Sensorimotor Plasticity after Music-Supported Therapy in Chronic Stroke Patients Revealed by Transcranial Magnetic Stimulation

BACKGROUND: Several recently developed therapies targeting motor disabilities in stroke sufferers have shown to be more effective than standard neurorehabilitation approaches. In this context, several basic studies demonstrated that music training produces rapid neuroplastic changes in motor-related brain areas. Music-supported therapy has been recently developed as a new motor rehabilitation intervention. METHODS AND RESULTS: In order to explore the plasticity effects of music-supported therapy, this therapeutic intervention was applied to twenty chronic stroke patients. Before and after the music-supported therapy, transcranial magnetic stimulation was applied for the assessment of excitability changes in the motor cortex and a 3D movement analyzer was used for the assessment of motor performance parameters such as velocity, acceleration and smoothness in a set of diadochokinetic movement tasks. Our results suggest that the music-supported therapy produces changes in cortical plasticity leading the improvement of the subjects' motor performance. CONCLUSION: Our findings represent the first evidence of the neurophysiological changes induced by this therapy in chronic stroke patients, and their link with the amelioration of motor performance. Further studies are needed to confirm our observations.

Effect of repetitive arm cycling following botulinum toxin injection for poststroke spasticity: evidence from FMRI.

BACKGROUND AND OBJECTIVE: Investigations were performed to establish if repetitive arm cycling training enhances the antispastic effect of intramuscular botulinum toxin (BTX) injections in postischemic spastic hemiparesis. Effects on cerebral activation were evaluated by functional magnetic resonance imaging (fMRI). METHODS: Eight chronic spastic hemisyndrome patients (49 ± 10 years) after middle cerebral artery infarction (5.5 ± 2.7 years) were investigated. BTX was injected into the affected arm twice, 6 months apart. Spasticity was assessed using the Ashworth Scale and range of motion before and 3 months after BTX injections. Images were analyzed using Brain Voyager QX 1.8, and fMRI signal changes were corrected for multiple comparisons. RESULTS: During passive movements of affected and nonaffected hands, fMRI activity was increased bilaterally in the sensorimotor cortex (MISI), secondary somatosensory areas (SII), and supplementary motor area predominantly in the contralesional hemisphere, compared with the rest. Following repetitive arm cycling, fMRI activity increased further in MISI of the lesioned hemisphere and SII of the contralesional hemisphere. For patients with residual motor activity, treatment-related fMRI activity increases were associated with reduced spasticity; in completely plegic patients, there was no fMRI activity change in SII but increased spasticity after training. CONCLUSION: Increased activity in SII of the contralesional hemisphere and in MISI of the lesioned hemisphere reflect a treatment-induced effect in the paretic arm. It is hypothesized that the increased BOLD activity results from increased afferent information related to the antispastic BTX effect reinforced by training.

Expression of the glucagon-like peptide-1 receptor gene in rat brain.

Evidence that glucagon-like peptide-1 (GLP-1) (7-36) amide functions as a novel neuropeptide prompted us to study the gene expression of its receptor in rat brain. Northern blot analysis showed transcripts of similar size in RINm5F cells, hypothalamus, and brain-stem. First-strand cDNA was prepared by using RNA from hypothalamus, brainstem, and R1Nm5F cells and subsequently amplified by PCR. Southern blot analysis of the PCR products showed a major 1.4-kb band in all these preparations. PCR products amplified from hypothalamus were cloned, and the nucleotide sequence of one strand was identical to that described in rat pancreatic islets. In situ hybridization studies showed specific labeling in both neurons and glia of the thalamus, hypothalamus, hippocampus, primary olfactory cortex, choroid plexus, and pituitary gland. In the hypothalamus, ventromedial nuclei cells were highly labeled. These findings indicate that GLP-1 receptors are actually synthesized in rat brain. In addition, the colocalization of GLP-1 receptors, glucokinase, and GLUT-2 in the same areas supports the idea that these cells play an important role in glucose sensing in the brain.

