Moving with Beats and Loops: The Structure of Auditory Events and Sensorimotor Timing

Traditionally, audio-motor timing processes have been understood as motor output from an internal clock, the speed of which is set by heard sound pulses. In contrast, this paper proposes a more ecologically-grounded approach, arguing that audio-motor processes are better characterized as performed actions on the perceived structure of auditory events. This position is explored in the context of auditory sensorimotor synchronization and continuation timing. Empirical research shows that the structure of sounds as auditory events can lead to marked differences in movement timing performance. The nature of these effects is discussed in the context of perceived action-relevance of auditory event structure. It is proposed that different forms of sound invite or support different patterns of sensorimotor timing. Hence, the temporal information in looped auditory signals is more than just the interval durations between onsets: all metronomes are not created equal. The potential implications for auditory guides in motor performance enhancement are also described.

Parkinson’s Is Time on Your Side? Evidence for Difficulties with Sensorimotor Synchronization

There is lack of consistent evidence as to how well PD patients are able to accurately time their movements across space with an external acoustic signal. For years, research based on the finger-tapping paradigm, the most popular paradigm for exploring the brain's ability to time movement, has provided strong evidence that patients are not able to accurately reproduce an isochronous interval [i.e., Ref. (1)]. This was undermined by Spencer and Ivry (2) who suggested a specific deficit in temporal control linked to emergent, rhythmical movement not event-based actions, which primarily involve the cerebellum. In this study, we investigated motor timing of seven idiopathic PD participants in event-based sensorimotor synchronization task. Participants were asked to move their finger horizontally between two predefined target zones to synchronize with the occurrence of two sound events at two time intervals (1.5 and 2.5 s). The width of the targets and the distance between them were manipulated to investigate impact of accuracy demands and movement amplitude on timing performance. The results showed that participants with PD demonstrated specific difficulties when trying to accurately synchronize their movements to a beat. The extent to which their ability to synchronize movement was compromised was found to be related to the severity of PD, but independent of the spatial constraints of the task.

The effectiveness of a multisensory writing program in improving cursive writing ability in children with sensorimotor difficulties

It is estimated that five to ten percent of children experience sensory motor difficulties that result in various learnlng disabilitiies , among them. inabllity to output Information on paper in the appropriate manner (Ayres ,1985). The relationship between sensorimotorabillty and handwriting is well documented in the literature (Freeman,1917; Townsend , 1951; Nlkola-Ll sa, 1987). While much of the literature is inconclusive, there are findings to suggest that muitisensory handwriting programmes are an effective approach to improvlng writing abIlity in these chlldren. For a number of years, Occupational Therapists have been involved in the remediation of handwriting utllizing , amongst other approaches . multisensory programmes. While subjective assessments of effectiveness have been extremerly positive. scientIfic evaluation has been minimal . If further intervention in this area is to occur, it Is essential that the profession be able to justify the existence of such programmes . The purpose of this study was to examine what effects a multlsensory writing prog~am would have on the curslve writing ability of chlldren with sensorimotor dlfficulties. A single case with multiple baselines across be havlours design was used , with the behavlours being cursive writing abilIty of fIve distInct letter groups. The fIve groups were taught in random order, one group every two weeks , In a one-hour session. Repeated measurements of writing speed and qualIty for each letter group were made. This design was repeated over three other cases . Results of the study yielded statistical signifi cance in trend changes In specIfic letter groups for all of the chlldren following interventlon. One child achieved statistical significance In the overall change In quality , while none of the children achieved overall statistical significance In speed score changes . Teacher reports and an assessment of written language prior to and following the program suggest that Intervention may have had a positive effect on self-confidence in written output, and on the maturlty of written expression in some of the cases . Further research in this field is needed to validate the continual use of multisensory writing programmes by Occupational Theraplsts worklng with this specific population and to provide some directlon with regards to the Integration of multlsensory writing programmes within the regular academic remedial programme .

Données nouvelles sur l’innervation à dopamine du striatum et son co-phénotype glutamatergique

