Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Activité physique et récompense : impact de la leptine et de la signalisation STAT3 dans les neurones dopaminergiques

La course d’endurance active le système de récompense (SR) et est reliée aux comportements de recherche alimentaire. L’influence de la leptine sur l’activité physique (AP) volontaire est bien documentée d’un point de vue physiologique, mais très peu en termes d’impact hédonique. La leptine inhibe l’effet récompensant lié à la consommation de nourriture et joue un rôle semblable pour d’autres types de stimuli. La leptine s’arrime à la forme longue du récepteur à la leptine (Leprb) situé sur les neurones à dopamine (DA) et GABA de l’aire tegmentale ventrale (ATV) dans le mésencéphale. Signal transducer and Activator of Transcription 3 (STAT3) est un facteur de transcription important de la cascade de signalisation de la leptine. La phosphorylation de STAT3 n’est détectée que dans une parcelle des neurones DA positifs pour le Leprb, conférant aux neurones DA STAT3-spécifiques des caractéristiques uniques. Nous avons généré un modèle murin invalidé pour STAT3 sélectivement dans les neurones DA (STAT3DAT-KO). La première expérience consistait à évaluer les paramètres métaboliques de base de notre modèle en utilisant les chambres métaboliques Comprehensive Lab Animal Monitoring System (CLAMS), incluant l’activité ambulatoire, le ratio d’échanges respiratoires (RER) et la production de chaleur. Les STAT3DAT-KO sont hyperactives, démontré par une activité locomotrice augmentée, mais aucune variation entre les deux groupes n’est observée pour le RER et la production de chaleur, en plus d’un gain de poids identique. Une stratégie de récupération ciblant la réinsertion de STAT3 dans les neurones DA du système mésolimbique normalise l’AP anciennement plus élevée des STAT3DAT-KO à celle des contrôles, suivant l’accès libre à une roue d’exercice (RE) pour une durée de 4 semaines, suivant l’accès libre à une roue d’exercice (RE) pour une durée de 4 semaines. L’injection d’un psychostimulant (agoniste du récepteur DA de type 1 (D1R), le Chloro-APB-Hydrobromide (SKF 82958)) reflète une fonction dopaminergique réduite chez les STAT3DAT-KO. Un test de recherche compulsive de nourriture révèle une suppression de la prise alimentaire chez les deux groupes expérimentaux. Nous démontrons pour la première fois que la motivation alliée à la course d’endurance, indépendamment de la régulation de la prise alimentaire par la leptine, est dépendant d’une signalisation leptine-STAT3 amoindrie dans les neurones DA du système mésolimbique, révélant STAT3 comme élément clé dans la régulation du tonus dopaminergique et des propriétés récompensantes de l’AP.

Activité physique et récompense : impact de la leptine et de la signalisation STAT3 dans les neurones dopaminergiques

La course d’endurance active le système de récompense (SR) et est reliée aux comportements de recherche alimentaire. L’influence de la leptine sur l’activité physique (AP) volontaire est bien documentée d’un point de vue physiologique, mais très peu en termes d’impact hédonique. La leptine inhibe l’effet récompensant lié à la consommation de nourriture et joue un rôle semblable pour d’autres types de stimuli. La leptine s’arrime à la forme longue du récepteur à la leptine (Leprb) situé sur les neurones à dopamine (DA) et GABA de l’aire tegmentale ventrale (ATV) dans le mésencéphale. Signal transducer and Activator of Transcription 3 (STAT3) est un facteur de transcription important de la cascade de signalisation de la leptine. La phosphorylation de STAT3 n’est détectée que dans une parcelle des neurones DA positifs pour le Leprb, conférant aux neurones DA STAT3-spécifiques des caractéristiques uniques. Nous avons généré un modèle murin invalidé pour STAT3 sélectivement dans les neurones DA (STAT3DAT-KO). La première expérience consistait à évaluer les paramètres métaboliques de base de notre modèle en utilisant les chambres métaboliques Comprehensive Lab Animal Monitoring System (CLAMS), incluant l’activité ambulatoire, le ratio d’échanges respiratoires (RER) et la production de chaleur. Les STAT3DAT-KO sont hyperactives, démontré par une activité locomotrice augmentée, mais aucune variation entre les deux groupes n’est observée pour le RER et la production de chaleur, en plus d’un gain de poids identique. Une stratégie de récupération ciblant la réinsertion de STAT3 dans les neurones DA du système mésolimbique normalise l’AP anciennement plus élevée des STAT3DAT-KO à celle des contrôles, suivant l’accès libre à une roue d’exercice (RE) pour une durée de 4 semaines, suivant l’accès libre à une roue d’exercice (RE) pour une durée de 4 semaines. L’injection d’un psychostimulant (agoniste du récepteur DA de type 1 (D1R), le Chloro-APB-Hydrobromide (SKF 82958)) reflète une fonction dopaminergique réduite chez les STAT3DAT-KO. Un test de recherche compulsive de nourriture révèle une suppression de la prise alimentaire chez les deux groupes expérimentaux. Nous démontrons pour la première fois que la motivation alliée à la course d’endurance, indépendamment de la régulation de la prise alimentaire par la leptine, est dépendant d’une signalisation leptine-STAT3 amoindrie dans les neurones DA du système mésolimbique, révélant STAT3 comme élément clé dans la régulation du tonus dopaminergique et des propriétés récompensantes de l’AP.