Sensorimotor Plasticity after Music-Supported Therapy in Chronic Stroke Patients Revealed by Transcranial Magnetic Stimulation

BACKGROUND: Several recently developed therapies targeting motor disabilities in stroke sufferers have shown to be more effective than standard neurorehabilitation approaches. In this context, several basic studies demonstrated that music training produces rapid neuroplastic changes in motor-related brain areas. Music-supported therapy has been recently developed as a new motor rehabilitation intervention. METHODS AND RESULTS: In order to explore the plasticity effects of music-supported therapy, this therapeutic intervention was applied to twenty chronic stroke patients. Before and after the music-supported therapy, transcranial magnetic stimulation was applied for the assessment of excitability changes in the motor cortex and a 3D movement analyzer was used for the assessment of motor performance parameters such as velocity, acceleration and smoothness in a set of diadochokinetic movement tasks. Our results suggest that the music-supported therapy produces changes in cortical plasticity leading the improvement of the subjects' motor performance. CONCLUSION: Our findings represent the first evidence of the neurophysiological changes induced by this therapy in chronic stroke patients, and their link with the amelioration of motor performance. Further studies are needed to confirm our observations.

Representation of Sound Objects within Early-Stage Auditory Areas: A Repetition Effect Study Using 7T fMRI.

Environmental sounds are highly complex stimuli whose recognition depends on the interaction of top-down and bottom-up processes in the brain. Their semantic representations were shown to yield repetition suppression effects, i. e. a decrease in activity during exposure to a sound that is perceived as belonging to the same source as a preceding sound. Making use of the high spatial resolution of 7T fMRI we have investigated the representations of sound objects within early-stage auditory areas on the supratemporal plane. The primary auditory cortex was identified by means of tonotopic mapping and the non-primary areas by comparison with previous histological studies. Repeated presentations of different exemplars of the same sound source, as compared to the presentation of different sound sources, yielded significant repetition suppression effects within a subset of early-stage areas. This effect was found within the right hemisphere in primary areas A1 and R as well as two non-primary areas on the antero-medial part of the planum temporale, and within the left hemisphere in A1 and a non-primary area on the medial part of Heschl's gyrus. Thus, several, but not all early-stage auditory areas encode the meaning of environmental sounds.

Distinct contributions of Brodmann areas 1 and 2 to body ownership.

Although body ownership-i.e. the feeling that our bodies belong to us-modulates activity within the primary somatosensory cortex (S1), it is still unknown whether this modulation occurs within a somatotopically defined portion of S1. We induced an illusory feeling of ownership for another person's finger by asking participants to hold their palm against another person's palm and to stroke the two joined index fingers with the index and thumb of their other hand. This illusion (numbness illusion) does not occur if the stroking is performed asynchronously or by the other person. We combined this somatosensory paradigm with ultra-high field functional magnetic resonance imaging finger mapping to study whether illusory body ownership modulates activity within different finger-specific areas of S1. The results revealed that the numbness illusion is associated with activity in Brodmann area (BA) 1 within the representation of the finger stroking the other person's finger and in BA 2 contralateral to the stroked finger. These results show that changes in bodily experience modulate the activity within certain subregions of S1, with a different finger-topographical selectivity between the representations of the stroking and of the stroked hand, and reveal that the high degree of somatosensory specialization in S1 extends to bodily self-consciousness.

Gamma oscillations in V1 are correlated with GABAA receptor density: A multi-modal MEG and Flumazenil-PET study.

High-frequency oscillations in the gamma-band reflect rhythmic synchronization of spike timing in active neural networks. The modulation of gamma oscillations is a widely established mechanism in a variety of neurobiological processes, yet its neurochemical basis is not fully understood. Modeling, in-vitro and in-vivo animal studies suggest that gamma oscillation properties depend on GABAergic inhibition. In humans, search for evidence linking total GABA concentration to gamma oscillations has led to promising -but also to partly diverging- observations. Here, we provide the first evidence of a direct relationship between the density of GABAA receptors and gamma oscillatory gamma responses in human primary visual cortex (V1). By combining Flumazenil-PET (to measure resting-levels of GABAA receptor density) and MEG (to measure visually-induced gamma oscillations), we found that GABAA receptor densities correlated positively with the frequency and negatively with amplitude of visually-induced gamma oscillations in V1. Our findings demonstrate that gamma-band response profiles of primary visual cortex across healthy individuals are shaped by GABAA-receptor-mediated inhibitory neurotransmission. These results bridge the gap with in-vitro and animal studies and may have future clinical implications given that altered GABAergic function, including dysregulation of GABAA receptors, has been related to psychiatric disorders including schizophrenia and depression.