Une sous-population des neurones à dopamine (DA) du mésencéphale ventral du rat et de la souris étant connue pour exprimer l'ARN messager du transporteur vésiculaire 2 du glutamate (VGLUT2), nous avons eu recours à l'immunocytochimie en microscopie électronique, après simple ou double marquage de l'enzyme de synthèse tyrosine hydroxylase (TH) et de VGLUT2, pour déterminer la présence de l'une et/ou l'autre protéine dans les terminaisons (varicosités) axonales de ces neurones et caractériser leur morphologie ultrastructurale dans diverses conditions expérimentales. Dans un premier temps, des rats jeunes (P15) ou adultes (P90), ainsi que des rats des deux âges soumis à l'administration intraventriculaire cérébrale de la cytotoxine 6-hydroxydopamine (6-OHDA) dans les jours suivant la naissance, ont été examinés, afin d'étayer l'hypothèse d'un rôle de VGLUT2 au sein des neurones DA, au cours du développement normal ou pathologique de ces neurones. Chez le jeune rat, ces études ont montré: i) la présence de VGLUT2 dans une fraction importante des varicosités axonales TH immunoréactives du coeur du noyau accumbens ainsi que du néostriatum; ii) une augmentation de la proportion de ces terminaisons doublement marquées dans le noyau accumbens par suite de la lésion 6-OHDA néonatale; iii) le double marquage fréquent des varicosités axonales appartenant à l'innervation DA aberrante (néoinnervation), qui se développe dans la substance noire, par suite de la lésion 6-OHDA néonatale. Des différences significatives ont aussi été notées quant à la dimension des terminaisons axonales marquées pour la TH seulement, VGLUT2 seulement ou TH et VGLUT2. Enfin, à cet âge (P15), toutes les terminaisons doublement marquées sont apparues dotées d'une spécialisation membranaire synaptique, contrairement aux terminaisons marquées pour la TH ou pour VGLUT2 seulement. Dans un deuxième temps, nous avons voulu déterminer le devenir du double phénotype chez le rat adulte (P90) soumis ou non à la lésion 6-OHDA néonatale. Contrairement aux observations recueillies chez le jeune rat, nous avons alors constaté: i) l'absence complète de terminaisons doublement marquées dans le coeur du noyau accumbens et le néostriatum d'animaux intacts, de même que dans les restes de la substance noire des animaux 6-OHDA lésés; ii) une très forte baisse de leurnombre dans le coeur du noyau accumbens des animaux 6-OHDA lésés. Ces observations, suggérant une régression du double phénotype TH/VGLUT2 avec l'âge, sont venues renforcer l'hypothèse d'un rôle particulier d'une co-libération de glutamate par les neurones mésencéphaliques DA au cours du développement. Dans ces conditions, il est apparu des plus intéressants d'examiner l'innervation DA méso-striatale chez deux lignées de souris dont le gène Vglut2 avait été sélectivement invalidé dans les neurones DA du cerveau, ainsi que leurs témoins et des souris sauvages. D'autant que malgré l'utilisation croissante de la souris en neurobiologie, cette innervation DA n'avait jamais fait l'objet d’une caractérisation systématique en microscopie électronique. En raison de possibles différences entre le coeur et la coque du noyau accumbens, l'étude a donc porté sur les deux parties de ce noyau ainsi que le néostriatum et des souris jeunes (P15) et adultes (P70-90) de chaque lignée, préparées pour l'immunocytochimie de la TH, mais aussi pour le double marquage TH et VGLUT2, selon le protocole précédemment utilisé chez le rat. Les résultats ont surpris. Aux deux âges et quel que soit le génotype, les terminaisons axonales TH immunoréactives des trois régions sont apparues comparables quant à leur taille, leur contenu vésiculaire, le pourcentage contenant une mitochondrie et une très faible incidence synaptique (5% des varicosités, en moyenne). Ainsi, chez la souris, la régression du double phénotype pourrait être encore plus précoce que chez le rat, à moins que les deux protéines ne soient très tôt ségréguées dans des varicosités axonales distinctes des mêmes neurones DA. Ces données renforcent aussi l’hypothèse d’une transmission diffuse (volumique) et d’un niveau ambiant de DA comme élément déterminant du fonctionnement du système mésostriatal DA chez la souris comme chez le rat.

Étude du système dopaminergique pré- et postsynaptique : régulation de l'autorécepteur D2 par la neurotensine et formation des synapses excitatrices dans le striatum

