Mechanisms of cross-modal plasticity in early-blind subjects.

A variety of studies have demonstrated enhanced blood oxygenation level dependent responses to auditory and tactile stimuli within occipital cortex as a result of early blindness. However, little is known about the organizational principles that drive this cross-modal plasticity. We compared BOLD responses to a wide variety of auditory and tactile tasks (vs. rest) in early-blind and sighted subjects. As expected, cross-modal responses were larger in blind than in sighted subjects in occipital cortex for all tasks (cross-modal plasticity). Within both blind and sighted subject groups, we found patterns of cross-modal activity that were remarkably similar across tasks: a large proportion of cross-modal responses within occipital cortex are neither task nor stimulus specific. We next examined the mechanisms underlying enhanced BOLD responses within early-blind subjects. We found that the enhancement of cross-modal responses due to early blindness was best described as an additive shift, suggesting that cross-modal plasticity within blind subjects does not originate from either a scaling or unmasking of cross-modal responsivities found in sighted subjects.

Cross-modal plasticity in the human thalamus: evidence from intraoperative macrostimulations

During stereotactic functional neurosurgery, stimulation procedure to control for proper target localization provides a unique opportunity to investigate pathophysiological phenomena that cannot be addressed in experimental setups. Here we report on the distribution of response modalities to 487 intraoperative thalamic stimulations performed in 24 neurogenic pain (NP), 17 parkinsonian (PD) and 10 neuropsychiatric (Npsy) patients. Threshold responses were subdivided into somatosensory, motor and affective, and compared between medial (central lateral nucleus) and lateral (ventral anterior, ventral lateral and ventral medial) thalamic nuclei and between patients groups. Major findings were as follows: in the medial thalamus, evoked responses were for a large majority (95%) somatosensory in NP patients, 47% were motor in PD patients, and 54% affective in Npsy patients. In the lateral thalamus, a much higher proportion of somatosensory (83%) than motor responses (5%) was evoked in NP patients, while the proportion was reversed in PD patients (69% motor vs. 21% somatosensory). These results provide the first evidence for functional cross-modal changes in lateral and medial thalamic nuclei in response to intraoperative stimulations in different functional disorders. This extensive functional reorganization sheds new light on wide-range plasticity in the adult human thalamocortical system.

The contributions of sensory dominance and attentional bias to cross-modal enhancement of visual cortex excitability.

Approaching or looming sounds (L-sounds) have been shown to selectively increase visual cortex excitability [Romei, V., Murray, M. M., Cappe, C., & Thut, G. Preperceptual and stimulus-selective enhancement of low-level human visual cortex excitability by sounds. Current Biology, 19, 1799-1805, 2009]. These cross-modal effects start at an early, preperceptual stage of sound processing and persist with increasing sound duration. Here, we identified individual factors contributing to cross-modal effects on visual cortex excitability and studied the persistence of effects after sound offset. To this end, we probed the impact of different L-sound velocities on phosphene perception postsound as a function of individual auditory versus visual preference/dominance using single-pulse TMS over the occipital pole. We found that the boosting of phosphene perception by L-sounds continued for several tens of milliseconds after the end of the L-sound and was temporally sensitive to different L-sound profiles (velocities). In addition, we found that this depended on an individual's preferred sensory modality (auditory vs. visual) as determined through a divided attention task (attentional preference), but not on their simple threshold detection level per sensory modality. Whereas individuals with "visual preference" showed enhanced phosphene perception irrespective of L-sound velocity, those with "auditory preference" showed differential peaks in phosphene perception whose delays after sound-offset followed the different L-sound velocity profiles. These novel findings suggest that looming signals modulate visual cortex excitability beyond sound duration possibly to support prompt identification and reaction to potentially dangerous approaching objects. The observed interindividual differences favor the idea that unlike early effects this late L-sound impact on visual cortex excitability is influenced by cross-modal attentional mechanisms rather than low-level sensory processes.

Cross-modal preference acquisition: evaluative conditioning of pictures by affective olfactory and auditory cues

In this research, a cross-model paradigm was chosen to test the hypothesis that affective olfactory and auditory cues paired with neutral visual stimuli bearing no resemblance or logical connection to the affective cues can evoke preference shifts in those stimuli. Neutral visual stimuli of abstract paintings were presented simultaneously with liked and disliked odours and sounds, with neutral-neutral pairings serving as controls. The results confirm previous findings that the affective evaluation of previously neutral visual stimuli shifts in the direction of contingently presented affective auditory stimuli. In addition, this research shows the presence of conditioning with affective odours having no logical connection with the pictures.