Exploring Brain Inhibition and Facilitation by Transcranial Magnetic Stimulation

Background and Question Paired-pulse TMS (Transcranial Magnetic Stimulation) paradigms allow explore motor cortex physiology. The Triple Stimulation Technique (TST) improves conventional TMS in quantifying cortico-spinal conduction. The objective of our study was to compare both methods in paired-pulse paradigms of inhibition and of facilitation. Method We investigated paired pulse paradigms of 2 ms (short intra-cortical inhibition) and of 10 ms intervals (intra cortical facilitation) in a randomized order in 22 healthy subjects applying conventional TMS and the TST protocol. Results Paired-pulse paradigms by both TMS and the TST yielded comparable results of short intra- cortical inhibition and intra cortical facilitation. However, the coefficient of variation was significantly smaller for SICI paradigm using TST. Conclusion These results suggest no greater sensitivity of the TST for quantifying inhibition and facilitation. The utility of TST to better quantify the individual amount of inhibition in SICI paradigms and its clinical utility need further studies.

The neural processes generating visual phenomenal consciousness: ERP and neuronavigated brain stimulation studies

One of the greatest conundrums to the contemporary science is the relation between consciousness and brain activity, and one of the specifi c questions is how neural activity can generate vivid subjective experiences. Studies focusing on visual consciousness have become essential in solving the empirical questions of consciousness. Th e main aim of this thesis is to clarify the relation between visual consciousness and the neural and electrophysiological processes of the brain. By applying electroencephalography and functional magnetic resonance image-guided transcranial magnetic stimulation (TMS), we investigated the links between conscious perception and attention, the temporal evolution of visual consciousness during stimulus processing, the causal roles of primary visual cortex (V1), visual area 2 (V2) and lateral occipital cortex (LO) in the generation of visual consciousness and also the methodological issues concerning the accuracy of targeting TMS to V1. Th e results showed that the fi rst eff ects of visual consciousness on electrophysiological responses (about 140 ms aft er the stimulus-onset) appeared earlier than the eff ects of selective attention, and also in the unattended condition, suggesting that visual consciousness and selective attention are two independent phenomena which have distinct underlying neural mechanisms. In addition, while it is well known that V1 is necessary for visual awareness, the results of the present thesis suggest that also the abutting visual area V2 is a prerequisite for conscious perception. In our studies, the activation in V2 was necessary for the conscious perception of change in contrast for a shorter period of time than in the case of more detailed conscious perception. We also found that TMS in LO suppressed the conscious perception of object shape when TMS was delivered in two distinct time windows, the latter corresponding with the timing of the ERPs related to the conscious perception of coherent object shape. Th e result supports the view that LO is crucial in conscious perception of object coherency and is likely to be directly involved in the generation of visual consciousness. Furthermore, we found that visual sensations, or phosphenes, elicited by the TMS of V1 were brighter than identically induced phosphenes arising from V2. Th ese fi ndings demonstrate that V1 contributes more to the generation of the sensation of brightness than does V2. Th e results also suggest that top-down activation from V2 to V1 is probably associated with phosphene generation. The results of the methodological study imply that when a commonly used landmark (2 cm above the inion) is used in targeting TMS to V1, the TMS-induced electric fi eld is likely to be highest in dorsal V2. When V1 was targeted according to the individual retinotopic data, the electric fi eld was highest in V1 only in half of the participants. Th is result suggests that if the objective is to study the role of V1 with TMS methodology, at least functional maps of V1 and V2 should be applied with computational model of the TMS-induced electric fi eld in V1 and V2. Finally, the results of this thesis imply that diff erent features of attention contribute diff erently to visual consciousness, and thus, the theoretical model which is built up of the relationship between visual consciousness and attention should acknowledge these diff erences. Future studies should also explore the possibility that visual consciousness consists of several processing stages, each of which have their distinct underlying neural mechanisms.

