Un oeil sur la langue : aspects neuro-cognitifs du processus de la navigation chez l'aveugle-né

La vision est un élément très important pour la navigation en général. Grâce à des mécanismes compensatoires les aveugles de naissance ne sont pas handicapés dans leurs compétences spatio-cognitives, ni dans la formation de nouvelles cartes spatiales. Malgré l’essor des études sur la plasticité du cerveau et la navigation chez les aveugles, les substrats neuronaux compensatoires pour la préservation de cette fonction demeurent incompris. Nous avons démontré récemment (article 1) en utilisant une technique d’analyse volumétrique (Voxel-Based Morphometry) que les aveugles de naissance (AN) montrent une diminution de la partie postérieure de l’hippocampe droit, structure cérébrale importante dans la formation de cartes spatiales. Comment les AN forment-ils des cartes cognitives de leur environnement avec un hippocampe postérieur droit qui est significativement réduit ? Pour répondre à cette question nous avons choisi d’exploiter un appareil de substitution sensorielle qui pourrait potentiellement servir à la navigation chez les AN. Cet appareil d’affichage lingual (Tongue display unit -TDU-) retransmet l’information graphique issue d’une caméra sur la langue. Avant de demander à nos sujets de naviguer à l’aide du TDU, il était nécessaire de nous assurer qu’ils pouvaient « voir » des objets dans l’environnement grâce au TDU. Nous avons donc tout d’abord évalué l’acuité « visuo »-tactile (article 2) des sujets AN pour les comparer aux performances des voyants ayant les yeux bandées et munis du TDU. Ensuite les sujets ont appris à négocier un chemin à travers un parcours parsemé d’obstacles i (article 3). Leur tâche consistait à pointer vers (détection), et contourner (négociation) un passage autour des obstacles. Nous avons démontré que les sujets aveugles de naissance non seulement arrivaient à accomplir cette tâche, mais encore avaient une performance meilleure que celle des voyants aux yeux bandés, et ce, malgré l’atrophie structurelle de l’hippocampe postérieur droit, et un système visuel atrophié (Ptito et al., 2008). Pour déterminer quels sont les corrélats neuronaux de la navigation, nous avons créé des routes virtuelles envoyées sur la langue par le biais du TDU que les sujets devaient reconnaitre alors qu’ils étaient dans un scanneur IRMf (article 4). Nous démontrons grâce à ces techniques que les aveugles utilisent un autre réseau cortical impliqué dans la mémoire topographique que les voyants quand ils suivent des routes virtuelles sur la langue. Nous avons mis l’emphase sur des réseaux neuronaux connectant les cortex pariétaux et frontaux au lobe occipital puisque ces réseaux sont renforcés chez les aveugles de naissance. Ces résultats démontrent aussi que la langue peut être utilisée comme une porte d’entrée vers le cerveau en y acheminant des informations sur l’environnement visuel du sujet, lui permettant ainsi d’élaborer des stratégies d’évitement d’obstacles et de se mouvoir adéquatement.

Stabilité instrumentale en neuro imagerie fonctionnelle et structurelle

Dans ce mémoire, nous décrivons le travail effectué pour étendre nos connaissances sur les sources d’instabilité instrumentales en imagerie de résonance magnétique, en particulier dans le domaine anatomique par une étude où cinq adultes ont été scannés quatre fois dans la même plate-forme IRM, deux fois avant et deux fois après une mise à niveau importante d’un scanner 3T de Siemens. Les volumes de l’hippocampe droit et gauche de chaque sujet ont été mesurés avec une segmentation manuelle. Nous avons analysé la fiabilité test-retest avant et après la mise à niveau du système d’IRM. Dans le domaine fonctionnel, cinq adultes ont été scannés quatre fois dans la même plate forme IRM deux fois avant et deux fois après la même mise à niveau du scanneur. Les acquisitions du signal BOLD sont faites dans deux différentes résolutions spatiales (2x2x2mm et 4x4x4mm) pour évaluer la sensibilité du signal BOLD sous conditions de haute et basse SNR. Une dernière étude fonctionnelle sur fantôme avait pour but d’étudier la stabilité de la machine pour les images fonctionnelles et détecter les sources de bruit de type machine. La séquence EPI (Echo Planar Imaging) d’écho de gradient à deux dimensions a été utilisée. Des analyses comme le pourcentage des fluctuations et l’analyse de Fourier des résidus ont également été réalisées. Nous résultats indiquent que les différences dans le matériel provenant d’une importante mise à niveau ne peuvent pas compromettre la validité des études structurelles et fonctionnelles faites à travers la mise à niveau du scanneur. Les acquisitions quotidiennes ont permis de suivre l’évolution de la stabilité et de détecter toute source de bruit qui peut détériorer la détection des activations dans les images fonctionnelles.

