Membrane potential dynamics of neocortical projection neurons driving target-specific signals.

Primary sensory cortex discriminates incoming sensory information and generates multiple processing streams toward other cortical areas. However, the underlying cellular mechanisms remain unknown. Here, by making whole-cell recordings in primary somatosensory barrel cortex (S1) of behaving mice, we show that S1 neurons projecting to primary motor cortex (M1) and those projecting to secondary somatosensory cortex (S2) have distinct intrinsic membrane properties and exhibit markedly different membrane potential dynamics during behavior. Passive tactile stimulation evoked faster and larger postsynaptic potentials (PSPs) in M1-projecting neurons, rapidly driving phasic action potential firing, well-suited for stimulus detection. Repetitive active touch evoked strongly depressing PSPs and only transient firing in M1-projecting neurons. In contrast, PSP summation allowed S2-projecting neurons to robustly signal sensory information accumulated during repetitive touch, useful for encoding object features. Thus, target-specific transformation of sensory-evoked synaptic potentials by S1 projection neurons generates functionally distinct output signals for sensorimotor coordination and sensory perception.

Sound objects in time, space and action

SOUND OBJECTS IN TIME, SPACE AND ACTIONThe term "sound object" describes an auditory experience that is associated with an acoustic event produced by a sound source. At cortical level, sound objects are represented by temporo-spatial activity patterns within distributed neural networks. This investigation concerns temporal, spatial and action aspects as assessed in normal subjects using electrical imaging or measurement of motor activity induced by transcranial magnetic stimulation (TMS).Hearing the same sound again has been shown to facilitate behavioral responses (repetition priming) and to modulate neural activity (repetition suppression). In natural settings the same source is often heard again and again, with variations in spectro-temporal and spatial characteristics. I have investigated how such repeats influence response times in a living vs. non-living categorization task and the associated spatio-temporal patterns of brain activity in humans. Dynamic analysis of distributed source estimations revealed differential sound object representations within the auditory cortex as a function of the temporal history of exposure to these objects. Often heard sounds are coded by a modulation in a bilateral network. Recently heard sounds, independently of the number of previous exposures, are coded by a modulation of a left-sided network.With sound objects which carry spatial information, I have investigated how spatial aspects of the repeats influence neural representations. Dynamics analyses of distributed source estimations revealed an ultra rapid discrimination of sound objects which are characterized by spatial cues. This discrimination involved two temporo-spatially distinct cortical representations, one associated with position-independent and the other with position-linked representations within the auditory ventral/what stream.Action-related sounds were shown to increase the excitability of motoneurons within the primary motor cortex, possibly via an input from the mirror neuron system. The role of motor representations remains unclear. I have investigated repetition priming-induced plasticity of the motor representations of action sounds with the measurement of motor activity induced by TMS pulses applied on the hand motor cortex. TMS delivered to the hand area within the primary motor cortex yielded larger magnetic evoked potentials (MEPs) while the subject was listening to sounds associated with manual than non- manual actions. Repetition suppression was observed at motoneuron level, since during a repeated exposure to the same manual action sound the MEPs were smaller. I discuss these results in terms of specialized neural network involved in sound processing, which is characterized by repetition-induced plasticity.Thus, neural networks which underlie sound object representations are characterized by modulations which keep track of the temporal and spatial history of the sound and, in case of action related sounds, also of the way in which the sound is produced.LES OBJETS SONORES AU TRAVERS DU TEMPS, DE L'ESPACE ET DES ACTIONSLe terme "objet sonore" décrit une expérience auditive associée avec un événement acoustique produit par une source sonore. Au niveau cortical, les objets sonores sont représentés par des patterns d'activités dans des réseaux neuronaux distribués. Ce travail traite les aspects temporels, spatiaux et liés aux actions, évalués à l'aide de l'imagerie électrique ou par des mesures de l'activité motrice induite par stimulation magnétique trans-crânienne (SMT) chez des sujets sains. Entendre le même son de façon répétitive facilite la réponse comportementale (amorçage de répétition) et module l'activité neuronale (suppression liée à la répétition). Dans un cadre naturel, la même source est souvent entendue plusieurs fois, avec des variations spectro-temporelles et de ses caractéristiques spatiales. J'ai étudié la façon dont ces répétitions influencent le temps de réponse lors d'une tâche de catégorisation vivant vs. non-vivant, et les patterns d'activité cérébrale qui lui sont associés. Des analyses dynamiques d'estimations de sources ont révélé des représentations différenciées des objets sonores au niveau du cortex auditif en fonction de l'historique d'exposition à ces objets. Les sons souvent entendus sont codés par des modulations d'un réseau bilatéral. Les sons récemment entendus sont codé par des modulations d'un réseau du côté gauche, indépendamment du nombre d'expositions. Avec des objets sonores véhiculant de l'information spatiale, j'ai étudié la façon dont les aspects spatiaux des sons répétés influencent les représentations neuronales. Des analyses dynamiques d'estimations de sources ont révélé une discrimination ultra rapide des objets sonores caractérisés par des indices spatiaux. Cette discrimination implique deux représentations corticales temporellement et spatialement distinctes, l'une associée à des représentations indépendantes de la position et l'autre à des représentations liées à la position. Ces représentations sont localisées dans la voie auditive ventrale du "quoi".Des sons d'actions augmentent l'excitabilité des motoneurones dans le cortex moteur primaire, possiblement par une afférence du system des neurones miroir. Le rôle des représentations motrices des sons d'actions reste peu clair. J'ai étudié la plasticité des représentations motrices induites par l'amorçage de répétition à l'aide de mesures de potentiels moteurs évoqués (PMEs) induits par des pulsations de SMT sur le cortex moteur de la main. La SMT appliquée sur le cortex moteur primaire de la main produit de plus grands PMEs alors que les sujets écoutent des sons associée à des actions manuelles en comparaison avec des sons d'actions non manuelles. Une suppression liée à la répétition a été observée au niveau des motoneurones, étant donné que lors de l'exposition répétée au son de la même action manuelle les PMEs étaient plus petits. Ces résultats sont discuté en termes de réseaux neuronaux spécialisés impliqués dans le traitement des sons et caractérisés par de la plasticité induite par la répétition. Ainsi, les réseaux neuronaux qui sous-tendent les représentations des objets sonores sont caractérisés par des modulations qui gardent une trace de l'histoire temporelle et spatiale du son ainsi que de la manière dont le son a été produit, en cas de sons d'actions.