Effets de l’alcoolisme fœtal sur le développement du corps genouillé latéral du singe

L’exposition du fœtus à l’éthanol est reconnue comme étant la principale cause de maladies évitables lors du développement. Une forte exposition à l’alcool durant la gestation peut occasionner des dysmorphies cranio-faciales et des retards mentaux, ainsi que des troubles d’apprentissages et du comportement. Le développement du système visuel est également perturbé chez une grande majorité d’enfants qui ont été exposés à l’alcool. Lorsque les doses prises sont élevées, le système visuel peut présenter une panoplie de symptômes comme une augmentation de la tortuosité des vaisseaux rétiniens, de la myopie, de l’hypermétropie, du strabisme et une hypoplasie du nerf optique. Cependant, très peu d’études se sont penchées sur les effets de plus faibles doses sur le développement du système visuel du primate. Le singe est un excellent modèle pour étudier le système visuel car il possède plusieurs similitudes avec l’humain tant au niveau développemental qu’au niveau structurel. De plus, le singe utilisé, le Chlrocebus aethiops sabeus, possède l’avantage que des individus de cette espèce ont une consommation naturelle et volontaire à l’alcool. Une étude (Clarren et al., 1990) a suggéré qu’une faible exposition à l’alcool du fœtus du primate non humain occasionnait une diminution du nombre de cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). Étant donné que le corps genouillé latéral dorsal (CGLd) reçoit la plupart de ses intrants de la rétine, il est raisonnable d’assumer que les couches rétino-récipientes du CGLd devraient être aussi affectées. Nous avons alors émis l’hypothèse que le CGLd devrait également subir une diminution du nombre de neurones. Pour la première fois, nous avons utilisé une méthode stéréologique pour quantifier le nombre de cellules dans les couches parvo- (P) et magnocellulaires (M) du CGLd. Contrairement à notre hypothèse de départ, nous n’avons pas observé de diminution dans le nombre global de neurones dans le CGLd des animaux exposés à l’alcool par rapport à des sujets contrôles, ni une diminution de son volume. Nous avons toutefois observé une diminution de la taille du corps cellulaire seulement dans la population M du CGLd. Ces résultats suggèrent que le système visuel est affecté par une faible exposition à l’alcool durant son développement qui devrait se traduire sur le comportement par des déficits dans les fonctions de la voie M.

Long-term effects of sports concussion

Questions : Cette thèse visait à répondre à deux questions fondamentales : 1) Est-ce que les athlètes qui présentent un historique de commotions cérébrales du sport en conservent des effets délétères à long terme? ; et 2) Est-ce que les effets néfastes des commotions cérébrales récurrentes sur le fonctionnement tant cognitif que moteur sont cumulatifs? Devis expérimental : À l’aide d’un plan d’investigation double-cohorte réalisé avec un groupe d’athlètes évoluant au niveau universitaire et un autre formé d’anciens athlètes universitaires testés plus de trois décennies plus tard, les quatre études qui composent cette thèse ont employé des méthodes raffinées d’investigation des fonctions cognitives et motrices pour en déceler des atteintes persistantes. Méthodologie : Les potentiels évoqués cognitifs ainsi que les tests neuropsychologiques ont permis de sonder le fonctionnement cognitif de ces athlètes alors que la stimulation magnétique transcrânienne, une plateforme de force permettant de mesurer la stabilité posturale ainsi qu’un système d’enregistrement tridimensionnel des mouvements rapides alternatifs ont servi à l’évaluation de l’intégrité du système moteur. Résultats : Cette thèse a permis de déceler des altérations persistentes et cumulatives des fonctions cognitives et motrices. De plus, ces subtiles atteintes observées chez les jeunes athlètes, affectant essentiellement des marqueurs neurophysiologiques sous-cliniques du fonctionnement cognitif et moteur, s’étaient accentuées chez les anciens athlètes universitaires qui montraient un déclin quantifiable tant des fonctions cognitives que motrices. Discussion : Ces résultats suggèrent d’une part que les commotions cérébrales du sport entraînent des altérations cognitives et motrices chroniques qui s’accentuent en fonction du nombre de commotions cérébrales subies. D’autre part, les effets délétères des commotions cérébrales du sport sur le fonctionnement cognitif et moteur combinés à ceux associés au processus de vieillissement entraînent un déclin cognitif et moteur quantifiable en comparaison aux anciens athlètes n’ayant jamais subi de commotions cérébrales.

