Experience-dependent corticofugal adjustment of midbrain frequency map in bat auditory system

Recent studies of corticofugal modulation of auditory information processing indicate that cortical neurons mediate both a highly focused positive feedback to subcortical neurons “matched” in tuning to a particular acoustic parameter and a widespread lateral inhibition to “unmatched” subcortical neurons. This cortical function for the adjustment and improvement of subcortical information processing is called egocentric selection. Egocentric selection enhances the neural representation of frequently occurring signals in the central auditory system. For our present studies performed with the big brown bat (Eptesicus fuscus), we hypothesized that egocentric selection adjusts the frequency map of the inferior colliculus (IC) according to auditory experience based on associative learning. To test this hypothesis, we delivered acoustic stimuli paired with electric leg stimulation to the bat, because such paired stimuli allowed the animal to learn that the acoustic stimulus was behaviorally important and to make behavioral and neural adjustments based on the acquired importance of the acoustic stimulus. We found that acoustic stimulation alone evokes a change in the frequency map of the IC; that this change in the IC becomes greater when the acoustic stimulation is made behaviorally relevant by pairing it with electrical stimulation; that the collicular change is mediated by the corticofugal system; and that the IC itself can sustain the change evoked by the corticofugal system for some time. Our data support the hypothesis.

The corticofugal system for hearing: Recent progress

Peripheral auditory neurons are tuned to single frequencies of sound. In the central auditory system, excitatory (or facilitatory) and inhibitory neural interactions take place at multiple levels and produce neurons with sharp level-tolerant frequency-tuning curves, neurons tuned to parameters other than frequency, cochleotopic (frequency) maps, which are different from the peripheral cochleotopic map, and computational maps. The mechanisms to create the response properties of these neurons have been considered to be solely caused by divergent and convergent projections of neurons in the ascending auditory system. The recent research on the corticofugal (descending) auditory system, however, indicates that the corticofugal system adjusts and improves auditory signal processing by modulating neural responses and maps. The corticofugal function consists of at least the following subfunctions. (i) Egocentric selection for short-term modulation of auditory signal processing according to auditory experience. Egocentric selection, based on focused positive feedback associated with widespread lateral inhibition, is mediated by the cortical neural net working together with the corticofugal system. (ii) Reorganization for long-term modulation of the processing of behaviorally relevant auditory signals. Reorganization is based on egocentric selection working together with nonauditory systems. (iii) Gain control based on overall excitatory, facilitatory, or inhibitory corticofugal modulation. Egocentric selection can be viewed as selective gain control. (iv) Shaping (or even creation) of response properties of neurons. Filter properties of neurons in the frequency, amplitude, time, and spatial domains can be sharpened by the corticofugal system. Sharpening of tuning is one of the functions of egocentric selection.

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.

Alternative pathways for catecholamine action in oral motor control

Orofacial movement is a complex function performed by facial and jaw muscles. Jaw movement is enacted through the triggering of motoneurons located primarily in the trigeminal motor nucleus (Mo5). The Mo5 is located in the pontine reticular formation, which is encircled by premotor neurons. Previous studies using retrograde tracers have demonstrated that premotor neurons innervating the Mo5 are distributed in brainstem areas, and electrophysiological studies have suggested the existence of a subcortical relay in the corticofugal-Mo5 pathway. Various neurotransmitters have been implicated in oral movement. Dopamine is of special interest since its imbalance may produce changes in basal ganglia activity, which generates abnormal movements, including jaw motor dysfunction, as in oral dyskinesia and possibly in bruxism. However, the anatomical pathways connecting the dopaminergic systems with Mo5 motoneurons have not been studied systematically. After injecting retrograde tracer fluorogold into the Mo5, we observed retrograde-labeled neurons in brainstem areas and in a few forebrain nuclei, such as the central nucleus of the amygdala, and the parasubthalamic nucleus. By using dual-labeled immunohistochemistry, we found tyrosine hydroxylase (a catecholamine-processing enzyme) immunoreactive fibers in close apposition to retrograde-labeled neurons in brainstem nuclei, in the central nucleus of the amygdala and the parasubthalamic nucleus, suggesting the occurrence of synaptic contacts. Therefore, we suggested that catecholamines may regulate oralfacial movements through the premotor brainstem nuclei, which are related to masticatory control, and forebrain areas related to autonomic and stress responses. (C) 2005 Elsevier B.V.. All rights reserved.