Cortical mapping of the neuronal circuits modulating the muscle tone. Introduction to the electrophysiological treatment of the spastic hand.

L’objectiu d’aquest estudi es investigar l’organització cortical junt amb la connectivitat còrtico-subcortical en subjectes sans, com a estudi preliminar. Els mapes corticals s’han fet per TMS navegada, i els punts motors obtinguts s’han exportant per estudi tractogràfic i anàlisi de las seves connexions. El coneixement precís de la localització de l’àrea cortical motora primària i les seves connexions es la base per ser utilitzada en estudis posteriors de la reorganització cortical i sub-cortical en pacients amb infart cerebral. Aquesta reorganització es deguda a la neuroplasticitat i pot ser influenciada per els efectes neuromoduladors de la estimulació cerebral no invasiva.

Evidence-based guidelines on the therapeutic use of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS).

A group of European experts was commissioned to establish guidelines on the therapeutic use of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) from evidence published up until March 2014, regarding pain, movement disorders, stroke, amyotrophic lateral sclerosis, multiple sclerosis, epilepsy, consciousness disorders, tinnitus, depression, anxiety disorders, obsessive-compulsive disorder, schizophrenia, craving/addiction, and conversion. Despite unavoidable inhomogeneities, there is a sufficient body of evidence to accept with level A (definite efficacy) the analgesic effect of high-frequency (HF) rTMS of the primary motor cortex (M1) contralateral to the pain and the antidepressant effect of HF-rTMS of the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC). A Level B recommendation (probable efficacy) is proposed for the antidepressant effect of low-frequency (LF) rTMS of the right DLPFC, HF-rTMS of the left DLPFC for the negative symptoms of schizophrenia, and LF-rTMS of contralesional M1 in chronic motor stroke. The effects of rTMS in a number of indications reach level C (possible efficacy), including LF-rTMS of the left temporoparietal cortex in tinnitus and auditory hallucinations. It remains to determine how to optimize rTMS protocols and techniques to give them relevance in routine clinical practice. In addition, professionals carrying out rTMS protocols should undergo rigorous training to ensure the quality of the technical realization, guarantee the proper care of patients, and maximize the chances of success. Under these conditions, the therapeutic use of rTMS should be able to develop in the coming years.

The functional neuroimaging correlates of psychogenic versus organic dystonia.