N1 enhancement in synesthesia during visual and audio-visual perception in semantic cross-modal conflict situations: an ERP study

Synesthesia entails a special kind of sensory perception, where stimulation in one sensory modality leads to an internally generated perceptual experience of another, not stimulated sensory modality. This phenomenon can be viewed as an abnormal multisensory integration process as here the synesthetic percept is aberrantly fused with the stimulated modality. Indeed, recent synesthesia research has focused on multimodal processing even outside of the specific synesthesia-inducing context and has revealed changed multimodal integration, thus suggesting perceptual alterations at a global level. Here, we focused on audio-visual processing in synesthesia using a semantic classification task in combination with visually or auditory-visually presented animated and in animated objects in an audio-visual congruent and incongruent manner. Fourteen subjects with auditory-visual and/or grapheme-color synesthesia and 14 control subjects participated in the experiment. During presentation of the stimuli, event-related potentials were recorded from 32 electrodes. The analysis of reaction times and error rates revealed no group differences with best performance for audio-visually congruent stimulation indicating the well-known multimodal facilitation effect. We found enhanced amplitude of the N1 component over occipital electrode sites for synesthetes compared to controls. The differences occurred irrespective of the experimental condition and therefore suggest a global influence on early sensory processing in synesthetes.

Gender differences in the sensitivity to negative stimuli:cross-modal affective priming study

Background: There is evidence showing that men and women differ with regard to the processing of emotional information. However, the mechanisms behind these differences are not fully understood. Method: The sample comprised of 275 (167 female) right-handed, healthy participants, recruited from the community. We employed a customized affective priming task, which consisted of three subtests, differing in the modality of the prime (face, written word, and sound). The targets were always written words of either positive or negative valence. The priming effect was measured as reaction time facilitation in conditions where both prime and target were emotional (of the same positive or negative valence) compared with conditions where the emotional targets were preceded by neutral primes. Results: The priming effect was observed across all three modalities, with an interaction of gender by valence: the priming effect in the emotionally negative condition in male participants was stronger compared with females. This was accounted for by the differential priming effect within the female group where priming was significantly smaller in the emotionally negative conditions compared with the positive conditions. The male participants revealed a comparable priming effect across both the emotionally negative and positive conditions. Conclusion: Reduced priming in negative conditions in women may reflect interference processes due to greater sensitivity to negative valence of stimuli. This in turn could underlie the gender-related differences in susceptibility to emotional disorders.

Investigating perceptual multisensory impairments in Autism through a neural network: a possible neural implementation for the shift from cross-modal competition to facilitation

Resolution of multisensory deficits has been observed in teenagers with Autism Spectrum Disorders (ASD) for complex, social speech stimuli; this resolution extends to more basic multisensory processing, involving low-level stimuli. In particular, a delayed transition of multisensory integration (MSI) from a default state of competition to one of facilitation has been observed in ASD children. In other terms, the complete maturation of MSI is achieved later in ASD. In the present study a neuro-computational model is used to reproduce some patterns of behavior observed experimentally, modeling a bisensory reaction time task, in which auditory and visual stimuli are presented in random sequence alone (A or V) or together (AV). The model explains how the default competitive state can be implemented via mutual inhibition between primary sensory areas, and how the shift toward the classical multisensory facilitation, observed in adults, is the result of inhibitory cross-modal connections becoming excitatory during the development. Model results are consistent with a stronger cross-modal inhibition in ASD children, compared to normotypical (NT) ones, suggesting that the transition toward a cooperative interaction between sensory modalities takes longer to occur. Interestingly, the model also predicts the difference between unisensory switch trials (in which sensory modality switches) and unisensory repeat trials (in which sensory modality repeats). This is due to an inhibitory mechanism, characterized by a slow dynamics, driven by the preceding stimulus and inhibiting the processing of the incoming one, when of the opposite sensory modality. These findings link the cognitive framework delineated by the empirical results to a plausible neural implementation.

Vibration-enhanced posture stabilization achieved by tactile supplementation: May blind individuals get extra benefits?

Diminished balance ability poses a serious health risk due to the increased likelihood of falling, and impaired postural stability is significantly associated with blindness and poor vision. Noise stimulation (by improving the detection of sub-threshold somatosensory information) and tactile supplementation (i.e. additional haptic information provided by an external contact surface) have been shown to improve the performance of the postural control system. Moreover, vibratory noise added to the source of tactile supplementation (e.g. applied to a surface that the fingertip touches) has been shown to enhance balance stability more effectively than tactile supplementation alone. In view of the above findings, in addition to the well established consensus that blind subjects show superior abilities in the use of tactile information, we hypothesized that blind subjects may take extra benefits from the vibratory noise added to the tactile supplementation and hence show greater improvements in postural stability than those observed for sighted subjects. If confirmed, this hypothesis may lay the foundation for the development of noise-based assistive devices (e.g. canes, walking sticks) for improving somatosensation and hence prevent falls in blind individuals. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Visual activity predicts auditory recovery from deafness after adult cochlear implantation.