TRAVELLING THROUGH PITCH SPACE SPEEDS UP MUSICAL TIME

SEVERAL MODELS OF TIME ESTIMATION HAVE BEEN developed in psychology; a few have been applied to music. In the present study, we assess the influence of the distances travelled through pitch space on retrospective time estimation. Participants listened to an isochronous chord sequence of 20-s duration. They were unexpectedly asked to reproduce the time interval of the sequence. The harmonic structure of the stimulus was manipulated so that the sequence either remained in the same key (CC) or travelled through a closely related key (CFC) or distant key (CGbC). Estimated times were shortened when the sequence modulated to a very distant key. This finding is discussed in light of Lerdahl's Tonal Pitch Space Theory (2001), Firmino and Bueno's Expected Development Fraction Model (in press), and models of time estimation.

LEARNING A COMPLEX MOTOR SKILL FROM VIDEO AND POINT-LIGHT DEMONSTRATIONS

The aim of this Study was to compare the learning process of a highly complex ballet skill following demonstrations of point light and video models 16 participants divided into point light and video groups (ns = 8) performed 160 trials of a pirouette equally distributed in blocks of 20 trials alternating periods of demonstration and practice with a retention test a day later Measures of head and trunk oscillation coordination d1 parity from the model and movement time difference showed similarities between video and point light groups ballet experts evaluations indicated superiority of performance in the video over the point light group Results are discussed in terms of the task requirements of dissociation between head and trunk rotations focusing on the hypothesis of sufficiency and higher relevance of information contained in biological motion models applied to learning of complex motor skills

Coordination dynamics and attentional costs of continuous and discontinuous bimanual circle drawing movements

It has been suggested that the temporal control of rhythmic unimianual movements is different between tasks requiring continuous (e.g., circle drawing) and discontinuous movements (e.g., finger tapping). Specifically, for continuous movements temporal regularities are ail emergent property, whereas for tasks that involve discontinuities timing is ail explicit part of the action goal. The present experiment further investigated the control of continuous and discontinuous movements by comparing the coordination dynamics and attentional demands of bimanual continuous circle drawing with bimanual intermittent circle drawing. The intermittent task required participants to insert a 400 ms pause between each cycle while circling. Using dual-task methodology, 15 right-handed participants performed the two circle drawing tasks, while vocally responding to randomly presented auditory probes. The circle drawing tasks were performed in symmetrical and asymmetrical coordination modes and at movement frequencies of 1 Hz and 1.7 Hz. Intermittent circle drawing exhibited superior spatial and temporal accuracy and stability than continuous circle drawing supporting the hypothesis that the two tasks have different underlying control processes. In terms of attentional cost, probe RT was significantly slower during the intermittent circle drawing task than the continuous circle drawing task across both coordination modes and movement frequencies. Of interest was the finding that in the intermittent circling task reaction time (RT) to probes presented during the pause between cycles did not differ from the RT to probes occurring during the circling movement. The differences in attentional demands between the intermittent and continuous circle drawing tasks may reflect the operation of explicit event timing and implicit emergent timing processes, respectively. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Anticipatory and compensatory postural adjustments in sitting in children with cerebral palsy