The neurobiological basis of psychogenic movement disorders remains poorly understood and the management of these conditions difficult. Functional neuroimaging studies have provided some insight into the pathophysiology of disorders implicating particularly the prefrontal cortex, but there are no studies on psychogenic dystonia, and comparisons with findings in organic counterparts are rare. To understand the pathophysiology of these disorders better, we compared the similarities and differences in functional neuroimaging of patients with psychogenic dystonia and genetically determined dystonia, and tested hypotheses on the role of the prefrontal cortex in functional neurological disorders. Patients with psychogenic (n = 6) or organic (n = 5, DYT1 gene mutation positive) dystonia of the right leg, and matched healthy control subjects (n = 6) underwent positron emission tomography of regional cerebral blood flow. Participants were studied during rest, during fixed posturing of the right leg and during paced ankle movements. Continuous surface electromyography and footplate manometry monitored task performance. Averaging regional cerebral blood flow across all tasks, the organic dystonia group showed abnormal increases in the primary motor cortex and thalamus compared with controls, with decreases in the cerebellum. In contrast, the psychogenic dystonia group showed the opposite pattern, with abnormally increased blood flow in the cerebellum and basal ganglia, with decreases in the primary motor cortex. Comparing organic dystonia with psychogenic dystonia revealed significantly greater regional blood flow in the primary motor cortex, whereas psychogenic dystonia was associated with significantly greater blood flow in the cerebellum and basal ganglia (all P < 0.05, family-wise whole-brain corrected). Group × task interactions were also examined. During movement, compared with rest, there was abnormal activation in the right dorsolateral prefrontal cortex that was common to both organic and psychogenic dystonia groups (compared with control subjects, P < 0.05, family-wise small-volume correction). These data show a cortical-subcortical differentiation between organic and psychogenic dystonia in terms of regional blood flow, both at rest and during active motor tasks. The pathological prefrontal cortical activation was confirmed in, but was not specific to, psychogenic dystonia. This suggests that psychogenic and organic dystonia have different cortical and subcortical pathophysiology, while a derangement in mechanisms of motor attention may be a feature of both conditions.

Physiological noise in human cerebellar fMRI.

OBJECTIVES: To compare physiological noise contributions in cerebellar and cerebral regions of interest in high-resolution functional magnetic resonance imaging (fMRI) data acquired at 7T, to estimate the need for physiological noise removal in cerebellar fMRI. MATERIALS AND METHODS: Signal fluctuations in high resolution (1 mm isotropic) 7T fMRI data were attributed to one of the following categories: task-induced BOLD changes, slow drift, signal changes correlated with the cardiac and respiratory cycles, signal changes related to the cardiac rate and respiratory volume per unit of time or other. [Formula: see text] values for all categories were compared across regions of interest. RESULTS: In this high-resolution data, signal fluctuations related to the phase of the cardiac cycle and cardiac rate were shown to be significant, but comparable between cerebellar and cerebral regions of interest. However, respiratory related signal fluctuations were increased in the cerebellar regions, with explained variances that were up to 80 % higher than for the primary motor cortex region. CONCLUSION: Even at a millimetre spatial resolution, significant correlations with both cardiac and respiratory RETROICOR components were found in all healthy volunteer data. Therefore, physiological noise correction is highly likely to improve the temporal signal-to-noise ratio (SNR) for cerebellar fMRI at 7T, even at high spatial resolution.

Increased coherence among striatal regions in the theta range during attentive wakefulness

The striatum, the largest component of the basal ganglia, is usually subdivided into associative, motor and limbic components. However, the electrophysiological interactions between these three subsystems during behavior remain largely unknown. We hypothesized that the striatum might be particularly active during exploratory behavior, which is presumably associated with increased attention. We investigated the modulation of local field potentials (LFPs) in the striatum during attentive wakefulness in freely moving rats. To this end, we implanted microelectrodes into different parts of the striatum of Wistar rats, as well as into the motor, associative and limbic cortices. We then used electromyograms to identify motor activity and analyzed the instantaneous frequency, power spectra and partial directed coherence during exploratory behavior. We observed fine modulation in the theta frequency range of striatal LFPs in 92.5 ± 2.5% of all epochs of exploratory behavior. Concomitantly, the theta power spectrum increased in all striatal channels (P < 0.001), and coherence analysis revealed strong connectivity (coefficients >0.7) between the primary motor cortex and the rostral part of the caudatoputamen nucleus, as well as among all striatal channels (P < 0.001). Conclusively, we observed a pattern of strong theta band activation in the entire striatum during attentive wakefulness, as well as a strong coherence between the motor cortex and the entire striatum. We suggest that this activation reflects the integration of motor, cognitive and limbic systems during attentive wakefulness.

