Cortical representation of the horizon in V1 and peripheral scaling in mammals with lateral eyes

In the present investigation we mapped the primary visual area of the South American diurnal rodent, Dasyprocta aguti, by standardized electrophysiological mapping techniques. In particular, we performed a series of mapping experiments of the visual streak in the primary visual cortex. We found that the representation of the visual streak in V1 is greatly expanded, the nasal 10 degrees of the visual streak representation occupies ten times more cortical area than equivalent areas in the central or temporal representation. Comparison of these data with those on the density of ganglion cells in the retina at corresponding locations in the visual field reveal a significant mismatch between these two variables. The nasal representation is greatly expanded along the horizontal meridian in V1 as compared to the central and temporal regions whereas the density of ganglion cells decreases with progression along the visual streak from central region towards the nasal or temporal visual field. A review of the available data reveals that all lateral-eyed mammals exhibit a similar mismatch between the retinal and cortical representation of the visual field, and this mismatches is greater in those species with well defined visual streaks such as rabbit and agouti.

Orderly cortical representation of vowels based on formant interaction

Psychophysical experiments have shown that the discrimination of human vowels chiefly relies on the frequency relationship of the first two peaks F1 and F2 of the vowel’s spectral envelope. It has not been possible, however, to relate the two-dimensional (F1,F2)-relationship to the known organization of frequency representation in auditory cortex. We demonstrate that certain spectral integration properties of neurons are topographically organized in primary auditory cortex in such a way that a transformed (F1,F2) relationship sufficient for vowel discrimination is realized.

Reassembling a system from the sensor to cerebral representation: the olfactory system in vitro.

An odorant's code is represented by activity in a dispersed ensemble of olfactory sensory neurons in the nose, activation of a specific combination of groups of mitral cells in the olfactory bulb and is considered to be mapped at divergent locations in the olfactory cortex. We present here an in vitro model of the mammalian olfactory system developed to gain easy access to all stations of the olfactory pathway. Mouse olfactory epithelial explants are cocultured with a brain slice that includes the olfactory bulb and olfactory cortex areas and maintains the central olfactory pathway intact and functional. Organotypicity of bulb and cortex is preserved and mitral cell axons can be traced to their target areas. Calcium imaging shows propagation of mitral cell activity to the piriform cortex. Long term coculturing with postnatal olfactory epithelial explants restores the peripheral olfactory pathway. Olfactory receptor neurons renew and progressively acquire a mature phenotype. Axons of olfactory receptor neurons grow out of the explant and rewire into the olfactory bulb. The extent of reinnervation exhibits features of a postlesion recovery. Functional imaging confirms the recovery of part of the peripheral olfactory pathway and shows that activity elicited in olfactory receptor neurons or the olfactory nerves is synaptically propagated into olfactory cortex areas. This model is the first attempt to reassemble a sensory system in culture, from the peripheral sensor to the site of cortical representation. It will increase our knowledge on how neuronal circuits in the central olfactory areas integrate sensory input and counterbalance damage.

Maintenance of a somatotopic cortical map in the face of diminishing thalamocortical inputs

This study addresses the extent of divergence in the ascending somatosensory pathways of primates. Divergence of inputs from a particular body part at each successive synaptic step in these pathways results in a potential magnification of the representation of that body part in the somatosensory cortex, so that the representation can be expanded when peripheral input from other parts is lost, as in nerve lesions or amputations. Lesions of increasing size were placed in the representation of a finger in the ventral posterior thalamic nucleus (VPL) of macaque monkeys. After a survival period of 1–5 weeks, area 3b of the somatosensory cortex ipsilateral to the lesion was mapped physiologically, and the extent of the representation of the affected and adjacent fingers was determined. Lesions affecting less than 30% of the thalamic VPL nucleus were without effect upon the cortical representation of the finger whose thalamic representation was at the center of the lesion. Lesions affecting about 35% of the VPL nucleus resulted in a shrinkage of the cortical representation of the finger whose thalamic representation was lesioned, with concomitant expansion of the representations of adjacent fingers. Beyond 35–40%, the whole cortical representation of the hand became silent. These results suggest that divergence of brainstem and thalamocortical projections, although normally not expressed, are sufficiently great to maintain a representation after a major loss of inputs from the periphery. This is likely to be one mechanism of representational plasticity in the cerebral cortex.