The aim of this study was to examine postural control in children with cerebral palsy performing a bilateral shoulder flexion to grasp a ball from a sitting posture. The participants were 12 typically developing children (control) without cerebral palsy and 12 children with cerebral palsy (CP). We analyzed the effect of ball mass (1 kg and 0.18 kg), postural adjustment (anticipatory, APA, and compensatory, CPA), and groups (control and CP) on the electrical activity of shoulder and trunk muscles with surface electromyography (EMG). Greater mean iEMG was seen in CPA, with heavy ball, and for posterior trunk muscles (p < .05). The children with CP presented the highest EMG and level of co-activation (p < .05). Linear regression indicated a positive relationship between EMG and aging for the control group, whereas that relationship was negative for participants with CP. We suggest that the main postural control strategy in children is based on corrections after the beginning of the movement. The linear relationship between EMG and aging suggests that postural control development is affected by central nervous disease which may lead to an increase in muscle co-activation. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effects of joint immobilization on standing balance

We investigated the effect of joint immobilization on the postural sway during quiet standing. We hypothesized that the center of pressure (COP), rambling, and trembling trajectories would be affected by joint immobilization. Ten young adults stood on a force plate during 60 s without and with immobilized joints (only knees constrained, CK; knees and hips, CH; and knees, hips, and trunk, CT). with their eyes open (OE) or closed (CE). The root mean square deviation (RMS, the standard deviation from the mean) and mean speed of COP, rambling, and trembling trajectories in the anterior-posterior and medial-lateral directions were analyzed. Similar effects of vision were observed for both directions: larger amplitudes for all variables were observed in the CE condition. In the anterior-posterior direction, postural sway increased only when the knees, hips, and trunk were immobilized. For the medial-lateral direction, the RMS and the mean speed of the COP, rambling, and trembling displacements decreased after immobilization of knees and hips and knees, hips, and trunk. These findings indicate that the single inverted pendulum model is unable to completely explain the processes involved in the control of the quiet upright stance in the anterior-posterior and medial-lateral directions. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

PKC beta II inhibition attenuates myocardial infarction induced heart failure and is associated with a reduction of fibrosis and pro-inflammatory responses

Protein kinase C beta II (PKC beta II) levels increase in the myocardium of patients with end-stage heart failure (HF). Also targeted overexpression of PKC beta II in the myocardium of mice leads to dilated cardiomyopathy associated with inflammation, fibrosis and myocardial dysfunction. These reports suggest a deleterious role of PKC beta II in HF development. Using a post-myocardial infarction (MI) model of HF in rats, we determined the benefit of chronic inhibition of PKC beta II on the progression of HF over a period of 6 weeks after the onset of symptoms and the cellular basis for these effects. Four weeks after MI, rats with HF signs that were treated for 6 weeks with the PKC beta II selective inhibitor (beta IIV5-3 conjugated to TAT(47-57) carrier peptide) (3 mg/kg/day) showed improved fractional shortening (from 21% to 35%) compared to control (TAT(47-57) carrier peptide alone). Formalin-fixed mid-ventricle tissue sections stained with picrosirius red, haematoxylin and eosin and toluidine blue dyes exhibited a 150% decrease in collagen deposition, a two-fold decrease in inflammation and a 30% reduction in mast cell degranulation, respectively, in rat hearts treated with the selective PKC beta II inhibitor. Further, a 90% decrease in active TGF beta 1 and a significant reduction in SMAD2/3 phosphorylation indicated that the selective inhibition of PKC beta II attenuates cardiac remodelling mediated by the TGF-SMAD signalling pathway. Therefore, sustained selective inhibition of PKC beta II in a post-MI HF rat model improves cardiac function and is associated with inhibition of pathological myocardial remodelling.

The influence of peripheral afferent signals on the rating of perceived exertion and time to exhaustion during exercise at different intensities

This study determined which peripheral variables would better predict the rating of perceived exertion (RPE) and time to exhaustion (TE) during exercise at different intensities. Ten men performed exercises at first lactate threshold (LT1), second lactate threshold (LT2), 50% of the distance from LT1 to LT2 (TT(50%)), and 25% of the distance from LT2 to maximal power output (TW(25%)). Lactate, catecholamines, potassium, pH, glucose, (V) over dotO(2), VE, HR, respiratory rate (RR) and RPE were measured and plotted against the exercise duration for the slope calculation. Glucose, dopamine, and noradrenaline predicted RPE in TT(50%) (88%), LT2 (64%), and TW(25%) (77%), but no variable predicted RPE in LT1. RPE (55%), RPE+HR (86%), and RPE+RR (92% and 55%) predicted TE in LT1, TT(50%), LT2, and TW(25%), respectively. At intensities from TT(50%) to TW(25%), variables associated with brain activity seem to explain most of the RPE slope, and RPE (+HR and+RR) seems to predict the TE.