La dopamine (DA) est un neurotransmetteur impliqué dans la modulation de fonctions essentielles du cerveau telles que le contrôle des mouvements volontaires, le système de récompense et certains aspects de la cognition. Depuis sa découverte, la DA a attiré énormément d'attention scientifique en partie à cause des pathologies majeures associées aux dysfonctions du système DAergique, comme la maladie de Parkinson, la schizophrénie et la toxicomanie. On retrouve la majorité des neurones qui synthétisent la DA au niveau du mésencéphale ventral, dans les noyaux de la substance noire compacte (SNc) et de l'aire tegmentaire ventrale (ATV). Ces neurones projettent leurs axones dans un très dense réseau de fibres qui s'organisent en trois voies DAergiques classiques: la voie nigrostriée, la voie mésolimbique et la voie mésocorticale. La transmission DAergique s'effectue par l'activation de récepteurs de la DA qui font partie de la grande famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs). Les récepteurs de la DA sont abondamment exprimés aussi bien par les neurones DAergiques que par les neurones des régions cibles, ce qui implique que la compréhension de la signalisation et des fonctions particulières des récepteurs de la DA pré- et postsynaptiques représente un enjeu crucial dans l'étude du système DAergique. Cette thèse de doctorat se sépare donc en deux volets distincts: le premier s'intéresse à la régulation du récepteur D2 présynaptique par la neurotensine (NT), un neuropeptide intimement lié à la modulation du système DAergique; le deuxième s'intéresse au côté postsynaptique du système DAergique, plus particulièrement à la ségrégation de l'expression des récepteurs de la DA dans le striatum et aux fonctions de ces récepteurs dans l'établissement des circuits neuronaux excitateurs prenant place dans cette région. Dans la première partie de cette thèse, nous démontrons que l'activation du récepteur à haute affinité de la NT, le NTR1, provoque une internalisation hétérologue du récepteur D2, avec une amplitude et une cinétique différente selon l'isoforme D2 observé. Cette internalisation hétérologue dépend de la protéine kinase C (PKC), et nous montrons que la surexpression d'un récepteur D2 muté sur des sites de phosphorylation par la PKC ii ainsi que l'inhibition de l'expression de β-arrestine1 par ARNs interférents dans des neurones DAergiques bloquent complètement l'interaction fonctionnelle entre le NTR1 et le D2. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous démontrons d'abord que la ségrégation de l'expression des récepteurs D1 et D2 dans le striatum est déjà bien établie dès le 18e jour embryonnaire, bien qu'elle progresse encore significativement aux jours 0 et 14 postnataux. Nos résultats témoignent aussi d'un maintien complet de cette ségrégation lorsque les neurones striataux sont mis en culture aussi bien en présence ou en absence de neurones corticaux et/ou mésencéphaliques. Ensuite, nous montrons que la présence de neurones mésencéphaliques stimule la formation d’épines et de synapses excitatrices sur les neurones striataux épineux exprimant le récepteur D2 (MSN-D2). Le co-phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques semble nécessaire à une grande partie de cet effet. Par ailleurs, le nombre total de terminaisons excitatrices formées sur les MSN-D2 par les neurones corticaux et mésencéphaliques apparaît être régit par un équilibre dynamique. Finalement, nous démontrons que le blocage de la signalisation des récepteurs D1 et D2 de la DA n'est pas nécessaire pour la formation des synapses excitatrices des MSN-D2, alors que l'antagonisme des récepteurs glutamatergiques ionotropes diminue la densité d'épines dendritiques et contrôle de façon opposée le nombre de terminaisons excitatrices corticales et mésencéphaliques. Globalement, ce travail représente une contribution significative pour une meilleure compréhension du fonctionnement normal du système DAergique. Ces découvertes sont susceptibles d’être utiles pour mieux comprendre les dysfonctions de ce système dans le cadre de pathologies du cerveau comme la maladie de Parkinson.

Enhanced dopamine D2 receptor function in hypothalamus and corpus striatum: their role in liver, plasma and in vitro hepatocyte ALDH regulation in ethahol treated rats

Dopamine D2 receptors are involved in ethanol self- administration behavior and also suggested to mediate the onset and offset of ethanol drinking. In the present study, we investigated dopamine (DA) content and Dopamine D2 (DA D2) receptors in the hypothalamus and corpus striatum of ethanol treated rats and aldehyde dehydrogenase (ALDH) activity in the liver and plasma of ethanol treated rats and in vitro hepatocyte cultures. Hypothalamic and corpus striatal DA content decreased significantly (P\0.05, P\0.001 respectively) and homovanillic acid/ dopamine (HVA/DA) ratio increased significantly (P\0.001) in ethanol treated rats when compared to control. Scatchard analysis of [3H] YM-09151-2 binding to DA D2 receptors in hypothalamus showed a significant increase (P\0.001) in Bmax without any change in Kd in ethanol treated rats compared to control. The Kd of DA D2 receptors significantly decreased (P\0.05) in the corpus striatum of ethanol treated rats when compared to control. DA D2 receptor affinity in the hypothalamus and corpus striatum of control and ethanol treated rats fitted to a single site model with unity as Hill slope value. The in vitro studies on hepatocyte cultures showed that 10-5 M and 10-7 M DA can reverse the increased ALDH activity in 10% ethanol treated cells to near control level. Sulpiride, an antagonist of DA D2, reversed the effect of dopamine on 10% ethanol induced ALDH activity in hepatocytes. Our results showed a decreased dopamine concentration with enhanced DA D2 receptors in the hypothalamus and corpus striatum of ethanol treated rats. Also, increased ALDH was observed in the plasma and liver of ethanol treated rats and in vitro hepatocyte cultures with 10% ethanol as a compensatory mechanism for increased aldehyde production due to increased dopamine metabolism. A decrease in dopamine concentration in major brain regions is coupled with an increase in ALDH activity in liver and plasma, which contributes to the tendency for alcoholism. Since the administration of 10-5 M and 10-7 M DA can reverse the increased ALDH activity in ethanol treated cells to near control level, this has therapeutic application to correct ethanol addicts from addiction due to allergic reaction observed in aldehyde accumulation.