Antinociceptive effect of stimulating the occipital or retrosplenial cortex in rats

A role for the occipital or retrosplenial cortex in nociceptive processing has not been demonstrated yet, but connections from these cortices to brain structures involved in descending pain-inhibitory mechanisms were already demonstrated. This study demonstrated that the electrical stimulation of the occipital or retrosplenial cortex produces antinociception in the rat tail-flick and formalin tests. Bilateral lesions of the dorsolateral funiculus abolished the effect of cortical stimulation in the tail-flick test. Injection of glutamate into the same targets was also antinociceptive in the tail-flick test. No rats stimulated in the occipital or retrosplenial cortex showed any change in motor performance on the Rota-rod test, or had epileptiform changes in the EEG recording during or up to 3 hours after stimulation. The antinociception induced by occipital cortex stimulation persisted after neural block of the retrosplenial cortex. The effect of retrosplenial cortex stimulation also persisted after neural block of the occipital cortex. We conclude that stimulation of the occipital or retrosplenial cortex in rats leads to antinociception activating distinct descending pain-inhibitory mechanisms, and this is unlikely to result from a reduced motor performance or a postictal phenomenon. Perspective: This study presents evidence that stimulation of the retrosplenial or occipital cortex produces antinociception in rat models of acute pain. These findings enhance our understanding of the role of the cerebral cortex in control of pain. (C) 2010 by the American Pain Society

Modularity of auditory spatial representations

Abstract : Auditory spatial functions are of crucial importance in everyday life. Determining the origin of sound sources in space plays a key role in a variety of tasks including orientation of attention, disentangling of complex acoustic patterns reaching our ears in noisy environments. Following brain damage, auditory spatial processing can be disrupted, resulting in severe handicaps. Complaints of patients with sound localization deficits include the inability to locate their crying child or being over-loaded by sounds in crowded public places. Yet, the brain bears a large capacity for reorganization following damage and/or learning. This phenomenon is referred as plasticity and is believed to underlie post-lesional functional recovery as well as learning-induced improvement. The aim of this thesis was to investigate the organization and plasticity of different aspects of auditory spatial functions. Overall, we report the outcomes of three studies: In the study entitled "Learning-induced plasticity in auditory spatial representations" (Spierer et al., 2007b), we focused on the neurophysiological and behavioral changes induced by auditory spatial training in healthy subjects. We found that relatively brief auditory spatial discrimination training improves performance and modifies the cortical representation of the trained sound locations, suggesting that cortical auditory representations of space are dynamic and subject to rapid reorganization. In the same study, we tested the generalization and persistence of training effects over time, as these are two determining factors in the development of neurorehabilitative intervention. In "The path to success in auditory spatial discrimination" (Spierer et al., 2007c), we investigated the neurophysiological correlates of successful spatial discrimination and contribute to the modeling of the anatomo-functional organization of auditory spatial processing in healthy subjects. We showed that discrimination accuracy depends on superior temporal plane (STP) activity in response to the first sound of a pair of stimuli. Our data support a model wherein refinement of spatial representations occurs within the STP and that interactions with parietal structures allow for transformations into coordinate frames that are required for higher-order computations including absolute localization of sound sources. In "Extinction of auditory stimuli in hemineglect: space versus ear" (Spierer et al., 2007a), we investigated auditory attentional deficits in brain-damaged patients. This work provides insight into the auditory neglect syndrome and its relation with neglect symptoms within the visual modality. Apart from contributing to a basic understanding of the cortical mechanisms underlying auditory spatial functions, the outcomes of the studies also contribute to develop neurorehabilitation strategies, which are currently being tested in clinical populations.

Human finger somatotopy in areas 3b, 1, and 2: A 7T fMRI study using a natural stimulus.

To study the properties of human primary somatosensory (S1) cortex as well as its role in cognitive and social processes, it is necessary to noninvasively localize the cortical representations of the body. Being arguably the most relevant body parts for tactile exploration, cortical representations of fingers are of particular interest. The aim of the present study was to investigate the cortical representation of individual fingers (D1-D5), using human touch as a stimulus. Utilizing the high BOLD sensitivity and spatial resolution at 7T, we found that each finger is represented within three subregions of S1 in the postcentral gyrus. Within each of these three areas, the fingers are sequentially organized (from D1 to D5) in a somatotopic manner. Therefore, these finger representations likely reflect distinct activations of BAs 3b, 1, and 2, similar to those described in electrophysiological work in non-human primates. Quantitative analysis of the local BOLD responses revealed that within BA3b, each finger representation is specific to its own stimulation without any cross-finger responsiveness. This finger response selectivity was less prominent in BA 1 and in BA 2. A test-retest procedure highlighted the reproducibility of the results and the robustness of the method for BA 3b. Finally, the representation of the thumb was enlarged compared to the other fingers within BAs 1 and 2. These findings extend previous human electrophysiological and neuroimaging data but also reveal differences in the functional organization of S1 in human and nonhuman primates. Hum Brain Mapp 35:213-226, 2014. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Ultrastructural analysis of neuronal plasticity in the adult mouse

