Sensory Processing in Aquatic Environments

Research on sensory processing or the way animals see, hear, smell, taste, feel and electrically and magnetically sense their environment has advanced a great deal over the last fifteen years. This book discusses the most important themes that have emerged from recent research and provides a summary of likely future directions. The book starts with two sections on the detection of sensory signals over long and short ranges by aquatic animals, covering the topics of navigation, communication, and finding food and other localized sources. The next section, the co-evolution of signal and sense, deals with how animals decide whether the source is prey, predator or mate by utilizing receptors that have evolved to take full advantage of the acoustical properties of the signal. Organisms living in the deep-sea environment have also received a lot of recent attention, so the next section deals with visual adaptations to limited light environments where sunlight is replaced by bioluminescence and the visual system has undergone changes to optimize light capture and sensitivity. The last section on central co-ordination of sensory systems covers how signals are processed and filtered for use by the animal. This book will be essential reading for all researchers and graduate students interested in sensory systems.

Cognitive systems associated with the hippocampus of the human brain and their role in behaviour and neurodegenerative disease

Cognitive systems research involves the synthesis of ideas from natural and artificial systems in the analysis, understanding, and design of all intelligent systems. This chapter discusses the cognitive systems associated with the hippocampus (HC) of the human brain and their possible role in behaviour and neurodegenerative disease. The hippocampus (HC) is concerned with the analysis of highly abstract data derived from all sensory systems but its specific role remains controversial. Hence, there have been three major theories concerning its function, viz., the memory theory, the spatial theory, and the behavioral inhibition theory. The memory theory has its origin in the surgical destruction of the HC, which results in severe anterograde and partial retrograde amnesia. The spatial theory has its origin in the observation that neurons in the HC of animals show activity related to their location within the environment. By contrast, the behavioral inhibition theory suggests that the HC acts as a ‘comparator’, i.e., it compares current sensory events with expected or predicted events. If a set of expectations continues to be verified then no alteration of behavior occurs. If, however, a ‘mismatch’ is detected then the HC intervenes by initiating appropriate action by active inhibition of current motor programs and initiation of new data gathering. Understanding the cognitive systems of the hippocampus in humans may aid in the design of intelligent systems involved in spatial mapping, memory, and decision making. In addition, this information may lead to a greater understanding of the course of clinical dementia in the various neurodegenerative diseases in which there is significant damage to the HC.

Structure-activity relationships of omega-conotoxins MVIIA, MVIIC and 14 loop splice hybrids at N and P/Q-type calcium channels

The omega-conotoxins are a set of structurally related, four-loop, six cysteine containing peptides, that have a range of selectivities for different subtypes of the voltage-sensitive calcium channel (VSCC). To investigate the basis of the selectivity displayed by these peptides, we have studied the binding affinities of two naturally occurring omega-conotoxins, MVIIA and MVIIC and a series of 14 MVIIA/MVIIC loop hybrids using radioligand binding assays for N and P/Q-type Ca2+ channels in rat brain tissue. A selectivity profile was developed from the ratio of relative potencies at N-type VSCCs (using [I-125]GVIA radioligand binding assays) and P/Q-type VSCCs (using [I-125]MVIIC radioligand binding assays). in these peptides, loops 2 and 4 make the greatest contribution to VSCC subtype selectivity, while the effects of loops 1 and 3 are negligible. Peptides with homogenous combinations of loop 2 and 4 display clear selectivity preferences, while those with heterogeneous combinations of loops 2 and 4 are less discriminatory. H-1 NMR spectroscopy revealed that the global folds of MVIIA, MVIIC and the 14 loop hybrid peptides were similar; however, several differences in local structure were identified. Based on the binding data and the 3D structures of MVIIA, GVIA and MVIIC, we have developed a preliminary pharmacophore based on the omega-conotoxin residues most Likely to interact with the N-type VSCC. (C) 1999 Academic Press.

Expression of Pax258 in the gastropod statocyst: insights into the antiquity of metazoan geosensory organs

Most animals have sensory systems that allow them to balance and orient relative to the pull of gravity. Structures responsible for these functions range from very simple statocysts found in many aquatic invertebrates to the complex inner ear of mammals. Previous studies suggest that the specialized mechanosensory structures responsible for balance in vertebrates and insects may be homologous based on the requirement and expression of group II Pax genes (i.e., Pax-2/5/8 genes). Here we report the expression of a Pax-258 gene in the statocysts and other chemosensory and mechanosensory cells during the development of the gastropod mollusk Haliotis asinina, a member of the Lophotrochozoa. Based on the phylogenetic distribution of geo-sensory systems and the consistent expression of Pax-258 in the cells that form these systems, we propose that Pax-258, along with POU-III and -IV genes, has an ancient and conserved role in the formation of structures responsible for balance and geotaxis in eumetazoans.

