Interhemispheric coupling between the posterior sylvian regions impacts successful auditory temporal order judgment.

Accurate perception of the temporal order of sensory events is a prerequisite in numerous functions ranging from language comprehension to motor coordination. We investigated the spatio-temporal brain dynamics of auditory temporal order judgment (aTOJ) using electrical neuroimaging analyses of auditory evoked potentials (AEPs) recorded while participants completed a near-threshold task requiring spatial discrimination of left-right and right-left sound sequences. AEPs to sound pairs modulated topographically as a function of aTOJ accuracy over the 39-77ms post-stimulus period, indicating the engagement of distinct configurations of brain networks during early auditory processing stages. Source estimations revealed that accurate and inaccurate performance were linked to bilateral posterior sylvian regions activity (PSR). However, activity within left, but not right, PSR predicted behavioral performance suggesting that left PSR activity during early encoding phases of pairs of auditory spatial stimuli appears critical for the perception of their order of occurrence. Correlation analyses of source estimations further revealed that activity between left and right PSR was significantly correlated in the inaccurate but not accurate condition, indicating that aTOJ accuracy depends on the functional decoupling between homotopic PSR areas. These results support a model of temporal order processing wherein behaviorally relevant temporal information--i.e. a temporal 'stamp'--is extracted within the early stages of cortical processes within left PSR but critically modulated by inputs from right PSR. We discuss our results with regard to current models of temporal of temporal order processing, namely gating and latency mechanisms.

Dysfunction in endoplasmic reticulum-mitochondria crosstalk underlies SIGMAR1 loss of function mediated motor neuron degeneration.

Mutations in Sigma 1 receptor (SIGMAR1) have been previously identified in patients with amyotrophic lateral sclerosis and disruption of Sigmar1 in mouse leads to locomotor deficits. However, cellular mechanisms underlying motor phenotypes in human and mouse with disturbed SIGMAR1 function have not been described so far. Here we used a combination of in vivo and in vitro approaches to investigate the role of SIGMAR1 in motor neuron biology. Characterization of Sigmar1(-/-) mice revealed that affected animals display locomotor deficits associated with muscle weakness, axonal degeneration and motor neuron loss. Using primary motor neuron cultures, we observed that pharmacological or genetic inactivation of SIGMAR1 led to motor neuron axonal degeneration followed by cell death. Disruption of SIGMAR1 function in motor neurons disturbed endoplasmic reticulum-mitochondria contacts, affected intracellular calcium signalling and was accompanied by activation of endoplasmic reticulum stress and defects in mitochondrial dynamics and transport. These defects were not observed in cultured sensory neurons, highlighting the exacerbated sensitivity of motor neurons to SIGMAR1 function. Interestingly, the inhibition of mitochondrial fission was sufficient to induce mitochondria axonal transport defects as well as axonal degeneration similar to the changes observed after SIGMAR1 inactivation or loss. Intracellular calcium scavenging and endoplasmic reticulum stress inhibition were able to restore mitochondrial function and consequently prevent motor neuron degeneration. These results uncover the cellular mechanisms underlying motor neuron degeneration mediated by loss of SIGMAR1 function and provide therapeutically relevant insight into motor neuronal diseases.

The effect of learning on the evolution of new courtship behavior: a simulation model

The fact that individuals learn can change the relationship between genotype and phenotype in the population, and thus affect the evolutionary response to selection. Here we ask how male ability to learn from female response affects the evolution of a novel male behavioral courtship trait under pre-existing female preference (sensory drive). We assume a courtship trait which has both a genetic and a learned component, and a two-level female response to males. With individual-based simulations we show that, under this scenario, learning generally increases the strength of selection on the genetic component of the courtship trait, at least when the population genetic mean is still low. As a consequence, learning not only accelerates the evolution of the courtship trait, but also enables it when the trait is costly, which in the absence of learning results in an adaptive valley. Furthermore, learning can enable the evolution of the novel trait in the face of gene flow mediated by immigration of males that show superior attractiveness to females based on another, non-heritable trait. However, rather than increasing monotonically with the speed of learning, the effect of learning on evolution is maximized at intermediate learning rates. This model shows that, at least under some scenarios, the ability to learn can drive the evolution of mating behaviors through a process equivalent to Waddington's genetic assimilation.

Alternative Techniques of Neural Signal Processing in Neuroengineering

Neural signal processing is a discipline within neuroengineering. This interdisciplinary approach combines principles from machine learning, signal processing theory, and computational neuroscience applied to problems in basic and clinical neuroscience. The ultimate goal of neuroengineering is a technological revolution, where machines would interact in real time with the brain. Machines and brains could interface, enabling normal function in cases of injury or disease, brain monitoring, and/or medical rehabilitation of brain disorders. Much current research in neuroengineering is focused on understanding the coding and processing of information in the sensory and motor systems, quantifying how this processing is altered in the pathological state, and how it can be manipulated through interactions with artificial devices including brain–computer interfaces and neuroprosthetics.