ABSTRACT Adult neuronal plasticity is a term that corresponds to a set of biological mechanisms allowing a neuronal circuit to respond and adapt to modifications of the received inputs. Mystacial whiskers of the mouse are the starting point of a major sensory pathway that provides the animal with information from its immediate environment. Through whisking, information is gathered that allows the animal to orientate itself and to recognize objects. This sensory system is crucial for nocturnal behaviour during which vision is not of much use. Sensory information of the whiskers are sent via brainstem and thalamus to the primary somatosensory area (S1) of the cerebral cortex in a strictly topological manner. Cell bodies in the layer N of S 1 are arranged in ring forming structures called barrels. As such, each barrel corresponds to the cortical representation in layer IV of a single whisker follicle. This histological feature allows to identify with uttermost precision the part of the cortex devoted to a given whisker and to study modifications induced by different experimental conditions. The condition used in the studies of my thesis is the passive stimulation of one whisker in the adult mouse for a period of 24 hours. It is performed by glueing a piece of metal on one whisker and placing the awake animal in a cage surrounded by an electromagnetic coil that generates magnetic field burst inducing whisker movement at a given frequency during 24 hours. I analysed the ultrastructure of the barrel corresponding the stimulated whisker using serial sections electron microscopy and computer-based three-dimensional reconstructions; analysis of neighbouring, unstimulated barrels as well as those from unstimulated mice served as control. The following elements were structurally analyzed: the spiny dendrites, the axons of excitatory as well as inhibitory cells, their connections via synapses and the astrocytic processes. The density of synapses and spines is upregulated in a barrel corresponding to a stimulated whisker. This upregulation is absent in the BDNF heterozygote mice, indicating that a certain level of activity-dependent released BDNF is required for synaptogenesis in the adult cerebral cortex. Synpaptogenesis is correlated with a modification of the astrocytes that place themselves in closer vicinity of the excitatory synapses on spines. Biochemical analysis revealed that the astrocytes upregulate the expression of transporters by which they internalise glutamate, the neurotransmitter responsible for the excitatory response of cortical neurons. In the final part of my thesis, I show that synaptogenesis in the stimulated barrel is due to the increase in the size of excitatory axonal boutons that become more frequently multisynaptic, whereas the inhibitory axons do not change their morphology but form more synapses with spines apposed to them. Taken together, my thesis demonstrates that all the cellular elements present in the neuronal tissue of the adult brain contribute to activity-dependent cortical plasticity and form part of a mechanism by which the animal responds to a modified sensory experience. Throughout life, the neuronal circuit keeps the faculty to adapt its function. These adaptations are partially transitory but some aspects remain and could be the structural basis of a memory trace in the cortical circuit. RESUME La plasticité neuronale chez l'adulte désigne un ensemble de mécanismes biologiques qui permettent aux circuits neuronaux de répondre et de s'adapter aux modifications des stimulations reçues. Les vibrisses des souris sont un système crucial fournissant des informations sensorielles au sujet de l'environnement de l'animal. L'information sensorielle collectée par les vibrisses est envoyée via le tronc cérébral et le thalamus à l'aire sensorielle primaire (S 1) du cortex cérébral en respectant strictement la somatotopie. Les corps cellulaires dans la couche IV de S 1 sont organisés en anneaux délimitant des structures nommées tonneaux. Chaque tonneau reçoit l'information d'une seule vibrisse et l'arrangement des tonneaux dans le cortex correspond à l'arrangement des vibrisses sur le museau de la souris. Cette particularité histologique permet de sélectionner avec certitude la partie du cortex dévolue à une vibrisse et de l'étudier dans diverses conditions. Le paradigme expérimental utilisé dans cette thèse est la stimulation passive d'une seule vibrisse durant 24 heures. Pour ce faire, un petit morceau de métal est collé sur une vibrisse et la souris est placée dans une cage entourée d'une bobine électromagnétique générant un champ qui fait vibrer le morceau de métal durant 24 heures. Nous analysons l'ultrastructure du cortex cérébral à l'aide de la microscopie électronique et des coupes sériées permettant la reconstruction tridimensionnelle à l'aide de logiciels informatiques. Nous observons les modifications des structures présentes : les dendrites épineuses, les axones des cellules excitatrices et inhibitrices, leurs connections par des synapses et les astrocytes. Le nombre de synapses et d'épines est augmenté dans un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée 24 heures. Basé sur cela, nous montrons dans ces travaux que cette réponse n'est pas observée dans des souris hétérozygotes BDNF+/-. Cette neurotrophine sécrétée en fonction de l'activité neuronale est donc nécessaire pour la synaptogenèse. La synaptogenèse est accompagnée d'une modification des astrocytes qui se rapprochent des synapses excitatrices au niveau des épines dendritiques. Ils expriment également plus de transporteurs chargés d'internaliser le glutamate, le neurotransmetteur responsable de la réponse excitatrice des neurones. Nous montrons aussi que les axones excitateurs deviennent plus larges et forment plus de boutons multi-synaptiques à la suite de la stimulation tandis que les axones inhibiteurs ne changent pas de morphologie mais forment plus de synapses avec des épines apposées à leur membrane. Tous les éléments analysés dans le cerveau adulte ont maintenu la capacité de réagir aux modifications de l'activité neuronale et répondent aux modifications de l'activité permettant une constante adaptation à de nouveaux environnements durant la vie. Les circuits neuronaux gardent la capacité de créer de nouvelles synapses. Ces adaptations peuvent être des réponses transitoires aux stimuli mais peuvent aussi laisser une trace mnésique dans les circuits.