Sistema de modelização tridimensional para ambientes não estruturados

A navegação de veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um problema em aberto. A complexidade do mundo real ainda é um desafio. A difícil caracterização do relevo irregular, dos objectos dinâmicos e pouco distintos(e a inexistência de referências de localização) tem sido alvo de estudo e do desenvolvimento de vários métodos que permitam de uma forma eficiente, e em tempo real, modelizar o espaço tridimensional. O trabalho realizado ao longo desta dissertação insere-se na estratégia do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) na pesquisa e desenvolvimento de sistemas sensoriais que possibilitem o aumento da capacidade de percepção das plataformas robóticas. O desenvolvimento de um sistema de modelização tridimensional visa acrescentar aos projectos LINCE (Land INtelligent Cooperative Explorer) e TIGRE (Terrestrial Intelligent General proposed Robot Explorer) maior autonomia e capacidade de exploração e mapeamento. Apresentamos alguns sensores utilizados para a aquisição de modelos tridimensionais, bem como alguns dos métodos mais utilizados para o processo de mapeamento, e a sua aplicação em plataformas robóticas. Ao longo desta dissertação são apresentadas e validadas técnicas que permitem a obtenção de modelos tridimensionais. É abordado o problema de analisar a cor e geometria dos objectos, e da criação de modelos realistas que os representam. Desenvolvemos um sistema que nos permite a obtenção de dados volumétricos tridimensionais, a partir de múltiplas leituras de um Laser Range Finder bidimensional de médio alcance. Aos conjuntos de dados resultantes associamos numa nuvem de pontos coerente e referenciada. Foram desenvolvidas e implementadas técnicas de segmentação que permitem inspeccionar uma nuvem de pontos e classifica-la quanto às suas características geométricas, bem como ao tipo de estruturas que representem. São apresentadas algumas técnicas para a criação de Mapas de Elevação Digital, tendo sido desenvolvida um novo método que tira partido da segmentação efectuada

Exploração da Point Cloud Library aplicada à percepção em sistemas autónomos

A navegação e a interpretação do meio envolvente por veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um grande desafio na actualidade. Sebastian Thrun, descreve em [Thr02], que o problema do mapeamento em sistemas robóticos é o da aquisição de um modelo espacial do meio envolvente do robô. Neste contexto, a integração de sistemas sensoriais em plataformas robóticas, que permitam a construção de mapas do mundo que as rodeia é de extrema importância. A informação recolhida desses dados pode ser interpretada, tendo aplicabilidade em tarefas de localização, navegação e manipulação de objectos. Até à bem pouco tempo, a generalidade dos sistemas robóticos que realizavam tarefas de mapeamento ou Simultaneous Localization And Mapping (SLAM), utilizavam dispositivos do tipo laser rangefinders e câmaras stereo. Estes equipamentos, para além de serem dispendiosos, fornecem apenas informação bidimensional, recolhidas através de cortes transversais 2D, no caso dos rangefinders. O paradigma deste tipo de tecnologia mudou consideravelmente, com o lançamento no mercado de câmaras RGB-D, como a desenvolvida pela PrimeSense TM e o subsequente lançamento da Kinect, pela Microsoft R para a Xbox 360 no final de 2010. A qualidade do sensor de profundidade, dada a natureza de baixo custo e a sua capacidade de aquisição de dados em tempo real, é incontornável, fazendo com que o sensor se tornasse instantaneamente popular entre pesquisadores e entusiastas. Este avanço tecnológico deu origem a várias ferramentas de desenvolvimento e interacção humana com este tipo de sensor, como por exemplo a Point Cloud Library [RC11] (PCL). Esta ferramenta tem como objectivo fornecer suporte para todos os blocos de construção comuns que uma aplicação 3D necessita, dando especial ênfase ao processamento de nuvens de pontos de n dimensões adquiridas a partir de câmaras RGB-D, bem como scanners laser, câmaras Time-of-Flight ou câmaras stereo. Neste contexto, é realizada nesta dissertação, a avaliação e comparação de alguns dos módulos e métodos constituintes da biblioteca PCL, para a resolução de problemas inerentes à construção e interpretação de mapas, em ambientes indoor não estruturados, utilizando os dados provenientes da Kinect. A partir desta avaliação, é proposta uma arquitectura de sistema que sistematiza o registo de nuvens de pontos, correspondentes a vistas parciais do mundo, num modelo global consistente. Os resultados da avaliação realizada à biblioteca PCL atestam a sua viabilidade, para a resolução dos problemas propostos. Prova da sua viabilidade, são os resultados práticos obtidos, da implementação da arquitectura de sistema proposta, que apresenta resultados de desempenho interessantes, como também boas perspectivas de integração deste tipo de conceitos e tecnologia em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projectos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA).