Possible roles of COX-1 in learning and memory impairment induced by traumatic brain injury in mice

People who suffer from traumatic brain injury (TBI) often experience cognitive deficits in spatial reference and working memory. The possible roles of cyclooxygenase-1 (COX-1) in learning and memory impairment in mice with TBI are far from well known. Adult mice subjected to TBI were treated with the COX-1 selective inhibitor SC560. Performance in the open field and on the beam walk was then used to assess motor and behavioral function 1, 3, 7, 14, and 21 days following injury. Acquisition of spatial learning and memory retention was assessed using the Morris water maze on day 15 post-TBI. The expressions of COX-1, prostaglandin E2 (PGE2), interleukin (IL)-6, brain-derived neurotrophic factor (BDNF), platelet-derived growth factor BB (PDGF-BB), synapsin-I, and synaptophysin were detected in TBI mice. Administration of SC560 improved performance of beam walk tasks as well as spatial learning and memory after TBI. SC560 also reduced expressions of inflammatory markers IL-6 and PGE2, and reversed the expressions of COX-1, BDNF, PDGF-BB, synapsin-I, and synaptophysin in TBI mice. The present findings demonstrated that COX-1 might play an important role in cognitive deficits after TBI and that selective COX-1 inhibition should be further investigated as a potential therapeutic approach for TBI.

The effect of motor-encoding activities on memory and performance in a grade one reading program

This study examined the effectiveness of motor-encoding activities on memory and performance of students in a Grade One reading program. There were two experiments in the study. Experiment 1 replicated a study by Eli Saltz and David Dixon (1982). The effect of motoric enactment (Le., pretend play) of sentences on memory for the sentences was investigated. Forty Grade One students performed a "memory-for-sentences" technique, devised by Saltz and Dixon. Only the experimental group used motoric enactment of the sentences. Although quantitative findings revealed no significant difference between the mean scores of the experimental group versus the control group, aspects of the experimental design could have affected the results. It was suggested that Saltz and Dixon's study could be replicated again, with more attention given to variables such as population size, nature of the test sentences, subjects' previous educational experience and conditions related to the testing environment. The second experiment was an application of Saltz and Dixon's theory that motoric imagery should facilitate memory for sentences. The intent was to apply this theory to Grade One students' ability to remember words from their reading program. An experimental gym program was developed using kinesthetic activities to reinforce the skills of the classroom reading program. The same subject group was used in Experiment 2. It was hypothesized that the subjects who experienced the experimental gym program would show greater signs of progress in reading ability, as evidenced by their scores on Form G of the Woodcock Reading Mastery Test--Revised. The data from the WRM--R were analyzed with a 3-way split-plot analysis of variance in which group (experimental vs. control) and sex were the between subjects variables and test-time (pre-test vs. post-test) was the within-subjects variable. Findings revealed the following: (a) both groups made substantial gains over time on the visual-auditory learning sub-test and the triple action of group x sex x time also was significant; (b) children in the experimental and control groups performed similarly on both the pre- and post-test of the letter identification test; (c) time was the only significant effect on subjects' performance on the word identification task; (d) work attack scores showed marked improvement in performance over time for both the experimenta+ and control groups; (e) passage comprehension scores indicated an improvement in performance for both groups over time. Similar to Experiment 1, it is suggested that several modifications in the experimental design could produce significant results. These factors are addressed with suggestions for further research in the area of active learning; more specifically, the effect of motor-encoding activities on memory and academic performance of children.

The effects of simple procedural, cognitive procedural and declarative learning on sleep /

Sleep spindles have been found to increase following an intense period of learning on a combination of motor tasks. It is not clear whether these changes are task specific, or a result of learning in general. The current study investigated changes in sleep spindles and spectral power following learning on cognitive procedural (C-PM), simple procedural (S-PM) or declarative (DM) learning tasks. It was hypothesized that S-PM learning would result in increases in Sigma power during Non-REM sleep, whereas C-PM and DM learning would not affect Sigma power. It was also hypothesized that DM learning would increase Theta power during REM sleep, whereas S-PM and C-PM learning would not affect Theta power. Thirty-six participants spent three consecutive nights in the sleep laboratory. Baseline polysomnographic recordings were collected on night 2. Participants were randomly assigned to one of four conditions: C-PM, S-PM, DM or control (C). Memory task training occurred on night 3 followed by polysomnographic recording. Re-testing on respective memory tasks occurred one-week following training. EEG was sampled at 256Hz from 16 sites during sleep. Artifact-free EEG from each sleep stage was submitted to power spectral analysis. The C-PM group made significantly fewer errors, the DM group recalled more, and the S-PM improved on performance from test to re-test. There was a significant night by group interaction for the duration of Stage 2 sleep. Independent t-tests revealed that the S-PM group had significantly more Stage 2 sleep on the test night than the C group. The C-PM and the DM group did not differ from controls in the duration of Stage 2 sleep on test night. There was no significant change in the duration of slow wave sleep (SWS) or REM sleep. Sleep spindle density (spindles/minute) increased significantly from baseline to test night following S-PM learning, but not for C-PM, DM or C groups. This is the first study to have shown that the same pattern of results was found for spindles in SWS. Low Sigma power (12-14Hz) increased significantly during SWS following S-PM learning but not for C-PM, DM or C groups. This effect was maximal at Cz, and the largest increase in Sigma power was at Oz. It was also found that Theta power increased significantly during REM sleep following DM learning, but not for S-PM, C-PM or C groups. This effect was maximal at Cz and the largest change in Theta power was observed at Cz. These findings are consistent with the previous research that simple procedural learning is consolidated during Stage 2 sleep, and provide additional data to suggest that sleep spindles across all non-REM stages and not just Stage 2 sleep may be a mechanism for brain plasticity. This study also provides the first evidence to suggest that Theta activity during REM sleep is involved in memory consolidation.