From bird to sparrow: Learning-induced modulations in fine-grained semantic discrimination.

Recognition of environmental sounds is believed to proceed through discrimination steps from broad to more narrow categories. Very little is known about the neural processes that underlie fine-grained discrimination within narrow categories or about their plasticity in relation to newly acquired expertise. We investigated how the cortical representation of birdsongs is modulated by brief training to recognize individual species. During a 60-minute session, participants learned to recognize a set of birdsongs; they improved significantly their performance for trained (T) but not control species (C), which were counterbalanced across participants. Auditory evoked potentials (AEPs) were recorded during pre- and post-training sessions. Pre vs. post changes in AEPs were significantly different between T and C i) at 206-232ms post stimulus onset within a cluster on the anterior part of the left superior temporal gyrus; ii) at 246-291ms in the left middle frontal gyrus; and iii) 512-545ms in the left middle temporal gyrus as well as bilaterally in the cingulate cortex. All effects were driven by weaker activity for T than C species. Thus, expertise in discriminating T species modulated early stages of semantic processing, during and immediately after the time window that sustains the discrimination between human vs. animal vocalizations. Moreover, the training-induced plasticity is reflected by the sharpening of a left lateralized semantic network, including the anterior part of the temporal convexity and the frontal cortex. Training to identify birdsongs influenced, however, also the processing of C species, but at a much later stage. Correct discrimination of untrained sounds seems to require an additional step which results from lower-level features analysis such as apperception. We therefore suggest that the access to objects within an auditory semantic category is different and depends on subject's level of expertise. More specifically, correct intra-categorical auditory discrimination for untrained items follows the temporal hierarchy and transpires in a late stage of semantic processing. On the other hand, correct categorization of individually trained stimuli occurs earlier, during a period contemporaneous with human vs. animal vocalization discrimination, and involves a parallel semantic pathway requiring expertise.

Electrostimulation mapping of comprehension of auditory and visual words.

In order to spare functional areas during the removal of brain tumours, electrical stimulation mapping was used in 90 patients (77 in the left hemisphere and 13 in the right; 2754 cortical sites tested). Language functions were studied with a special focus on comprehension of auditory and visual words and the semantic system. In addition to naming, patients were asked to perform pointing tasks from auditory and visual stimuli (using sets of 4 different images controlled for familiarity), and also auditory object (sound recognition) and Token test tasks. Ninety-two auditory comprehension interference sites were observed. We found that the process of auditory comprehension involved a few, fine-grained, sub-centimetre cortical territories. Early stages of speech comprehension seem to relate to two posterior regions in the left superior temporal gyrus. Downstream lexical-semantic speech processing and sound analysis involved 2 pathways, along the anterior part of the left superior temporal gyrus, and posteriorly around the supramarginal and middle temporal gyri. Electrostimulation experimentally dissociated perceptual consciousness attached to speech comprehension. The initial word discrimination process can be considered as an "automatic" stage, the attention feedback not being impaired by stimulation as would be the case at the lexical-semantic stage. Multimodal organization of the superior temporal gyrus was also detected since some neurones could be involved in comprehension of visual material and naming. These findings demonstrate a fine graded, sub-centimetre, cortical representation of speech comprehension processing mainly in the left superior temporal gyrus and are in line with those described in dual stream models of language comprehension processing.