Getting in touch: segregated somatosensory what and where pathways in humans revealed by electrical neuroimaging.

Whether the somatosensory system, like its visual and auditory counterparts, is comprised of parallel functional pathways for processing identity and spatial attributes (so-called what and where pathways, respectively) has hitherto been studied in humans using neuropsychological and hemodynamic methods. Here, electrical neuroimaging of somatosensory evoked potentials (SEPs) identified the spatio-temporal mechanisms subserving vibrotactile processing during two types of blocks of trials. What blocks varied stimuli in their frequency (22.5 Hz vs. 110 Hz) independently of their location (left vs. right hand). Where blocks varied the same stimuli in their location independently of their frequency. In this way, there was a 2x2 within-subjects factorial design, counterbalancing the hand stimulated (left/right) and trial type (what/where). Responses to physically identical somatosensory stimuli differed within 200 ms post-stimulus onset, which is within the same timeframe we previously identified for audition (De Santis, L., Clarke, S., Murray, M.M., 2007. Automatic and intrinsic auditory "what" and "where" processing in humans revealed by electrical neuroimaging. Cereb Cortex 17, 9-17.). Initially (100-147 ms), responses to each hand were stronger to the what than where condition in a statistically indistinguishable network within the hemisphere contralateral to the stimulated hand, arguing against hemispheric specialization as the principal basis for somatosensory what and where pathways. Later (149-189 ms) responses differed topographically, indicative of the engagement of distinct configurations of brain networks. A common topography described responses to the where condition irrespective of the hand stimulated. By contrast, different topographies accounted for the what condition and also as a function of the hand stimulated. Parallel, functionally specialized pathways are observed across sensory systems and may be indicative of a computationally advantageous organization for processing spatial and identity information.

Auditory motion affects visual biological motion processing.

The processing of biological motion is a critical, everyday task performed with remarkable efficiency by human sensory systems. Interest in this ability has focused to a large extent on biological motion processing in the visual modality (see, for example, Cutting, J. E., Moore, C., & Morrison, R. (1988). Masking the motions of human gait. Perception and Psychophysics, 44(4), 339-347). In naturalistic settings, however, it is often the case that biological motion is defined by input to more than one sensory modality. For this reason, here in a series of experiments we investigate behavioural correlates of multisensory, in particular audiovisual, integration in the processing of biological motion cues. More specifically, using a new psychophysical paradigm we investigate the effect of suprathreshold auditory motion on perceptions of visually defined biological motion. Unlike data from previous studies investigating audiovisual integration in linear motion processing [Meyer, G. F. & Wuerger, S. M. (2001). Cross-modal integration of auditory and visual motion signals. Neuroreport, 12(11), 2557-2560; Wuerger, S. M., Hofbauer, M., & Meyer, G. F. (2003). The integration of auditory and motion signals at threshold. Perception and Psychophysics, 65(8), 1188-1196; Alais, D. & Burr, D. (2004). No direction-specific bimodal facilitation for audiovisual motion detection. Cognitive Brain Research, 19, 185-194], we report the existence of direction-selective effects: relative to control (stationary) auditory conditions, auditory motion in the same direction as the visually defined biological motion target increased its detectability, whereas auditory motion in the opposite direction had the inverse effect. Our data suggest these effects do not arise through general shifts in visuo-spatial attention, but instead are a consequence of motion-sensitive, direction-tuned integration mechanisms that are, if not unique to biological visual motion, at least not common to all types of visual motion. Based on these data and evidence from neurophysiological and neuroimaging studies we discuss the neural mechanisms likely to underlie this effect.