Microstructural and metabolic changes in the brains of concussed athletes

Les commotions cérébrales ont longtemps été considérées comme une blessure ne comportant que peu ou pas de conséquences. Cependant, la mise à la retraite forcée de plusieurs athlètes de haut niveau, liée au fait d'avoir subi des commotions cérébrales multiples, a porté cette question au premier plan de la culture scientifique et sportive. Malgré la sensibilisation croissante du public et la compréhension scientifique accrue des commotions cérébrales, il reste encore beaucoup d’inconnus au sujet de ces blessures. En effet, il est difficile de comprendre comment cette atteinte peut avoir des effets si profonds malgré le fait qu’elle n’entraîne apparemment pas de conséquences physiques apparentes lorsque les techniques traditionnelles d’imagerie cérébrale sont utilisées. Les techniques de neuroimagerie fonctionnelle ont cependant contribué à répondre aux nombreuses questions entourant les conséquences des commotions cérébrales ainsi qu'à accroître la compréhension générale de la physiopathologie de commotions cérébrales. Bien que les techniques de base telles que l'imagerie structurelle comme les scans TC et IRM soient incapables de détecter des changements structurels dans la grande majorité des cas (Ellemberg, Henry, Macciocchi, Guskiewicz, & Broglio, 2009; Johnston, Ptito, Chankowsky, & Chen, 2001), d'autres techniques plus précises et plus sensibles ont été en mesure de détecter avec succès des changements dans le cerveau commotionné. Des études d’IRM fonctionelle ont entre autres établi une solide relation entre les altérations fonctionnelles et les symptômes post-commotionels (Chen, Johnston, Collie, McCrory, & Ptito, 2007; Chen et al., 2004; Chen, Johnston, Petrides, & Ptito, 2008; Fazio, Lovell, Pardini, & Collins, 2007). Les mesures électrophysiologiques telles que les potentiels évoqués cognitifs (ERP) (Gaetz, Goodman, & Weinberg, 2000; Gaetz & Weinberg, 2000; Theriault, De Beaumont, Gosselin, Filipinni, & Lassonde, 2009; Theriault, De Beaumont, Tremblay, Lassonde, & Jolicoeur, 2010) et la stimulation magnétique transcrânienne ou SMT (De Beaumont, Brisson, Lassonde, & Jolicoeur, 2007; De Beaumont, Lassonde, Leclerc, & Theoret, 2007; De Beaumont et al., 2009) ont systématiquement démontré des altérations fonctionnelles chez les athlètes commotionnés. Cependant, très peu de recherches ont tenté d'explorer davantage certaines conséquences spécifiques des commotions cérébrales, entre autres sur les plans structural et métabolique. La première étude de cette thèse a évalué les changements structurels chez les athlètes commotionnés à l’aide de l'imagerie en tenseur de diffusion (DTI) qui mesure la diffusion de l'eau dans la matière blanche, permettant ainsi de visualiser des altérations des fibres nerveuses. Nous avons comparé les athlètes commotionnés à des athlètes de contrôle non-commotionnés quelques jours après la commotion et de nouveau six mois plus tard. Nos résultats indiquent un patron constant de diffusion accrue le long des voies cortico-spinales et dans la partie du corps calleux reliant les régions motrices. De plus, ces changements étaient encore présents six mois après la commotion, ce qui suggère que les effets de la commotion cérébrale persistent bien après la phase aiguë. Les deuxième et troisième études ont employé la spectroscopie par résonance magnétique afin d'étudier les changements neurométaboliques qui se produisent dans le cerveau commotionné. La première de ces études a évalué les changements neurométaboliques, les aspects neuropsychologiques, et la symptomatologie dans la phase aiguë post-commotion. Bien que les tests neuropsychologiques aient été incapables de démontrer des différences entre les athlètes commotionnés et non-commotionnés, des altérations neurométaboliques ont été notées dans le cortex préfrontal dorsolatéral ainsi que dans le cortex moteur primaire, lesquelles se sont avérées corréler avec les symptômes rapportés. La deuxième de ces études a comparé les changements neurométaboliques immédiatement après une commotion cérébrale et de nouveau six mois après l’atteinte. Les résultats ont démontré des altérations dans le cortex préfrontal dorsolatéral et moteur primaire dans la phase aiguë post-traumatique, mais seules les altérations du cortex moteur primaire ont persisté six mois après la commotion. Ces résultats indiquent que les commotions cérébrales peuvent affecter les propriétés physiques du cerveau, spécialement au niveau moteur. Il importe donc de mener davantage de recherches afin de mieux caractériser les effets moteurs des commotions cérébrales sur le plan fonctionnel.