Perceiving time to collision activates the sensorimotor cortex

The survival of many animals hinges upon their ability to avoid collisions with other animals or objects or to precisely control the timing of collisions. Optical expansion provides a compelling impression of object approach and in principle can provide the basis for judgments of time to collision (TTC) [1]. It has been demonstrated that pigeons [2] and houseflies [3] have neural systems that can initiate rapid coordinated actions on the basis of optical expansion. In the case of humans, the linkage between judgments of TTC and coordinated action has not been established at a cortical level. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), we identified superior-parietal and motor-cortex areas that are selectively active during perceptual TTC judgments, some of which are normally involved in producing reach-to-grasp responses. These activations could not be attributed to actual movement of participants. We demonstrate that networks involved in the computational problem of extracting TTC from expansion information have close correspondence with the sensorimotor systems that would be involved in preparing a timed motor response, such as catching a ball or avoiding collision.

Acquisition of automatic imitation is sensitive to sensorimotor contingency

The associative sequence learning model proposes that the development of the mirror system depends on the same mechanisms of associative learning that mediate Pavlovian and instrumental conditioning. To test this model, two experiments used the reduction of automatic imitation through incompatible sensorimotor training to assess whether mirror system plasticity is sensitive to contingency (i.e., the extent to which activation of one representation predicts activation of another). In Experiment 1, residual automatic imitation was measured following incompatible training in which the action stimulus was a perfect predictor of the response (contingent) or not at all predictive of the response (noncontingent). A contingency effect was observed: There was less automatic imitation indicative of more learning in the contingent group. Experiment 2 replicated this contingency effect and showed that, as predicted by associative learning theory, it can be abolished by signaling trials in which the response occurs in the absence of an action stimulus. These findings support the view that mirror system development depends on associative learning and indicate that this learning is not purely Hebbian. If this is correct, associative learning theory could be used to explain, predict, and intervene in mirror system development.

Sensorimotor experience enhances automatic imitation of robotic action

Recent research in cognitive neuroscience has found that observation of human actions activates the ‘mirror system’ and provokes automatic imitation to a greater extent than observation of non-biological movements. The present study investigated whether this human bias depends primarily on phylogenetic or ontogenetic factors by examining the effects of sensorimotor experience on automatic imitation of non-biological robotic, stimuli. Automatic imitation of human and robotic action stimuli was assessed before and after training. During these test sessions, participants were required to execute a pre-specified response (e.g. to open their hand) while observing a human or robotic hand making a compatible (opening) or incompatible (closing) movement. During training, participants executed opening and closing hand actions while observing compatible (group CT) or incompatible movements (group IT) of a robotic hand. Compatible, but not incompatible, training increased automatic imitation of robotic stimuli (speed of responding on compatible trials, compared with incompatible trials) and abolished the human bias observed at pre-test. These findings suggest that the development of the mirror system depends on sensorimotor experience, and that, in our species, it is biased in favour of human action stimuli because these are more abundant than non-biological action stimuli in typical developmental environments.

Measuring the effects of manipulating stimulus presentation time on sensorimotor alpha and low beta reactivity during hand movement observation

The present study addresses three methodological questions that have been ignored in previous research on EEG indices of the human mirror neuron system (hMNS), particularly in regard to autistic individuals. The first question regards how to elicit the EEG indexed hMNS during movement observation: Is hMNS activation best elicited using long stimulus presentations or multiple short repetitions? The second question regards what EEG sensorimotor frequency bands reflect sensorimotor reactivity during hand movement observation? The third question regards how widespread is the EEG reactivity over the sensorimotor cortex during movement observation? The present study explored sensorimotor alpha and low beta reactivity during hand movement versus static hand or bouncing balls observation and compared two experimental protocols (long exposure vs. multiple repetitions) in the same participants. Results using the multiple repetitions protocol indicated a greater low beta desynchronisation over the sensorimotor cortex during hand movement compared to static hand and bouncing balls observation. This result was not achieved using the long exposure protocol. Therefore, the present study suggests that the multiple repetitions protocol is a more robust protocol to use when exploring the sensorimotor reactivity induced by hand action observation. In addition, sensorimotor low beta desynchronisation was differently modulated during hand movement, static hand and bouncing balls observation (non-biological motion) while it was not the case for sensorimotor alpha and that suggest that low beta may be a more sensitive index of hMNS activation during biological motion observation. In conclusion the present study indicates that sensorimotor reactivity of low beta during hand movement observation was found to be more widespread over the sensorimotor cortex than previously thought.