Caractérisation neuro-immunitaire d'un modèle d'encéphalomyélite auto-immune expérimentale spontanée

La sclérose en plaques est une maladie neuroinflammatoire idiopathique caractérisée par la formation de lésions focales de démyélinisation, qui apparaissent suite à l’infiltration périvasculaire de cellules immunitaires et à l’augmentation de la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique. L’encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE) est le modèle animal de cette maladie. Cependant, ce modèle présente des différences importantes avec la sclérose en plaques. L’objectif de ce projet de maîtrise était d’approfondir la caractérisation d’un nouveau modèle transgénique d’encéphalomyélite auto-immune expérimentale spontanée, le modèle TCR1640, afin de valider celui-ci pour l’étude des phénomènes physiopathologiques qui surviennent à différents stades de la sclérose en plaques, ainsi que pour le développement de nouveaux traitements de la maladie. La souris TCR1640 porte un récepteur des cellules T (TCR) transgénique autoréactif, qui reconnaît un peptide de la myéline et déclenche une réaction auto-immune contre la myéline endogène au sein du système nerveux central (SNC). Des observations faites in situ et in vitro ont permis d’identifier des changements qui surviennent de façon très précoce dans l’unité neurovasculaire chez les animaux TCR1640 présymptomatiques, et qui sont liés à la présence d’un profil immunitaire périphérique proinflammatoire. Lors des phases actives de l’EAE spontanée, les animaux TCR1640 au stade chronique présentent une inflammation accrue du système nerveux central associée à une infiltration leucocytaire massive, par rapport aux animaux au stade aigu de la maladie. Une étude in vivo a également permis de moduler la maladie développée par des animaux ayant subi une immunisation passive avec des cellules T auxiliaires en provenance de souris TCR1640. Enfin, l’implication de nouvelles molécules d’adhésion cellulaire dans le développement et le maintien de l’EAE spontanée a été suggérée par des observations in vitro. L’ensemble de ces résultats suggère que le modèle TCR1640 présente plusieurs avantages pour l’étude de la physiopathologie de maladies neuroinflammatoires telles que la sclérose en plaques, et servira d’outil afin de valider de nouvelles stratégies thérapeutiques.

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

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

Performance Improvement of Fuzzy and Neuro Fuzzy Systems: Prediction of Learning Disabilities in School-age Children

Learning Disability (LD) is a classification including several disorders in which a child has difficulty in learning in a typical manner, usually caused by an unknown factor or factors. LD affects about 15% of children enrolled in schools. The prediction of learning disability is a complicated task since the identification of LD from diverse features or signs is a complicated problem. There is no cure for learning disabilities and they are life-long. The problems of children with specific learning disabilities have been a cause of concern to parents and teachers for some time. The aim of this paper is to develop a new algorithm for imputing missing values and to determine the significance of the missing value imputation method and dimensionality reduction method in the performance of fuzzy and neuro fuzzy classifiers with specific emphasis on prediction of learning disabilities in school age children. In the basic assessment method for prediction of LD, checklists are generally used and the data cases thus collected fully depends on the mood of children and may have also contain redundant as well as missing values. Therefore, in this study, we are proposing a new algorithm, viz. the correlation based new algorithm for imputing the missing values and Principal Component Analysis (PCA) for reducing the irrelevant attributes. After the study, it is found that, the preprocessing methods applied by us improves the quality of data and thereby increases the accuracy of the classifiers. The system is implemented in Math works Software Mat Lab 7.10. The results obtained from this study have illustrated that the developed missing value imputation method is very good contribution in prediction system and is capable of improving the performance of a classifier.