Contributions des voies vestibulospinale et corticospinale au contrôle des mouvements du bras

Le contrôle des mouvements du bras fait intervenir plusieurs voies provenant du cerveau. Cette thèse, composée principalement de deux études, tente d’éclaircir les contributions des voies tirant leur origine du système vestibulaire et du cortex moteur. Dans la première étude (Raptis et al 2007), impliquant des mouvements d’atteinte, nous avons cerné l’importance des voies descendantes partant du système vestibulaire pour l’équivalence motrice, i.e. la capacité du système moteur à atteindre un but moteur donné lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. L’hypothèse émise était que le système vestibulaire joue un rôle essentiel dans l’équivalence motrice. Nous avons comparé la capacité d’équivalence motrice de sujets sains et de patients vestibulodéficients chroniques lors de mouvements nécessitant un contrôle des positions du bras et du tronc. Pendant que leur vision était temporairement bloquée, les sujets devaient soit maintenir une position de l’index pendant une flexion du tronc, soit atteindre une cible dans l’espace péri-personnel en combinant le mouvement du bras avec une flexion du tronc. Lors d’essais déterminés aléatoirement et imprévus par les participants, leur tronc était retenu par un mécanisme électromagnétique s’activant en même temps que le signal de départ. Les sujets sains ont pu préserver la position ou la trajectoire de l’index dans les deux conditions du tronc (libre, bloqué) en adaptant avec une courte latence (60-180 ms) les mouvements articulaires au niveau du coude et de l’épaule. En comparaison, six des sept patients vestibulodéficients chroniques ont présenté des déficits au plan des adaptations angulaires compensatoires. Pour ces patients, entre 30 % et 100 % du mouvement du tronc n’a pas été compensé et a été transmis à la position ou trajectoire de l’index. Ces résultats indiqueraient que les influences vestibulaires évoquées par le mouvement de la tête pendant la flexion du tronc jouent un rôle majeur pour garantir l’équivalence motrice dans ces tâches d’atteinte lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. Également, ils démontrent que la plasticité de long terme survenant spontanément après une lésion vestibulaire unilatérale complète ne serait pas suffisante pour permettre au SNC de retrouver un niveau d’équivalence motrice normal dans les actions combinant un déplacement du bras et du tronc. Ces tâches de coordination bras-tronc constituent ainsi une approche inédite et sensible pour l’évaluation clinique des déficits vestibulaires. Elles permettent de sonder une dimension fonctionnelle des influences vestibulaires qui n’était pas prise en compte dans les tests cliniques usuels, dont la sensibilité relativement limitée empêche souvent la détection d’insuffisances vestibulaires six mois après une lésion de ces voies. Avec cette première étude, nous avons donc exploré comment le cerveau et les voies descendantes intègrent des degrés de liberté articulaires supplémentaires dans le contrôle du bras. Dans la seconde étude (Raptis et al 2010), notre but était de clarifier la nature des variables spécifiées par les voies descendantes pour le contrôle d’actions motrices réalisées avec ce membre. Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle les voies corticospinales contrôlent la position et les mouvements des bras en modulant la position-seuil (position de référence à partir de laquelle les muscles commencent à être activés en réponse à une déviation de cette référence). Selon ce principe, les voies corticospinales ne spécifieraient pas directement les patrons d’activité EMG, ce qui se refléterait par une dissociation entre l’EMG et l’excitabilité corticospinale pour des positions-seuils différentes. Dans un manipulandum, des participants (n=16) ont modifié leur angle du poignet, d’une position de flexion (45°) à une position d’extension (-25°), et vice-versa. Les forces élastiques passives des muscles ont été compensées avec un moteur couple afin que les sujets puissent égaliser leur activité EMG de base dans les deux positions. L’excitabilité motoneuronale dans ces positions a été comparée à travers l’analyse des réponses EMG évoquées à la suite d’étirements brefs. Dans les deux positions, le niveau d’EMG et l’excitabilité motoneuronale étaient semblables. De plus, ces tests ont permis de montrer que le repositionnement du poignet était associé à une translation de la position-seuil. Par contre, malgré la similitude de l’excitabilité motoneuronale dans ces positions, l’excitabilité corticospinale des muscles du poignet était significativement différente : les impulsions de stimulation magnétique transcrânienne (TMS; à 1.2 MT, sur l’aire du poignet de M1) ont provoqué des potentiels moteurs évoqués (MEP) de plus grande amplitude en flexion pour les fléchisseurs comparativement à la position d’extension et vice-versa pour les extenseurs (p<0.005 pour le groupe). Lorsque les mêmes positions étaient établies après une relaxation profonde, les réponses réflexes et les amplitudes des MEPs ont drastiquement diminué. La relation caractéristique observée entre position physique et amplitude des MEPs dans le positionnement actif s’est aussi estompée lorsque les muscles étaient relâchés. Cette étude suggère que la voie corticospinale, en association avec les autres voies descendantes, participerait au contrôle de la position-seuil, un processus qui prédéterminerait le référentiel spatial dans lequel l’activité EMG émerge. Ce contrôle de la « référence » constituerait un principe commun s’appliquant à la fois au contrôle de la force musculaire, de la position, du mouvement et de la relaxation. Nous avons aussi mis en évidence qu’il est nécessaire, dans les prochaines recherches ou applications utilisant la TMS, de prendre en compte la configuration-seuil des articulations, afin de bien interpréter les réponses musculaires (ou leurs changements) évoquées par cette technique; en effet, la configuration-seuil influencerait de manière notable l’excitabilité corticomotrice, qui peut être considérée comme un indicateur non seulement lors d’activités musculaires, mais aussi cognitives, après apprentissages moteurs ou lésions neurologiques causant des déficits moteurs (ex. spasticité, faiblesse). Considérées dans leur ensemble, ces deux études apportent un éclairage inédit sur des principes fondamentaux du contrôle moteur : nous y illustrons de manière plus large le rôle du système vestibulaire dans les tâches d’atteinte exigeant une coordination entre le bras et son « support » (le tronc) et clarifions l’implication des voies corticomotrices dans la spécification de paramètres élémentaires du contrôle moteur du bras. De plus amples recherches sont cependant nécessaires afin de mieux comprendre comment les systèmes sensoriels et descendants (e.g. vestibulo-, réticulo-, rubro-, propriospinal) participent et interagissent avec les signaux corticofugaux afin de spécifier les seuils neuromusculaires dans le contrôle de la posture et du mouvement.