Développement et fonctionnement des mécanismes de résonance motrice chez l'humain

La découverte dans le cerveau du singe macaque de cellules visuo-motrices qui répondent de façon identique à la production et la perception d’actes moteurs soutient l’idée que ces cellules, connues sous le nom de neurones-miroirs, encoderaient la représentation d’actes moteurs. Ces neurones, et le système qu’ils forment, constitueraient un système de compréhension moteur; par delà la simple représentation motrice, il est également possible que ce système participe à des processus de haut niveau en lien avec la cognition sociale. Chez l’humain adulte, des études d’imagerie récentes montrent d’importants chevauchements entre les patrons d’activité liés à l’exécution d’actes moteurs et ceux associés à la perception d’actions. Cependant, malgré le nombre important d’études sur ce système de résonance motrice, étonnamment peu se sont penchées sur les aspects développementaux de ce mécanisme, de même que sa relation avec certaines habiletés sociales dans la population neurotypique. De plus, malgré l’utilisation répandue de certaines techniques neurophysiologiques pour quantifier l’activité de ce système, notamment l’électroencéphalographie et la stimulation magnétique transcrânienne, on ignore en grande partie la spécificité et la convergence de ces mesures dans l’étude des processus de résonance motrice. Les études rassemblées ici visent à combler ces lacunes, c'est-à-dire (1) définir l’existence et les propriétés fonctionnelles du système de résonance motrice chez l’enfant humain, (2) établir le lien entre ce système et certaines habiletés sociales spécifiques et (3) déterminer la validité des outils d’investigation couramment utilisés pour mesurer son activité. Dans l’article 1, l’électroencéphalographie quantitative est utilisée afin de mesurer l’activité des régions sensorimotrices chez un groupe d’enfants d’âge scolaire durant la perception d’actions de la main. On y démontre une modulation de l’activité du rythme mu aux sites centraux non seulement lors de l’exécution de tâches motrices, mais également lors de l’observation passive d’actions. Ces résultats soutiennent l’hypothèse de l’existence d’un système de résonance motrice sensible aux représentations visuelles d’actes moteurs dans le cerveau immature. L’article 2 constitue une étude de cas réalisée chez une jeune fille de 12 ans opérée pour épilepsie réfractaire aux médicaments. L’électroencéphalographie intracrânienne est utilisée afin d’évaluer le recrutement du cortex moteur lors de la perception de sons d’actions. On y montre une modulation de l’activité du cortex moteur, visible dans deux périodes distinctes, qui se reflètent par une diminution de la puissance spectrale des fréquences beta et alpha. Ces résultats soutiennent l’hypothèse de l’existence d’un système de résonance motrice sensible aux représentations auditives d’actions chez l’enfant. L’article 3 constitue une recension des écrits portant sur les données comportementales et neurophysiologiques qui suggèrent la présence d’un système de compréhension d’action fonctionnel dès la naissance. On y propose un modèle théorique où les comportements d’imitation néonataux sont vus comme la résultante de mécanismes d’appariement moteurs non inhibés. Afin de mesurer adéquatement la présence de traits empathiques et autistique dans le but de les mettre en relation avec l’activité du système de résonance motrice, l’article 4 consiste en une validation de versions françaises des échelles Empathy Quotient (Baron-Cohen & Wheelwright, 2004) et Autism Spectrum Quotient (Baron-Cohen et al., 2001) qui seront utilisées dans l’article 5. Les versions traduites de ces échelles ont été administrées à 100 individus sains et 23 personnes avec un trouble du spectre autistique. Les résultats répliquent fidèlement ceux obtenus avec les questionnaires en version anglaise, ce qui suggère la validité des versions françaises. Dans l’article 5, on utilise la stimulation magnétique transcrânienne afin d’investiguer le décours temporel de l’activité du cortex moteur durant la perception d’action et le lien de cette activité avec la présence de traits autistiques et empathiques chez des individus normaux. On y montre que le cortex moteur est rapidement activé suivant la perception d’un mouvement moteur, et que cette activité est corrélée avec les mesures sociocognitives utilisées. Ces résultats suggèrent l’existence d’un système d’appariement moteur rapide dans le cerveau humain dont l’activité est associée aux aptitudes sociales. L’article 6 porte sur la spécificité des outils d’investigation neurophysiologique utilisés dans les études précédentes : la stimulation magnétique transcrânienne et l’électroencéphalographie quantitative. En utilisant ces deux techniques simultanément lors d’observation, d’imagination et d’exécution d’actions, on montre qu’elles évaluent possiblement des processus distincts au sein du système de résonance motrice. En résumé, cette thèse vise à documenter l’existence d’un système de résonance motrice chez l’enfant, d’établir le lien entre son fonctionnement et certaines aptitudes sociales et d’évaluer la validité et la spécificité des outils utilisés pour mesurer l’activité au sein de ce système. Bien que des recherches subséquentes s’avèrent nécessaires afin de compléter le travail entamé ici, les études présentées constituent une avancée significative dans la compréhension du développement et du fonctionnement du système de résonance motrice, et pourraient éventuellement contribuer à l’élaboration d’outils diagnostiques et/ou de thérapeutiques chez des populations où des anomalies de ce système ont été répertoriées.