Spinal cord injury affects the interplay between visual and sensorimotor representations of the body.

The brain integrates multiple sensory inputs, including somatosensory and visual inputs, to produce a representation of the body. Spinal cord injury (SCI) interrupts the communication between brain and body and the effects of this deafferentation on body representation are poorly understood. We investigated whether the relative weight of somatosensory and visual frames of reference for body representation is altered in individuals with incomplete or complete SCI (affecting lower limbs' somatosensation), with respect to controls. To study the influence of afferent somatosensory information on body representation, participants verbally judged the laterality of rotated images of feet, hands, and whole-bodies (mental rotation task) in two different postures (participants' body parts were hidden from view). We found that (i) complete SCI disrupts the influence of postural changes on the representation of the deafferented body parts (feet, but not hands) and (ii) regardless of posture, whole-body representation progressively deteriorates proportionally to SCI completeness. These results demonstrate that the cortical representation of the body is dynamic, responsive, and adaptable to contingent conditions, in that the role of somatosensation is altered and partially compensated with a change in the relative weight of somatosensory versus visual bodily representations.

Réponse auditive oscillatoire chez le non-voyant : investigation par magnétoencéphalographie

Les personnes non-voyantes montrent dans les différents aspects de leurs vies qu’elles sont capables de s’adapter à la privation visuelle en utilisant les capacités intactes comme l’ouï ou le toucher. Elles montrent qu’elles peuvent bien évoluer dans leur environnement en absence de vision et démontrent même des fois des habiletés supérieures à celles des personnes voyantes. La recherche de ces dernières décennies s’est beaucoup intéressée aux capacités adaptatives des non-voyants surtout avec l’avènement des nouvelles techniques d’imagerie qui ont permis d’investiguer des domaines qui ne l’étaient pas ou l’étaient difficilement avant. Les capacités supérieures des non voyants dans l’utilisation plus efficace des informations auditives et tactiles semblent avoir leur base neuronale dans le dans le cortex visuel désafférenté, qui continu à être fonctionnel après la privation sensorielle et s’en trouve recruté pour le traitement de stimulations dites intermodales : auditives, tactiles et même montre une implication dans des processus de plus haut niveau, comme la mémoire ou le langage. Cette implication fonctionnelle intermodale résulte de la plasticité du cortex visuel c'est-à-dire sa capacité à changer sa structure, sa fonction et d’adapter ses interactions avec les autres systèmes en l’absence de vision. La plasticité corticale n’est pas exclusive au cortex visuel mais est un état permanent de tout le cerveau. Pour mesurer l’activité du cortex visuel des non voyants, une mesure d’excitabilité de ses neurones consiste à mesurer le temps de recouvrement de l’onde N1 en potentiels évoqués, qui est plus rapide chez les non voyants dans la modalité auditive. En effet, les réponses en potentiels et champs évoqués ont été utilisés en EEG/MEG pour mettre en évidence des changements plastiques dans le cortex visuel des non-voyants pour le traitement de stimuli dans les modalités auditives et tactiles. Ces réponses étaient localisées dans les régions postérieures chez les non voyants contrairement aux contrôles voyants. Un autre type de réponse auditive a reçu moins d’intérêt dans la recherche concernant la réorganisation fonctionnelle en relation avec la privation sensorielle, il s’agit de la réponse auditive oscillatoire (Auditory Steady-State Response ASSR). C’est une réponse qui a l’avantage d’osciller au rythme de stimulation et d’être caractérisé par une réponse des aires auditives étiquetée à la fréquence de stimulation. Cette étiquette se présente sous la forme qu’un pic d’énergie spectrale important qui culmine aux fréquences présentes dans la stimulation. Elle a également l’avantage d’être localisée dans les régions auditives primaires, de là tout changement de localisation de cette réponse chez des non voyants en faveur des