session de stimulation SMTr au niveau de M1 est suivie d’une nuit de sommeil, l’induction subséquente de la plasticité par une deuxième session SMTr est augmentée. La présente étude a investigué si ce type de métaplasticité pouvait également bénéficier d’une sieste diurne. Quatorze sujets en santé ont reçu deux sessions de intermittent theta burst stimulation (iTBS) connue pour son effet facilitateur sur l’excitabilité corticale. Les sessions de stimulation étaient séparées par une sieste de 90 minutes ou par une période équivalente d’éveil. L’excitabilité corticale était quantifiée en terme d’amplitude des potentiels évoqués moteurs (PEM) mesurés avant et après chaque session de iTBS. Les résultats montrent que la iTBS n’est pas parvenue à augmenter de manière robuste l’amplitude des PEMs lors de la première session de stimulation. Lors de la deuxième session de stimulation, la iTBS a produit des changements plastiques variables et ce peu importe si les sujets ont dormi ou pas. Les effets de la iTBS sur l’excitabilité corticale étaient marqués par une importante variabilité inter et intra-individuelle dont les possibles causes sont discutées.

Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.