Effets de la vibration des muscles sur les mécanismes neuronaux et la fonction du membre supérieur et inférieur des personnes ayant une hémiparésie chronique

Cette thèse vise à répondre à trois questions fondamentales: 1) La diminution de l’excitabilité corticospinale et le manque d’inhibition intracorticale observés suite à la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) du cortex moteur de la main atteinte de sujets hémiparétiques sont-ils aussi présents suite à la SMT du cortex moteur de la jambe atteinte? 2) Est-ce que les altérations dans l’excitabilité corticomotrice sont corrélées aux déficits et incapacités motrices des personnes ayant subi un accident vasculaire cérébral depuis plus de 6 mois? 3) La vibration musculaire, étant la source d’une forte afférence sensorielle, peut-elle moduler l’excitabilité corticomotrice et améliorer la performance motrice de ces personnes? Premièrement, afin d’appuyer notre choix d’intervention et d’évaluer le potentiel de la vibration mécanique locale pour favoriser la réadaptation des personnes ayant une atteinte neurologique, nous avons réalisé une révision en profondeur de ses applications et intérêts cliniques à partir d’informations trouvées dans la littérature scientifique (article 1). La quantité importante d’information sur les effets physiologiques de la vibration contraste avec la pauvreté des études qui ont évalué son effet thérapeutique. Nous avons trouvé que, malgré le manque d’études, les résultats sur son utilisation sont encourageants et positifs et aucun effet adverse n’a été rapporté. Dans les trois autres articles qui composent cette thèse, l’excitabilité des circuits corticospinaux et intracorticaux a été étudiée chez 27 sujets hémiparétiques et 20 sujets sains sans atteintes neurologiques. Les fonctions sensorimotrices ont aussi été évaluées par des tests cliniques valides et fidèles. Tel qu’observé à la main chez les sujets hémiparétiques, nous avons trouvé, par rapport aux sujets sains, une diminution de l’excitabilité corticospinale ainsi qu’un manque d’inhibition intracorticale suite à la SMT du cortex moteur de la jambe atteinte (article 2). Les sujets hémiparétiques ont également montré un manque de focus de la commande motrice lors de l’activation volontaire des fléchisseurs plantaires. Ceci était caractérisé par une augmentation de l’excitabilité nerveuse des muscles agonistes, mais aussi généralisée aux synergistes et même aux antagonistes. De plus, ces altérations ont été corrélées aux déficits moteurs au membre parétique. Le but principal de cette thèse était de tester les effets potentiels de la vibration des muscles de la main (article 3) et de la cuisse (article 4) sur les mécanismes neuronaux qui contrôlent ces muscles. Nous avons trouvé que la vibration augmente l’amplitude de la réponse motrice des muscles vibrés, même chez des personnes n’ayant pas de réponse motrice au repos ou lors d’une contraction volontaire. La vibration a également diminué l’inhibition intracorticale enregistrée au quadriceps parétique (muscle vibré). La diminution n’a cependant pas été significative au niveau de la main. Finalement, lors d’un devis d’investigation croisé, la vibration de la main ou de la jambe parétique a résulté en une amélioration spécifique de la dextérité manuelle ou de la coordination de la jambe, respectivement. Au membre inférieur, la vibration du quadriceps a également diminuée la spasticité des patients. Les résultats obtenus dans cette thèse sont très prometteurs pour la rééducation de la personne hémiparétique car avec une seule séance de vibration, nous avons obtenu des améliorations neurophysiologiques et cliniques.