Le GABA comme marqueur de récupération suite à une commotion cérébrale dans le sport ?

L’association démontrée récemment entre les commotions cérébrales dans le sport et le développement possible de maladies neurodégénératives a suggéré la possibilité que des altérations persistantes soient présentes dans le cerveau de l’athlète commotionné. En fait, des altérations neurophysiologiques ont récemment été révélées au sein du cortex moteur primaire (M1) d’athlètes ayant un historique de commotions via la stimulation magnétique transcrânienne (SMT). Plus précisément, la période silencieuse corticale (PSC), une mesure d’inhibition liée aux récepteurs GABAB, était anormalement élevée, et cette hyper-inhibition était présente jusqu’à 30 ans post-commotion. La PSC, et possiblement le GABA, pourraient donc s’avérer des marqueurs objectifs des effets persistants de la commotion cérébrale. Toutefois, aucune étude à ce jour n’a directement évalué les niveaux de GABA chez l’athlète commotionné. Ainsi, les études cliniques et méthodologiques composant le présent ouvrage comportent deux objectifs principaux: (1) déterminer si l’inhibition excessive (GABA et PSC) est un marqueur des effets persistants de la commotion cérébrale; (2) déterminer s’il est possible de moduler l’inhibition intracorticale de façon non-invasive dans l’optique de développer de futurs avenues de traitements. L’article 1 révèle une préservation des systèmes sensorimoteurs, somatosensoriels et de l’inhibition liée au GABAA chez un groupe d’athlètes universitaires asymptomatiques ayant subi de multiples commotions cérébrales en comparaison avec des athlètes sans historique connu de commotion cérébrale. Cependant, une atteinte spécifique des mesures liées au système inhibiteur associé aux récepteurs GABAB est révélée chez les athlètes commotionnés en moyenne 24 mois post-commotion. Dans l’article 2, aucune atteinte des mesures SMT liées au système inhibiteur n’est révélée en moyenne 41 mois après la dernière commotion cérébrale chez un groupe d’athlètes asymptomatiques ayant subi 1 à 5 commotions cérébrales. Bien qu’aucune différence entre les groupes n’est obtenue quant aux concentrations de GABA et de glutamate dans M1 via la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), des corrélations différentielles suggèrent la présence d’un déséquilibre métabolique entre le GABA et le glutamate chez les athlètes commotionnés. L’article 3 a démontré, chez des individus en bonne santé, un lien entre la PSC et la transmission glutamatergique, ainsi que le GABA et le glutamate. Ces résultats suggèrent que la PSC ne reflète pas directement les concentrations du GABA mesurées par la SRM, mais qu’un lien étroit entre la GABA et le glutamate est présent. L’article 4 a démontré la possibilité de moduler la PSC avec la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SÉTcd) anodale chez des individus en santé, suggérant l’existence d’un potentiel thérapeutique lié à l’utilisation de cette technique. L’article 5 a illustré un protocole d’évaluation des effets métaboliques de la SÉTcd bilatérale. Dans l’article 6, aucune modulation des systèmes GABAergiques révélées par la SMT et la SRM n’est obtenue suite à l’utilisation de ce protocole auprès d’individus en santé. Cet article révèle également que la SÉTcd anodale n’engendre pas de modulation significative du GABA et du glutamate. En somme, les études incluent dans le présent ouvrage ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets neurophysiologiques et métaboliques des commotions cérébrales, mais également sur le mécanisme d’action des diverses méthodologies utilisées.