Effect of a kickboxing match on salivary cortisol and immunoglobulin A

The hypothesis that salivary cortisol would increase and salivary immunoglobulin A (IgA) decrease after a kickboxing match was tested among 20 male athletes. Saliva samples collected before and after the match were analyzed. Salivary cortisol and salivary IgA concentrations (absolute concentration, salivary IgAabs) and the secretion rate of IgA (salivary IgArate) were measured by enzyme-linked immunosorbent assay. A Wilcoxon test for paired samples showed significant increases in salivary cortisol from pre- to postmatch. No significant changes were observed in salivary IgAabs or secretory IgArate and saliva flow rate. This study indicates that a kickboxing match might increase salivary concentration and thereafter it could be considered a significant source of exercise-related stress. On the other hand, the effect of a kickboxing match on mucosal immunity seems not to be relevant.

Tracking 10-year competitive winning performance of judo athletes across age groups

Little information is available concerning early specialization and competitive success in judo across the early training years. Thus, the present objective was to verify the stability of individual competitive performance of a state-level championship for judo athletes who had been previously successful. For this, 406 athletes from six age groups (9 to 20+ years old) of each sex were followed for 10 years. Using recorded data from the Sao Paulo State Judo Federation beginning in 1999, the scores and standings for these judo players were analyzed. The proportion of medal winners during this period was not constant, differing from the grand mean in all groups of both 204 males and 202 females. At the end of this period, only 7% of the male and 5% of the female athletes had maintained their competitive levels. Successful competitive performance in early judo competition was not associated with success later in adulthood.

Anthropometric characteristics and motor skills in talent selection and development in indoor soccer

Kick performance, anthropometric characteristics, slalom, and linear running were assessed in 49 (24 elite, 25 nonelite) postpubertal indoor soccer players in order to (a) verify whether anthropometric characteristics and physical and technical capacities can distinguish players of different competitive levels, (b) compare the kicking kinematics of these groups, with and without a defined target, and (c) compare results on the assessments and coaches` subjective rankings of the players. Thigh circumference and specific technical capacities differentiated the players by level of play; cluster analysis correctly classified 77.5% of the players. The correlation between players` standardized measures and the coaches` rankings was 0.29. Anthropometric characteristics and physical capacities do not necessarily differentiate players at post-pubertal stages and should not be overvalued during early development. Considering the coaches` rankings, performance measures outside the specific game conditions may not be useful in identification of talented players.

Construct and concurrent validation of omni-kayak rating of perceived exertion scale

This study tested the concurrent and construct validity of a newly developed OMNI-Kayak Scale, testing 8 male kayakers who performed a flatwater load-incremented ""shuttle"" test over a 500-m course and 3 estimation-production trials over a 1,000-m course. Velocity, blood lactate concentration, heart rate, and rating of perceived exertion (RPE), using the OMNI-Kayak RPE Scale and the Borg 6-20 Scale were recorded. OMNI-Kayak Scale RPE was highly correlated with velocity, the Borg 6-20 Scale RPE, blood lactate, and heart rate for both load-incremented test (rs=.87-.96), and estimation trials (rs=.75-.90). There were no significant differences among velocities, heart rate and blood lactate concentration between estimation and production trials. The OMNI-Kayak RPE Scale showed concurrent and construct validity in assessing perception of effort in flatwater kayaking and is a valid tool for self-regulation of exercise intensity.

A review of time-motion analysis and combat development in mixed martial arts matches at regional level tournaments

Mixed martial arts (MMA) have become a fast-growing worldwide expansion of martial arts competition, requiring high level of skill, physical conditioning, and strategy, and involving a synthesis of combat while standing or on the ground. This study quantified the effort-pause ratio (EP), and classified effort segments of stand-up or groundwork development to identify the number of actions performed per round in MMA matches. 52 MMA athletes participated in the study (M age = 24 yr., SD = 5; average experience in MMA = 5 yr., SD = 3). A one-way analysis of variance with repeated measurements was conducted to compare the type of action across the rounds. A chi-squared test was applied across the percentages to compare proportions of different events. Only one significant difference (p < .05) was observed among rounds: time in groundwork of low intensity was longer in the second compared to the third round. When the interval between rounds was not considered, the EP ratio (between high-intensity effort to low-intensity effort plus pauses) WE S 1:2 to 1:4. This ratio is between ratios typical for judo, wrestling, karate, and taekwondo and reflects the combination of ground and standup techniques. Most of the matches ended in the third round, involving high-intensity actions, predominantly executed during groundwork combat.