régions visuelles pourrait être considéré comme une évidence de la réorganisation fonctionnelle qui s’opère après une privation sensorielle précoce. Le but de cette thèse est donc d’utiliser la réponse oscillatoire à l’écoute des sons modulés en amplitude (MA) pour mettre en évidence les corrélats de la réorganisation fonctionnelle dans le cortex visuel des non-voyants précoces. La modulation de la réponse auditive dans les régions visuelles nous permettra de montrer qu’une réorganisation est possible chez les non-voyants pour ce traitement intermodal. La première étude est une validation du paradigme expérimental «frequency tagged sounds». Il s’agit de montrer qu’une tâche de détection de changement dans la stimulation, permet de moduler la réponse ASSR aux sons modulés en amplitude en vue de l’utiliser dans les études chez les non voyants et dans les conditions d’une privation visuelle transitoire (avec les yeux bandés). Un groupe de sujets voyants ont réalisé une tâche de détection de changement dans la stimulation les yeux ouverts dans deux conditions : écoute active qui consiste à détecter un changement dans la fréquence porteuse de la modulation en appuyant avec l’index droit sur un bouton de réponse et une condition d’écoute passive. Les sons étaient présentés en écoute monaurale et dichotique. Les résultats ont montré une différence significative à l’occurrence du changement dans la stimulation en écoute dichotique seulement. Les schémas de plus grande réponse controlatérale et de suppression binaurale décrit dans la littérature ont été confirmés. La deuxième étude avait pour but de mettre en évidence une réorganisation rapide de la réponse ASSR chez un groupe de sujets voyants dans les conditions de privation visuelle transitoire de courte durée, par bandage des yeux pendant six heures. Le même protocole expérimental que la première étude a été utilisé en écoute active seulement. Les résultats montrent que dans ces conditions une modulation de la réponse corticale en écoute dichotique dans les régions visuelles est possible. Ces sources d’activité occipitale adoptent une propriété du cortex auditif qui est le battement binaural, c'est-à-dire l’oscillation de la réponse ASSR à la différence des fréquences présentées dans chaque oreille. Cet effet est présent chez la moitié des sujets testés. La représentation corticale des sources occipitales évolue durant la période de privation et montre un déplacement des sources d’activité dans la direction antéropostérieure à la fin de la période de privation. La troisième étude a permis de comparer le traitement de la réponse ASSR dans un groupe de non-voyants congénitaux à un groupe de voyants contrôles, pour investiguer les corrélats de la réorganisation fonctionnelle de cette réponse après une privation sensorielle de longue durée c'est-à-dire chez des non voyants congénitaux. Les résultats montrent des différences significatives dans la représentation spectrale de la réponse entre les deux groupes avec néanmoins des activations temporales importantes aussi bien chez les non voyants que chez les contrôles voyants. Des sources distribuées ont été localisées dans les régions associatives auditives dans les deux groupes à la différence des non voyants où il y avait en plus l’implication des régions temporales inférieures, connues comme étant activées par la vision des objets chez les voyants et font partie de la voie visuelle du quoi. Les résultats présentés dans le cadre de cette thèse vont dans le sens d’une réorganisation rapide de la réponse auditive oscillatoire après une privation visuelle transitoire de courte durée par l’implication des régions visuelles dans le traitement de la réponse ASSR par l’intermédiaire du démasquage de connections existantes entre le cortex visuel et le cortex auditif. La privation visuelle de longue durée, elle conduit à des changements plastiques, d’une part intra modaux par l’extension de l’activité aux régions temporales supérieures et médianes. D’autre part, elle induit des changements inter modaux par l’implication fonctionnelle des régions temporales inférieures visuelles dans le traitement des sons modulés en amplitude comme objets auditifs alors qu’elles sont normalement dédiées au traitement des objets visuels. Cette réorganisation passe probablement par les connections cortico-corticales.