Factores neuro-psicolingu??sticos y estrategias cognitivas implicadas en el aprendizaje de la lectura y programa de entrenamiento

Hacer una revisi??n de investigaciones directamente relacionadas con el tema propuesto. Demostrar emp??ricamente el peso relativo que poseen en el aprendizaje inicial de la lectura unos factores de naturaleza neuro-psicoling????stica, tradicionalmente considerados como madurativos, pero entendidos por los autores como competencias b??sicas para el aprendizaje. Demostrar experimentalmente la eficacia de un programa de entrenamiento, consistente en la aplicaci??n de una serie de tareas psicomotrices, psicoling????sticas y cognitivas, tendentes a modificar el ritmo de adquisici??n de tales competencias b??sicas en un grupo de ni??os de bajo nivel y, en consecuencia, a mejorar su aprendizaje de la lectura, mediante la puesta en pr??ctica de un modelo did??ctico propio. El universo de la investigaci??n hace referencia a ni??os entre 4 a??os y medio y 6 a??os, ubicados en ??ltimo curso de la ense??anza infantil, sin evidencia emp??rica de problema cerebral ni de retraso mental. La muestra real del primer dise??o la componen 348 ni??os de ambos sexos, de Zaragoza, Valladolid, Vigo y Baeza. La muestra del segundo dise??o fue la siguiente: se seleccionaron los 15 ni??os de puntuaciones m??s bajas de los 130 que formaban parte de la muestra de Zaragoza, para formar el grupo experimental. Los 15 ni??os del grupo de control fueron seleccionados en 5 aulas de Valladolid y Vigo: los 3 de cada una de esas aulas con puntuaciones m??s bajas en la bater??a diagn??stica aplicada. Estructura dividida en 3 partes. El n??cleo b??sico de las 2 primeras partes es una amplia revisi??n de investigaciones directamente relacionadas con la vasta y compleja problem??tica de los procesos de la pedagog??a del lenguaje escrito. En la parte tercera se presentan las bases t??cnico-pr??cticas de un modelo did??ctico propio, publicado hace unos cuantos a??os y actualizado para esta obra, como asimismo la validaci??n emp??rica y experimental de dicho modelo. Para llevar a cabo esa validaci??n el autor se ha valido predominantemente de una metodolog??a cuantitativa pero tambi??n se ha apoyado en datos cualitativos obtenidos a trav??s de un proceso de observaci??n sistem??tica. Muchas de las experiencias pedag??gicas que se autodenominan 'ense??anza temprana de la lectura' no son tales, pues dichos resultados demuestran que a los 4 a??os un ni??o normal est?? en condiciones de acceder al lenguaje escrito si se le facilitan los medios y se respetan los distintos momentos evolutivos. Es necesaria una investigaci??n m??s abundante acerca de las caracter??sticas de los textos empleados en la ense??anza de la lectura, tomando como referencia las distintas gram??ticas textuales, los modelos cognitivos del aprendizaje de la lectura y empleando pruebas de evaluaci??n de la comprensi??n lectora con suficiente validez de constructo y emp??rica, como as??mismo f??rmulas de lecturabilidad textual m??s complejas.

Food for thought: the role of dietary flavonoids in enhancing human memory, learning and neuro-cognitive performance

Emerging evidence suggests that dietary-derived flavonoids have the potential to improve human memory and neuro-cognitive performance via their ability to protect vulnerable neurons, enhance existing neuronal function and stimulate neuronal regeneration. Long-term potentiation (LTP) is widely considered to be one of the major mechanisms underlying memory acquisition, consolidation and storage in the brain and is known to be controlled at the molecular level by the activation of a number of neuronal signalling pathways. These pathways include the phosphatidylinositol-3 kinase/protein kinase B/Akt (Akt), protein kinase C, protein kinase A, Ca-calmodulin kinase and mitogen-activated protein kinase pathways. Growing evidence suggests that flavonoids exert effects on LTP, and consequently memory and cognitive performance, through their interactions with these signalling pathways. Of particular interest is the ability of flavonoids to activate the extracellular signal-regulated kinase and the Akt signalling pathways leading to the activation of the cAMP-response element-binding protein, a transcription factor responsible for increasing the expression of a number of neurotrophins important in LTP and long-term memory. One such neurotrophin is brain-derived neurotrophic factor, which is known to be crucial in controlling synapse growth, in promoting an increase in dendritic spine density and in enhancing synaptic receptor density. The present review explores the potential of flavonoids and their metabolite forms to promote memory and learning through their interactions with neuronal signalling pathways pivotal in controlling LTP and memory in human subjects.

Reach & grasp therapy: Design and control of a 9-DOF robotic neuro-rehabilitation system

This paper presents the Gentle/G integrated system for reach & grasp therapy retraining following brain injury. The design, control and integration of an experimental grasp assistance unit is described for use in robot assisted stroke rehabilitation. The grasp assist unit is intended to work with the hardware and software of the Gentle/S robot although the hardware could be adapted to other rehabilitation applications. When used with the Gentle/S robot a total of 6 active and 3 passive degrees of freedom are available to provide active, active assist or passive grasp retraining in combination with reaching movements in a reach-grasp-transfer-release sequence.