Closing the summer learning gap for vulnerable junior kindergarten students

Under current academic calendars across North America, summer vacation creates a significant gap in the learning cycle. I t has been argued that this gap actually decreases student achievement levels over the course of the summer. In a synthesis of 39 studies Cooper, Nye, Charlton, Lindsay, & Greathouse (1996) indicated that summer learning loss equaled at least one month of instruction as measured by grade level equivalents on standardized test scores whereby children's test scores were at least one month lower when they returned to school in the fall than scores were when students left in the summer. Specifically, Cooper et aI., (1996) found that the summer learning loss phenomena may be particularly troublesome for less advantaged children including those with speech and language delays, children at-risk for reading disabilities, children from lower socio-economic backgrounds, and children learning English as a second language. In general, research illustrated clearly that the summer learning gap can be particularly problematic for vulnerable children and furthermore, that literacy skills may be the area of achievement that is most affected. A foundational pillar to this research project is including primary caregivers as authentic partners in a summer literacy program designed to support their children's literacy needs. This pillar led the research team to use the Learning Begins at Home: A Research-Based Family Literacy Program Curriculum designed by Antoinette Doyle, Kathleen Hipfner-Boucher, and Janette Pelletier from the Ontario Institute for the Studies of Education. The LBH program is designed to be flexibly adapted to suit the needs of each individual participating family. As indicated by Timmons (2008) literacy interventions are most powerful when they include authentic family involvement. Based on this research, a requirement for participating in the summer literacy program was involvement of a child and one of their primary caregivers. The participating caregiver was integrally involved in the program, participating in workshop activities prior to and following hands-on literacy work with their child. By including primary caregivers as authentic partners, the research team encouraged a paradigmatic shift in the family whereby literacy activities become routine within their household. 5 Participants in this study were 14 children from junior kindergarten classrooms within the Niagara Catholic District School Board. As children were referred to the program, they were assessed by a trained emergent literacy specialist (from Speech Services Niagara) to identify whether they met the eligibility requirements for participation in the summer program. To be eligible to participate, children demonstrated significant literacy needs (i.e. below 25%ile on the Test of Preschool Early Literacy described below). Children with low incidence disabilities (i.e. profound sensory impairments, severe intellectual impairments, developmental disabilities, etc) were excluded as participants. The research team used a standard pre- and posttest design whereby all participating children were assessed with the Test of Preschool Early Literacy (Lonigan et aI., 2007), and a standard measure of letter names and sounds. Pretests were administered two weeks prior to the commencement of the program and the first set of posttests was administered immediately following the program. A second set of posttests was administered in December 2009 to measure the sustainability of the program. As a result of the program, all children scored statistically significantly higher on their literacy scores at the post-program assessment point immediately following the program and also at the Dec-post-program assessment point. These results in general indicated that the summer family literacy program made an immediate impact on the emergent literacy skills of participating children. All participating children demonstrated significant increases in print and phonological awareness as well as their letter sound understanding.

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

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

The effects of consistency and inconsistency between attentional focus and task objective in learning a golf putting task

Converging evidence has demonstrated learning advantages when an individual is instructed to focus their attention externally. However, many of the motor tasks utilized in past research had clear external objectives (i.e., putting accuracy), creating a compatible relationship between an external focus of attention (i.e., outcome) and an external task objective (i.e., putting accuracy). The present study examined whether or not the consistency of instructions and task objective would differentially impact the acquisition of a golf putting task. Participants performed a putting task in a control condition or in one of four experimental conditions resulting from the factorial interaction of task instructions (internal or external) and task objective (internal or external). The retention and transfer data revealed that participants who received an external task objective demonstrated superior outcome scores. Participants who received technique information paired with outcome information demonstrated superior technique scores.

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.

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.

Embodiment and Manipulation Learning Process for a Humanoid Hand

Babies are born with simple manipulation capabilities such as reflexes to perceived stimuli. Initial discoveries by babies are accidental until they become coordinated and curious enough to actively investigate their surroundings. This thesis explores the development of such primitive learning systems using an embodied light-weight hand with three fingers and a thumb. It is self-contained having four motors and 36 exteroceptor and proprioceptor sensors controlled by an on-palm microcontroller. Primitive manipulation is learned from sensory inputs using competitive learning, back-propagation algorithm and reinforcement learning strategies. This hand will be used for a humanoid being developed at the MIT Artificial Intelligence Laboratory.

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.