Développement physiologique des voies visuelles chez le rat normal et chez celui ayant subi des convulsions hyperthermiques

Les neurones des couches superficielles du collicule supérieur et du cortex visuel primaire du rat adulte sont sensibles à de basses fréquences spatiales de haut contraste défilant à des vitesses élevées. Entre les jours post-nataux 27-30 et l’âge adulte, les fréquences temporelles optimales des neurones du cortex visuel primaire augmentent, tandis que leurs seuils de contraste diminuent. Cependant, les fréquences spatiales optimales, les valeurs de résolution spatiale et les bandes passantes spatiales de ces neurones sont, dès l’ouverture des paupières, similaires à celles observées chez le rat adulte. Ces profils de réponse neuronale suggèrent que les projections rétino-colliculaires et rétino-géniculo-corticales sont essentiellement issues de neurones ganglionnaires rétinofuges magnocellulaires et koniocellulaires. Les neurones du cortex visuel primaire du rat ayant subi des convulsions hyperthermiques présentent, dès l’ouverture des paupières, de basses fréquences spatiales optimales, de larges bandes passantes directionnelles et temporelles ainsi que des seuils de contraste élevés par rapport aux neurones du rat normal. À l’âge adulte, de basses fréquences temporelles optimales et de larges bandes passantes spatiales sont également observées chez le rat ayant subi des convulsions hyperthermiques. L’altération des profils de réponse des neurones du cortex visuel primaire du rat ayant subi de convulsions hyperthermiques suggère un déséquilibre entre les mécanismes neuronaux excitateurs et inhibiteurs de cette aire corticale. Ces résultats suggèrent également qu’un épisode unique de convulsions fébriles infantiles suffit à altérer le développement des propriétés spatio-temporelles des champs récepteurs des neurones du cortex visuel primaire.

Incorporating complex cells into neural networks for pattern classification

Dans le domaine des neurosciences computationnelles, l'hypothèse a été émise que le système visuel, depuis la rétine et jusqu'au cortex visuel primaire au moins, ajuste continuellement un modèle probabiliste avec des variables latentes, à son flux de perceptions. Ni le modèle exact, ni la méthode exacte utilisée pour l'ajustement ne sont connus, mais les algorithmes existants qui permettent l'ajustement de tels modèles ont besoin de faire une estimation conditionnelle des variables latentes. Cela nous peut nous aider à comprendre pourquoi le système visuel pourrait ajuster un tel modèle; si le modèle est approprié, ces estimé conditionnels peuvent aussi former une excellente représentation, qui permettent d'analyser le contenu sémantique des images perçues. Le travail présenté ici utilise la performance en classification d'images (discrimination entre des types d'objets communs) comme base pour comparer des modèles du système visuel, et des algorithmes pour ajuster ces modèles (vus comme des densités de probabilité) à des images. Cette thèse (a) montre que des modèles basés sur les cellules complexes de l'aire visuelle V1 généralisent mieux à partir d'exemples d'entraînement étiquetés que les réseaux de neurones conventionnels, dont les unités cachées sont plus semblables aux cellules simples de V1; (b) présente une nouvelle interprétation des modèles du système visuels basés sur des cellules complexes, comme distributions de probabilités, ainsi que de nouveaux algorithmes pour les ajuster à des données; et (c) montre que ces modèles forment des représentations qui sont meilleures pour la classification d'images, après avoir été entraînés comme des modèles de probabilités. Deux innovations techniques additionnelles, qui ont rendu ce travail possible, sont également décrites : un algorithme de recherche aléatoire pour sélectionner des hyper-paramètres, et un compilateur pour des expressions mathématiques matricielles, qui peut optimiser ces expressions pour processeur central (CPU) et graphique (GPU).