Design of a minimum variance multiple input-multiple output neuro self-tuning proportional-integral-derivative controller for non-linear dynamic systems

In this study a minimum variance neuro self-tuning proportional-integral-derivative (PID) controller is designed for complex multiple input-multiple output (MIMO) dynamic systems. An approximation model is constructed, which consists of two functional blocks. The first block uses a linear submodel to approximate dominant system dynamics around a selected number of operating points. The second block is used as an error agent, implemented by a neural network, to accommodate the inaccuracy possibly introduced by the linear submodel approximation, various complexities/uncertainties, and complicated coupling effects frequently exhibited in non-linear MIMO dynamic systems. With the proposed model structure, controller design of an MIMO plant with n inputs and n outputs could be, for example, decomposed into n independent single input-single output (SISO) subsystem designs. The effectiveness of the controller design procedure is initially verified through simulations of industrial examples.

A Gentle/S approach to robot assisted neuro-rehabilitation

Movement disorders (MD) include a group of neurological disorders that involve neuromotor systems. MD can result in several abnormalities ranging from an inability to move, to severe constant and excessive movements. Strokes are a leading cause of disability affecting largely the older people worldwide. Traditional treatments rely on the use of physiotherapy that is partially based on theories and also heavily reliant on the therapists training and past experience. The lack of evidence to prove that one treatment is more effective than any other makes the rehabilitation of stroke patients a difficult task. UL motor re-learning and recovery levels tend to improve with intensive physiotherapy delivery. The need for conclusive evidence supporting one method over the other and the need to stimulate the stroke patient clearly suggest that traditional methods lack high motivational content, as well as objective standardised analytical methods for evaluating a patient's performance and assessment of therapy effectiveness. Despite all the advances in machine mediated therapies, there is still a need to improve therapy tools. This chapter describes a new approach to robot assisted neuro-rehabilitation for upper limb rehabilitation. Gentle/S introduces a new approach on the integration of appropriate haptic technologies to high quality virtual environments, so as to deliver challenging and meaningful therapies to people with upper limb impairment in consequence of a stroke. The described approach can enhance traditional therapy tools, provide therapy "on demand" and can present accurate objective measurements of a patient's progression. Our recent studies suggest the use of tele-presence and VR-based systems can potentially motivate patients to exercise for longer periods of time. Two identical prototypes have undergone extended clinical trials in the UK and Ireland with a cohort of 30 stroke subjects. From the lessons learnt with the Gentle/S approach, it is clear also that high quality therapy devices of this nature have a role in future delivery of stroke rehabilitation, and machine mediated therapies should be available to patient and his/her clinical team from initial hospital admission, through to long term placement in the patient's home following hospital discharge.

Tanshinone IIB, a primary active constituent from Salvia miltiorrhza, exhibits neuro-protective activity in experimentally stroked rats

Tanshinone IIB (TSB) is a major active constituent of the root of Salvia miltiorrhiza (Danshen) used in the treatment of acute stroke. Danshen extracts and TSB have shown marked neuron-protective effects in mouse studies but there is a lack of clinical evidence for the neuron-protective effects of Danshen and its active ingredients. This study investigated the neuron-protective effects of TSB in experimentally stroked rats. TSB at 5 and 25 mg/kg by intraperitoneal injection significantly reduced the focal infarct volume, cerebral histological damage and apoptosis in rats subjected to middle cerebral artery occlusion (MCAO) compared to MCAO rats receiving vehicle. This study demonstrated that TSB was effective in reducing stroke-induced brain damage and may represent a novel drug candidate for further development. Further mechanistic studies are needed for the neuron-protective activity of TSB.

Fuzzy-neuro web-based multilingual knowledge management

This paper presents new methodology towards the automatic development of multilingual Web portal for multilingual knowledge discovery and management. It aims to provide an efficient and effective framework for selecting and organizing knowledge from voluminous linguistically diverse Web contents. To achieve this, a concept-based approach that incorporates text mining and Web content mining using neural network and fuzzy techniques is proposed. First, a concept-based taxonomy of themes, which will act as the hierarchical backbone of the Web portal, is automatically generated. Second, a concept-based multilingual Web crawler is developed to intelligently harvest relevant multilingual documents from the Web. Finally, a concept-based multilingual text categorization technique is proposed to organize multilingual documents by concepts. As such, correlated multilingual Web documents can be gathered/filtered/organised/ based on their semantic content to facilitate high-performance multilingual information access.