Organizing principles across the senses

ABSTRACT This thesis is composed of two main parts. The first addressed the question of whether the auditory and somatosensory systems, like their visual counterpart, comprise parallel functional pathways for processing identity and spatial attributes (so-called `what' and `where' pathways, respectively). The second part examined the independence of control processes mediating task switching across 'what' and `where' pathways in the auditory and visual modalities. Concerning the first part, electrical neuroimaging of event-related potentials identified the spatio-temporal mechanisms subserving auditory (see Appendix, Study n°1) and vibrotactile (see Appendix, Study n°2) processing during two types of blocks of trials. `What' blocks varied stimuli in their frequency independently of their location.. `Where' blocks varied the same stimuli in their location independently of their frequency. Concerning the second part (see Appendix, Study n°3), a psychophysical task-switching paradigm was used to investigate the hypothesis that the efficacy of control processes depends on the extent of overlap between the neural circuitry mediating the different tasks at hand, such that more effective task preparation (and by extension smaller switch costs) is achieved when the anatomical/functional overlap of this circuitry is small. Performance costs associated with switching tasks and/or switching sensory modalities were measured. Tasks required the analysis of either the identity or spatial location of environmental objects (`what' and `where' tasks, respectively) that were presented either visually or acoustically on any given trial. Pretrial cues informed participants of the upcoming task, but not of the sensory modality. - In the audio-visual domain, the results showed that switch costs between tasks were significantly smaller when the sensory modality of the task switched versus when it repeated. In addition, switch costs between the senses were correlated only when the sensory modality of the task repeated across trials and not when it switched. The collective evidence not only supports the independence of control processes mediating task switching and modality switching, but also the hypothesis that switch costs reflect competitive interterence between neural circuits that in turn can be diminished when these neural circuits are distinct. - In the auditory and somatosensory domains, the findings show that a segregation of location vs. recognition information is observed across sensory systems and that these happen around 100ms for both sensory modalities. - Also, our results show that functionally specialized pathways for audition and somatosensation involve largely overlapping brain regions, i.e. posterior superior and middle temporal cortices and inferior parietal areas. Both these properties (synchrony of differential processing and overlapping brain regions) probably optimize the relationships across sensory modalities. - Therefore, these results may be indicative of a computationally advantageous organization for processing spatial anal identity information.

Quality coding by neural populations in the early olfactory pathway: analysis using information theory

In this article, we analyze the ability of the early olfactory system to detect and discriminate different odors by means of information theory measurements applied to olfactory bulb activity images. We have studied the role that the diversity and number of receptor neuron types play in encoding chemical information. Our results show that the olfactory receptors of the biological system are low correlated and present good coverage of the input space. The coding capacity of ensembles of olfactory receptors with the same receptive range is maximized when the receptors cover half of the odor input space - a configuration that corresponds to receptors that are not particularly selective. However, the ensemble's performance slightly increases when mixing uncorrelated receptors of different receptive ranges. Our results confirm that the low correlation between sensors could be more significant than the sensor selectivity for general purpose chemo-sensory systems, whether these are biological or biomimetic.

The behavioral relevance of multisensory neural response interactions.

Sensory information can interact to impact perception and behavior. Foods are appreciated according to their appearance, smell, taste and texture. Athletes and dancers combine visual, auditory, and somatosensory information to coordinate their movements. Under laboratory settings, detection and discrimination are likewise facilitated by multisensory signals. Research over the past several decades has shown that the requisite anatomy exists to support interactions between sensory systems in regions canonically designated as exclusively unisensory in their function and, more recently, that neural response interactions occur within these same regions, including even primary cortices and thalamic nuclei, at early post-stimulus latencies. Here, we review evidence concerning direct links between early, low-level neural response interactions and behavioral measures of multisensory integration.

Codage de l’information visuelle par la plasticité et la synchronisation des réponses neuronales dans le cortex visuel primaire du chat