Modern cochlear implantation technologies allow deaf patients to understand auditory speech; however, the implants deliver only a coarse auditory input and patients must use long-term adaptive processes to achieve coherent percepts. In adults with post-lingual deafness, the high progress of speech recovery is observed during the first year after cochlear implantation, but there is a large range of variability in the level of cochlear implant outcomes and the temporal evolution of recovery. It has been proposed that when profoundly deaf subjects receive a cochlear implant, the visual cross-modal reorganization of the brain is deleterious for auditory speech recovery. We tested this hypothesis in post-lingually deaf adults by analysing whether brain activity shortly after implantation correlated with the level of auditory recovery 6 months later. Based on brain activity induced by a speech-processing task, we found strong positive correlations in areas outside the auditory cortex. The highest positive correlations were found in the occipital cortex involved in visual processing, as well as in the posterior-temporal cortex known for audio-visual integration. The other area, which positively correlated with auditory speech recovery, was localized in the left inferior frontal area known for speech processing. Our results demonstrate that the visual modality's functional level is related to the proficiency level of auditory recovery. Based on the positive correlation of visual activity with auditory speech recovery, we suggest that visual modality may facilitate the perception of the word's auditory counterpart in communicative situations. The link demonstrated between visual activity and auditory speech perception indicates that visuoauditory synergy is crucial for cross-modal plasticity and fostering speech-comprehension recovery in adult cochlear-implanted deaf patients.

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

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

Les habiletés olfactives des aveugles de naissance : organisation anatomo-fonctionnelle et aspects comportementaux

La littérature décrit certains phénomènes de réorganisation physiologique et fonctionnelle dans le cerveau des aveugles de naissance, notamment en ce qui a trait au traitement de l’information tactile et auditive. Cependant, le système olfactif des aveugles n’a reçu que très peu d’attention de la part des chercheurs. Le but de cette étude est donc de comprendre comment les aveugles traitent l’information olfactive au niveau comportemental et d’investiguer les substrats neuronaux impliqués dans ce processus. Puisque, en règle générale, les aveugles utilisent leurs sens résiduels de façon compensatoire et que le système olfactif est extrêmement plastique, des changements au niveau de l’organisation anatomo-fonctionnelle pourraient en résulter. Par le biais de méthodes psychophysiques et d’imagerie cérébrale (Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle-IRMf), nous avons investigué les substrats anatomo-fonctionnels sollicités par des stimuli olfactifs. Nous avons trouvé que les aveugles ont un seuil de détection plus bas que les voyants, mais que leur capacité à discriminer et identifier des odeurs est similaire au groupe contrôle. Ils ont aussi plus conscience de l’environnement olfactif. Les résultats d’imagerie révèlent un signal BOLD plus intense dans le cortex orbitofrontal droit, le thalamus, l’hippocampe droit et le cortex occipital lors de l’exécution d’une tâche de détection d’odeur. Nous concluons que les individus aveugles se fient d’avantage à leur sens de l’odorat que les voyants afin d’évoluer dans leur environnement physique et social. Cette étude démontre pour la première fois que le cortex visuel des aveugles peut être recruté par des stimuli olfactifs, ce qui prouve que cette région assume des fonctions multimodales.

Auditory spatio-temporal brain dynamics and their consequences for multisensory interactions in humans.

Recent multisensory research has emphasized the occurrence of early, low-level interactions in humans. As such, it is proving increasingly necessary to also consider the kinds of information likely extracted from the unisensory signals that are available at the time and location of these interaction effects. This review addresses current evidence regarding how the spatio-temporal brain dynamics of auditory information processing likely curtails the information content of multisensory interactions observable in humans at a given latency and within a given brain region. First, we consider the time course of signal propagation as a limitation on when auditory information (of any kind) can impact the responsiveness of a given brain region. Next, we overview the dual pathway model for the treatment of auditory spatial and object information ranging from rudimentary to complex environmental stimuli. These dual pathways are considered an intrinsic feature of auditory information processing, which are not only partially distinct in their associated brain networks, but also (and perhaps more importantly) manifest only after several tens of milliseconds of cortical signal processing. This architecture of auditory functioning would thus pose a constraint on when and in which brain regions specific spatial and object information are available for multisensory interactions. We then separately consider evidence regarding mechanisms and dynamics of spatial and object processing with a particular emphasis on when discriminations along either dimension are likely performed by specific brain regions. We conclude by discussing open issues and directions for future research.

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.