Age-related changes in the functional neuroanatomy of overt speech production

Alterations of existing neural networks during healthy aging, resulting in behavioral deficits and changes in brain activity, have been described for cognitive, motor, and sensory functions. To investigate age-related changes in the neural circuitry underlying overt non-lexical speech production, functional MRI was performed in 14 healthy younger (21–32 years) and 14 healthy older individuals (62–84 years). The experimental task involved the acoustically cued overt production of the vowel /a/ and the polysyllabic utterance /pataka/. In younger and older individuals, overt speech production was associated with the activation of a widespread articulo-phonological network, including the primary motor cortex, the supplementary motor area, the cingulate motor areas, and the posterior superior temporal cortex, similar in the /a/ and /pataka/ condition. An analysis of variance with the factors age and condition revealed a significant main effect of age. Irrespective of the experimental condition, significantly greater activation was found in the bilateral posterior superior temporal cortex, the posterior temporal plane, and the transverse temporal gyri in younger compared to older individuals. Significantly greater activation was found in the bilateral middle temporal gyri, medial frontal gyri, middle frontal gyri, and inferior frontal gyri in older vs. younger individuals. The analysis of variance did not reveal a significant main effect of condition and no significant interaction of age and condition. These results suggest a complex reorganization of neural networks dedicated to the production of speech during healthy aging.

Enhanced neural response to anticipation, effort and consummation of reward and aversion during Bupropion treatment

Background We have previously shown that the selective serotonergic re-uptake inhibitor, citalopram, reduces the neural response to reward and aversion in healthy volunteers. We suggest that this inhibitory effect might underlie the emotional blunting reported by patients on these medications. Bupropion is a dopaminergic and noradrenergic re-uptake inhibitor and has been suggested to have more therapeutic effects on reward-related deficits. However, how bupropion affects the neural responses to reward and aversion is unclear. Methods 17 healthy volunteers (9 female, 8 male) received 7 days of bupropion (150 mg/day) and 7 days of placebo treatment, in a double-blind crossover design. Our functional Magnetic Resonance Imaging task consisted of 3 phases; an anticipatory phase (pleasant or unpleasant cue), an effort phase (button presses to achieve a pleasant taste or to avoid an unpleasant taste) and a consummatory phase (pleasant or unpleasant tastes). Volunteers also rated wanting, pleasantness and intensity of the tastes. Results Relative to placebo, bupropion increased activity during the anticipation phase in the ventral medial prefrontal cortex (vmPFC) and caudate. During the effort phase, bupropion increased activity in the vmPFC, striatum, dorsal anterior cingulate cortex and primary motor cortex. Bupropion also increased medial orbitofrontal cortex, amygdala and ventral striatum activity during the consummatory phase. Conclusions Our results are the first to show that bupropion can increase neural responses during the anticipation, effort and consummation of rewarding and aversive stimuli. This supports the notion that bupropion might be beneficial for depressed patients with reward-related deficits and blunted affect.