Encodage des forces tactiles dans le cortex somatosensoriel primaire

Les deux fonctions principales de la main sont la manipulation d’objet et l’exploration tactile. La détection du glissement, rapportée par les mécanorécepteurs de la peau glabre, est essentielle pour l’exécution de ces deux fonctions. Durant la manipulation d’objet, la détection rapide du micro-glissement (incipient slip) amène la main à augmenter la force de pince pour éviter que l’objet ne tombe. À l’opposé, le glissement est un aspect essentiel à l’exploration tactile puisqu’il favorise une plus grande acuité tactile. Pour ces deux actions, les forces normale et tangentielle exercées sur la peau permettent de décrire le glissement mais également ce qui arrive juste avant qu’il y ait glissement. Toutefois, on ignore comment ces forces contrôlées par le sujet pourraient être encodées au niveau cortical. C’est pourquoi nous avons enregistré l’activité unitaire des neurones du cortex somatosensoriel primaire (S1) durant l’exécution de deux tâches haptiques chez les primates. Dans la première tâche, deux singes devaient saisir une pastille de métal fixe et y exercer des forces de cisaillement sans glissement dans une de quatre directions orthogonales. Des 144 neurones enregistrés, 111 (77%) étaient modulés à la direction de la force de cisaillement. L’ensemble de ces vecteurs préférés s’étendait dans toutes les directions avec un arc variant de 50° à 170°. Plus de 21 de ces neurones (19%) étaient également modulés à l’intensité de la force de cisaillement. Bien que 66 neurones (59%) montraient clairement une réponse à adaptation lente et 45 autres (41%) une réponse à adaptation rapide, cette classification ne semblait pas expliquer la modulation à l’intensité et à la direction de la force de cisaillement. Ces résultats montrent que les neurones de S1 encodent simultanément la direction et l’intensité des forces même en l’absence de glissement. Dans la seconde tâche, deux singes ont parcouru différentes surfaces avec le bout des doigts à la recherche d’une cible tactile, sans feedback visuel. Durant l’exploration, les singes, comme les humains, contrôlaient les forces et la vitesse de leurs doigts dans une plage de valeurs réduite. Les surfaces à haut coefficient de friction offraient une plus grande résistance tangentielle à la peau et amenaient les singes à alléger la force de contact, normale à la peau. Par conséquent, la somme scalaire des composantes normale et tangentielle demeurait constante entre les surfaces. Ces observations démontrent que les singes contrôlent les forces normale et tangentielle qu’ils appliquent durant l’exploration tactile. Celles-ci sont également ajustées selon les propriétés de surfaces telles que la texture et la friction. Des 230 neurones enregistrés durant la tâche d’exploration tactile, 96 (42%) ont montré une fréquence de décharge instantanée reliée aux forces exercées par les doigts sur la surface. De ces neurones, 52 (54%) étaient modulés avec la force normale ou la force tangentielle bien que l’autre composante orthogonale avait peu ou pas d’influence sur la fréquence de décharge. Une autre sous-population de 44 (46%) neurones répondait au ratio entre la force normale et la force tangentielle indépendamment de l’intensité. Plus précisément, 29 (30%) neurones augmentaient et 15 (16%) autres diminuaient leur fréquence de décharge en relation avec ce ratio. Par ailleurs, environ la moitié de tous les neurones (112) étaient significativement modulés à la direction de la force tangentielle. De ces neurones, 59 (53%) répondaient à la fois à la direction et à l’intensité des forces. L’exploration de trois ou quatre différentes surfaces a permis d’évaluer l’impact du coefficient de friction sur la modulation de 102 neurones de S1. En fait, 17 (17%) neurones ont montré une augmentation de leur fréquence de décharge avec l’augmentation du coefficient de friction alors que 8 (8%) autres ont montré le comportement inverse. Par contre, 37 (36%) neurones présentaient une décharge maximale sur une surface en particulier, sans relation linéaire avec le coefficient de friction des surfaces. La classification d’adaptation rapide ou lente des neurones de S1 n’a pu être mise en relation avec la modulation aux forces et à la friction. Ces résultats montrent que la fréquence de décharge des neurones de S1 encode l’intensité des forces normale et tangentielle, le ratio entre les deux composantes et la direction du mouvement. Ces résultats montrent que le comportement d’une importante sous-population des neurones de S1 est déterminé par les forces normale et tangentielle sur la peau. La modulation aux forces présentée ici fait le pont entre les travaux évaluant les propriétés de surfaces telles que la rugosité et les études touchant à la manipulation d’objets. Ce système de référence s’applique en présence ou en absence de glissement entre la peau et la surface. Nos résultats quant à la modulation des neurones à adaptation rapide ou lente nous amènent à suggérer que cette classification découle de la manière que la peau est stimulée. Nous discuterons aussi de la possibilité que l’activité des neurones de S1 puisse inclure une composante motrice durant ces tâches sensorimotrices. Finalement, un nouveau cadre de référence tridimensionnel sera proposé pour décrire et rassembler, dans un même continuum, les différentes modulations aux forces normale et tangentielle observées dans S1 durant l’exploration tactile.