Les systèmes sensoriels encodent l’information sur notre environnement sous la forme d’impulsions électriques qui se propagent dans des réseaux de neurones. Élucider le code neuronal – les principes par lesquels l’information est représentée dans l’activité des neurones – est une question fondamentale des neurosciences. Cette thèse constituée de 3 études (E) s’intéresse à deux types de codes, la synchronisation et l’adaptation, dans les neurones du cortex visuel primaire (V1) du chat. Au niveau de V1, les neurones sont sélectifs pour des propriétés comme l’orientation des contours, la direction et la vitesse du mouvement. Chaque neurone ayant une combinaison de propriétés pour laquelle sa réponse est maximale, l’information se retrouve distribuée dans différents neurones situés dans diverses colonnes et aires corticales. Un mécanisme potentiel pour relier l’activité de neurones répondant à des items eux-mêmes reliés (e.g. deux contours appartenant au même objet) est la synchronisation de leur activité. Cependant, le type de relations potentiellement encodées par la synchronisation n’est pas entièrement clair (E1). Une autre stratégie de codage consiste en des changements transitoires des propriétés de réponse des neurones en fonction de l’environnement (adaptation). Cette plasticité est présente chez le chat adulte, les neurones de V1 changeant d’orientation préférée après exposition à une orientation non préférée. Cependant, on ignore si des neurones spatialement proches exhibent une plasticité comparable (E2). Finalement, nous avons étudié la dynamique de la relation entre synchronisation et plasticité des propriétés de réponse (E3). Résultats principaux — (E1) Nous avons montré que deux stimuli en mouvement soit convergent soit divergent élicitent plus de synchronisation entre les neurones de V1 que deux stimuli avec la même direction. La fréquence de décharge n’était en revanche pas différente en fonction du type de stimulus. Dans ce cas, la synchronisation semble coder pour la relation de cocircularité dont le mouvement convergent (centripète) et divergent (centrifuge) sont deux cas particuliers, et ainsi pourrait jouer un rôle dans l’intégration des contours. Cela indique que la synchronisation code pour une information qui n’est pas présente dans la fréquence de décharge des neurones. (E2) Après exposition à une orientation non préférée, les neurones changent d’orientation préférée dans la même direction que leurs voisins dans 75% des cas. Plusieurs propriétés de réponse des neurones de V1 dépendent de leur localisation dans la carte fonctionnelle corticale pour l’orientation. Les comportements plus diversifiés des 25% de neurones restants sont le fait de différences fonctionnelles que nous avons observé et qui suggèrent une localisation corticale particulière, les singularités, tandis que la majorité des neurones semblent situés dans les domaines d’iso-orientation. (E3) Après adaptation, les paires de neurones dont les propriétés de réponse deviennent plus similaires montrent une synchronisation accrue. Après récupération, la synchronisation retourne à son niveau initial. Par conséquent, la synchronisation semble refléter de façon dynamique la similarité des propriétés de réponse des neurones. Conclusions — Cette thèse contribue à notre connaissance des capacités d’adaptation de notre système visuel à un environnement changeant. Nous proposons également des données originales liées au rôle potentiel de la synchronisation. En particulier, la synchronisation semble capable de coder des relations entre objets similaires ou dissimilaires, suggérant l’existence d’assemblées neuronales superposées.

Rôle du système du trijumeau dans la locomotion chez le nouveau-né d’opossum (Monodelphis domestica)

L’opossum Monodelphis domestica naît très immature et grimpe sans aide de la mère, du sinus urogénital à une mamelle où il va s’attacher pour poursuivre son développement. Des informations sensorielles sont nécessaires pour guider le nouveau-né vers la mamelle et les candidats les plus probables sont le toucher, l’équilibre et l’olfaction. Pour tester l’action des différents systèmes sur la motricité chez l’opossum nouveau-né, des régions céphaliques du trijumeau, du vestibulaire et de l’olfaction ont été stimulées électriquement sur des préparations in vitro en comparaison avec une stimulation seuil T (intensité minimale de la stimulation à la moelle épinière cervicale induisant le mouvement des membres antérieurs). Par comparaison, un mouvement similaire était induit par des stimulations à ~2T du ganglion du trijumeau, à ~20 T du complexe vestibulaire, et à ~600 T des bulbes olfactifs. L’étude de l'innervation de la peau faciale et des voies relayant les informations du trijumeau vers la moelle épinière (ME) a été approfondie en utilisant de l’immunohistochimie pour les neurofilament-200 et du traçage rétrograde avec du Texas-Red couplé à des Dextrans Aminés. De nombreuses fibres nerveuses ont été révélées dans le derme de plusieurs régions de la tête. Quelques cellules du ganglion trigéminal projettent à la ME rostrale, mais la majorité projette vers la médulla caudale où se trouvent les neurones secondaires du trijumeau ou des cellules réticulospinales. Les résultats de cette étude indiquent une influence significative des systèmes du trijumeau et du vestibulaire, mais pas de l'olfaction, sur le mouvement des membres antérieurs des opossums nouveau-nés.