Corticomuscular coherence modulation with the pattern of finger force coordination

We assess the corticomuscular coherence (CMC) of the contralateral primary motor cortex and the hand muscles during a finger force-tracking task and explore whether the pattern of finger coordination has an impact on the CMC level. Six healthy subjects (three men and three women) were recruited to conduct the force-tracking tasks comprising two finger patterns, i.e., natural combination of index and middle fingers and unnatural combination of index and middle fingers (i.e., simultaneously producing equal force strength in index and middle finger). During the conducting of the tasks with right index and middle finger, MEG and sEMG signals were recorded from left primary motor cortex (M1) and right flexor digitorum superficialis (FDS), respectively; the contralateral CMC was calculated to assess the neuromuscular interaction. Finger force-tracking tasks of Common-IM only induce beta-band CMC, whereas Uncommon-IM tasks produce CMC in both beta and low-gamma band. Compared to the force-tracking tasks of Common-IM, the Uncommon-IM task is associated with the most intensive contralateral CMC. Our study demonstrated that the pattern of finger coordination had significant impact on the CMC between the contralateral M1 and hand muscles, and more corticomuscular interaction was necessary for unnaturally coordinated finger activities to regulate the fixed neural drive of hand muscles.

THE ROLE OF THE SUPERIOR COLLICULUS IN PREDATORY HUNTING

Combining the results of behavioral, neuronal immediate early gene activation, lesion and neuroanatomical experiments, we have presently investigated the role of the superior colliculus (SC) in predatory hunting. First, we have shown that insect hunting is associated with a characteristic large increase in Fos expression in the lateral part of the intermediate gray layer of the SC (Wig). Next, we have shown that animals with bilateral NMDA lesions of the lateral parts of the SC presented a significant delay in starting to chase the prey and longer periods engaged in other activities than predatory hunting. They also showed a clear deficit to orient themselves toward the moving prey and lost the stereotyped sequence of actions seen for capturing, holding and killing the prey. Our Phaseolus vulgaris-leucoagglutinin analysis revealed that the lateral SCig, besides providing the well-documented descending crossed pathway to premotor sites in brainstem and spinal cord, projects to a number of midbrain and diencephalic sites likely to influence key functions in the context of the predatory behavior, such as general levels of arousal, motivational level to hunt or forage, behavioral planning, appropriate selection of the basal ganglia motor plan to hunt, and motor output of the primary motor cortex. In contrast to the lateral SC lesions, medial SC lesions produced a small deficit in predatory hunting, and compared to what we have seen for the lateral SCig, the medial SCig has a very limited set of projections to thalamic sites related to the control of motor planning or motor output, and provides conspicuous inputs to brainstem sites involved in organizing a wide range of anti-predatory defensive responses. Overall, the present results served to clarify how the different functional domains in the SC may mediate the decision to pursue and hunt a prey or escape from a predator. (C) 2010 IBRO. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Avaliação por ressonância magnética funcional e estimulação magnética transcraniana da intervenção única da terapia espelho em pacientes após acidente vascular cerebral isquêmico

Mirror therapy (MT) is being used as a rehabilitation tool in various diseases, including stroke. Although some studies have shown its effectiveness, little is known about neural mechanisms that underlie the rehabilitation process. Therefore, this study aimed at assessing cortical neuromodulation after a single MT intervention in ischemic stroke survivors, by means of by functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) and Transcranial Magnetic Stimulation (TMS). Fifteen patients participated in a single thirty minutes MT session. fMRI data was analyzed bilaterally in the following Regions of Interest (ROI): Supplementary Motor Area (SMA), Premotor cortex (PMC), Primary Motor cortex (M1), Primary Sensory cortex (S1) and Cerebellum. In each ROI, changes in the percentage of occupation and beta values were computed. Group fMRI data showed a significant decreased in the percentage of occupation in PMC and cerebellum, contralateral to the affected hand (p <0.05). Significant increase in beta values was observed in the following contralateral motor areas: SMA, Cerebellum, PMC and M1 (p<0,005). Moreover, a significant decrease was observed in the following ipsilateral motor areas: PMC and M1 (p <0,001). In S1 a bilateral significant decrease (p<0.0005) was observed.TMS consisted of the analysis of Motor Evoked Potential (MEP) of M1 hotspot. A significant increase in the amplitude of the MEP was observed after therapy in the group (p<0,0001) and individually in 4 patients (p <0.05). Altogether, our results imply that single MT intervention is already capable of promoting changes in neurobiological markers toward patterns observed in healthy subjects. Furthermore, the contralateral hemisphere motor areas changes are opposite to the ones in the ipsilateral side, suggesting an increase system homeostasis.