Étude du traitement visuel simple et complexe chez les enfants autistes

Les personnes ayant un trouble du spectre autistique (TSA) manifestent des particularités perceptives. En vision, des travaux influents chez les adultes ont mené à l’élaboration d’un modèle explicatif du fonctionnement perceptif autistique qui suggère que l’efficacité du traitement visuel varie en fonction de la complexité des réseaux neuronaux impliqués (Hypothèse spécifique à la complexité). Ainsi, lorsque plusieurs aires corticales sont recrutées pour traiter un stimulus complexe (e.g., modulations de texture; attributs de deuxième ordre), les adultes autistes démontrent une sensibilité diminuée. À l’inverse, lorsque le traitement repose principalement sur le cortex visuel primaire V1 (e.g., modulations locales de luminance; attributs de premier ordre), leur sensibilité est augmentée (matériel statique) ou intacte (matériel dynamique). Cette dissociation de performance est spécifique aux TSA et peut s’expliquer, entre autre, par une connectivité atypique au sein de leur cortex visuel. Les mécanismes neuronaux précis demeurent néanmoins méconnus. De plus, on ignore si cette signature perceptuelle est présente à l’enfance, information cruciale pour les théories perceptives de l’autisme. Le premier volet de cette thèse cherche à vérifier, à l’aide de la psychophysique et l’électrophysiologie, si la double dissociation de performance entre les attributs statiques de premier et deuxième ordre se retrouve également chez les enfants autistes d’âge scolaire. Le second volet vise à évaluer chez les enfants autistes l’intégrité des connexions visuelles descendantes impliquées dans le traitement des textures. À cet effet, une composante électrophysiologique reflétant principalement des processus de rétroaction corticale a été obtenue lors d’une tâche de ségrégation des textures. Les résultats comportementaux obtenus à l’étude 1 révèlent des seuils sensoriels similaires entre les enfants typiques et autistes à l’égard des stimuli définis par des variations de luminance et de texture. Quant aux données électrophysiologiques, il n’y a pas de différence de groupe en ce qui concerne le traitement cérébral associé aux stimuli définis par des variations de luminance. Cependant, contrairement aux enfants typiques, les enfants autistes ne démontrent pas une augmentation systématique d’activité cérébrale en réponse aux stimuli définis par des variations de texture pendant les fenêtres temporelles préférentiellement associées au traitement de deuxième ordre. Ces différences d’activation émergent après 200 ms et engagent les aires visuelles extrastriées des régions occipito-temporales et pariétales. Concernant la connectivité cérébrale, l’étude 2 indique que les connexions visuelles descendantes sont fortement asymétriques chez les enfants autistes, en défaveur de la région occipito-temporale droite. Ceci diffère des enfants typiques pour qui le signal électrophysiologique reflétant l’intégration visuo-corticale est similaire entre l’hémisphère gauche et droit du cerveau. En somme, en accord avec l’hypothèse spécifique à la complexité, la représentation corticale du traitement de deuxième ordre (texture) est atypiquement diminuée chez les enfants autistes, et un des mécanismes cérébraux impliqués est une altération des processus de rétroaction visuelle entre les aires visuelles de haut et bas niveau. En revanche, contrairement aux résultats obtenus chez les adultes, il n’y a aucun indice qui laisse suggérer la présence de mécanismes supérieurs pour le traitement de premier ordre (luminance) chez les enfants autistes.

Uncrossed cortico-muscular projections in humans are abundant to facial muscles of the upper and lower face, but may differ between sexes

It is a popular concept in clinical neurology that muscles of the lower face receive predominantly crossed cortico-bulbar motor input, whereas muscles of the upper face receive additional ipsilateral, uncrossed input. To test this notion, we used focal transcranial magnetic brain stimulation to quantify crossed and uncrossed cortico-muscular projections to 6 different facial muscles (right and left Mm. frontalis, nasalis, and orbicularis oris) in 36 healthy right-handed volunteers (15 men, 21 women, mean age 25 years). Uncrossed input was present in 78% to 92% of the 6 examined muscles. The mean uncrossed: crossed response amplitude ratios were 0.74/0.65 in right/left frontalis, 0.73/0.59 in nasalis, and 0.54/0.71 in orbicularis oris; ANOVA p>0.05). Judged by the sizes of motor evoked potentials, the cortical representation of the 3 muscles was similar. The amount of uncrossed projections was different between men and women, since men had stronger left-to-left projections and women stronger right-to-right projections. We conclude that the amount of uncrossed pyramidal projections is not different for muscles of the upper from those of the lower face. The clinical observation that frontal muscles are often spared in central facial palsies must, therefore, be explained differently. Moreover, gender specific lateralization phenomena may not only be present for higher level behavioural functions, but may also affect simple systems on a lower level of motor hierarchy.