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

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

Contrôle postural et intégration sensorielle chez l’enfant en santé, chez l’adolescent atteint du syndrome Gilles de la Tourette ainsi que chez l’adulte atteint de la maladie de Huntington

Le contrôle postural et la perception des limites de la stabilité sont des processus complexes qui nécessitent le traitement et l’intégration d’informations sensorielles multimodales. Pendant l’enfance, le développement de la stabilité posturale s’effectue de façon non-monotonique. Plusieurs auteurs ont suggéré que ce profil non linéaire serait provoqué par une période de recalibration des systèmes sensoriels. Cette phase, nommée période de transition, est observée vers l’âge de 6-7 ans. Nous disposons toutefois de très peu d’information sur le rôle spécifique des afférences et des mécanismes d’intégration sensorielle au cours du développement postural. Les dysfonctions dans les noyaux gris centraux, telles que ceux observés dans la maladie de Parkinson, ont été associées à divers déficits dans le contrôle de la posture, dans le traitement et l’intégration sensoriel plus particulièrement, au niveau des informations proprioceptives. De plus, les limites fonctionnelles de la stabilité posturale des personnes atteintes de la maladie de Parkinson sont significativement réduites. Cependant, les connaissances concernant comment certaines pathologies des noyaux gris centraux, telles que le syndrome Gilles de la Tourette (SGT) et la maladie de Huntington (MH) affectent la capacité d’utiliser les informations sensorielles pour contrôler la posture demeurent à ce jour, incomplètes. Cette thèse porte sur le rôle des noyaux gris centraux dans les processus de traitements et d’intégration sensorielle, particulièrement les afférences proprioceptives dans le contrôle de la posture au cours du développement de l’enfant en santé, atteint du SGT et chez l’adulte atteint de la MH avec et sans symptôme clinique. Notre protocole expérimental a été testé chez ces trois populations (enfants en santé, SGT et MH). Nous avons utilisé des mesures quantitatives à partir de données issues d’une plateforme de force afin d’évaluer les ajustements posturaux dans les limites de la stabilité posturale. Les participants devaient s’incliner le plus loin possible dans quatre différentes directions (avant, arrière, droite et gauche) et maintenir l’inclinaison posturale maximale pendant 10 secondes. Afin de tester la capacité à traiter et à intégrer les informations sensorielles, la tâche expérimentale a été exécutée dans trois conditions sensorielles : 1) yeux ouverts, 2) yeux fermés et 3) yeux fermés, debout sur une mousse. Ainsi, la contribution relative de la proprioception pour le contrôle postural augmente à travers les conditions sensorielles. Dans la première étude, nous avons évalué la capacité à traiter et à intégrer les informations sensorielles avant (4 ans) et après (8-10 ans) la période de transition comparativement aux adultes. Dans la deuxième et la troisième étude, nous avons également évalué le traitement et l’intégration des informations sensorielles chez les patients atteints de désordres des noyaux gris centraux. La deuxième étude portera spécifiquement sur les adolescents atteints du SGT et la troisième, sur la MH avant et après l’apparition des symptômes cliniques. En somme, les résultats de la première étude ont démontré que la performance des enfants est affectée de façon similaire par les différentes conditions sensorielles avant et après la période de transition. Toutefois, le profil de développement des mécanismes responsables des ajustements posturaux de l’axe antéropostérieur est plus précoce comparativement à ceux de l’axe médiolatéral. Ainsi, nos résultats ne supportent pas l’hypothèse de la période de recalibration des systèmes sensoriels pendant cette période ontogénétique mais suggèrent que la période de transition peut être expliquée par la maturation précoce des mécanismes d’ajustements posturaux dans l’axe antéropostérieur. Dans l’ensemble, les résultats de nos études chez les populations atteintes de désordres des noyaux gris centraux (MH et SGT) démontrent non seulement qu’ils ont des déficits posturaux mais également que les ajustements posturaux dans les deux axes sont affectés par les conditions sensorielles. Pour la première fois, nos études démontrent des déficits globaux de traitements et d’intégration sensorielle accentués pour les signaux proprioceptifs. Ces résultats sont similaires à ceux observés dans la maladie de Parkinson. De plus, les adolescents atteints du SGT éprouvent également des troubles posturaux marqués dans la condition visuelle ce qui suggère des déficits d’intégrations visuelles et/ou multimodaux.