From otoacoustic emission to late auditory potentials P300: the inhibitory effect

This study verifies the effects of contralateral noise on otoacoustic emissions and auditory evoked potentials. Short, middle and late auditory evoked potentials as well as otoacoustic emissions with and without white noise were assessed. Twenty-five subjects, normal-hearing, both genders, aged 18 to 30 years, were tested. In general, latencies of the various auditory potentials were increased at noise conditions, whereas amplitudes were diminished at noise conditions for short, middle and late latency responses combined in the same subject. The amplitude of otoacoustic emission decreased significantly in the condition with contralateral noise in comparison to the condition without noise. Our results indicate that most subjects presented different responses between conditions (with and without noise) in all tests, thereby suggesting that the efferent system was acting at both caudal and rostral portions of the auditory system.

Can imagined whole-body rotations improve vestibular compensation?

Unilateral damage to the labyrinth and the vestibular nerve cause rotational vertigo, postural imbalance, oculomotor disorders and spatial disorientation. Electrophysiological investigations in animals revealed that such deficits are partly due to imbalanced spontaneous activity and sensitivity to motion in neurons located in the ipsilesional and contralesional vestibular nuclei. Neurophysiological reorganizations taking place in the vestibular nuclei are the basis of the decline of the symptoms over time, a phenomenon known as vestibular compensation. Vestibular compensation is facilitated by motor activity and sensory experience, and current rehabilitation programs favor physical activity during the acute stage of a unilateral vestibular loss. Unfortunately, vestibular-defective patients tend to develop strategies in order to avoid movements causing imbalance and nausea (in particular body movements towards the lesioned side), which impedes vestibular compensation. Neuroanatomical evidence suggests a cortical control of postural and oculomotor reflexes based on corticofugal projections to the vestibular nuclei and, therefore, the possibility to manipulate vestibular functions through top-down mechanisms. Based on evidence from neuroimaging studies showing that imagined whole-body movements can activate part of the vestibular cortex, we propose that mental imagery of whole-body rotations to the lesioned and to the healthy side will help rebalancing the activity in the ipsilesional and contralesional vestibular nuclei. Whether imagined whole-body rotations can improve vestibular compensation could be tested in a randomized controlled study in such patients beneficiating, or not, from a mental imagery training. If validated, this hypothesis will help developing a method contributing to reduce postural instability and falls in vestibular-defective patients. Imagined whole-body rotations thus could provide a simple, safe, home-based and self-administered therapeutic method with the potential to overcome the inconvenience related to physical movements.

Layer-specific programs of development in neocortical projection neurons.

How are long-range axonal projections from the cerebral cortex orchestrated during development? By using both passively and actively transported axonal tracers in fetal and postnatal ferrets, we have analyzed the development of projections from the cortex to a number of thalamic nuclei. We report that the projections of a cortical area to its corresponding thalamic nuclei follow highly cell-specific programs of development. Axons from cells in the deepest layers of the cerebral cortex (layer 6 and superficial subplate neurons) appear to grow very slowly and be delayed for several weeks in the cerebral white matter, reaching the thalamus over a protracted period. Neurons of layer 5, on the other hand, develop their projections much faster; despite being born after the neurons of deeper layers, layer 5 neurons are the first to extend their axons out of the cortical hemisphere and innervate the thalamus. Layer 5 projections are massive in the first postnatal weeks but may become partly eliminated later in development, being overtaken in number by layer 6 cells that constitute the major corticothalamic projection by adulthood. Layer 5 projections are area-specific from the outset and arise as collateral branches of axons directed to the brainstem and spinal cord. Our findings show that the early development of corticofugal connections is determined not by the sequence of cortical neurogenesis but by developmental programs specific for each type of projection neuron. In addition, they demonstrate that in most thalamic nuclei, layer 5 neurons (and not subplate or layer 6 neurons) establish the first descending projections from the cerebral cortex.

Neural pathways mediating bilateral interactions between the upper limbs

The ease with which we perform tasks such as opening the lid of a jar, in which the two hands execute quite different actions, belies the fact that there is a strong tendency for the movements of the upper limbs to be drawn systematically towards one another. Mirror movements, involuntary contractions during intended unilateral engagement of the opposite limb, are considered pathological, as they occur in association with specific disorders of the CNS. Yet they are also observed frequently in normally developing children, and motor irradiation, an increase in the excitability of the (opposite) homologous motor pathways when unimanual movements are performed, is a robust feature of the mature motor system. The systematic nature of the interactions that occur between the upper limbs has also given rise to the expectation that functional improvements in the control of a paretic limb may occur when movements are performed in a bimanual context. In spite of the ubiquitous nature of these phenomena, there is remarkably little consensus concerning the neural basis of their mediation. In the present review, consideration is given to the putative roles of uncrossed corticofugal fibers, branched bilateral corticomotoroneuronal projections, and segmental networks. The potential for bilateral interactions to occur in various brain regions including the primary motor cortex, the supplementary motor area, non-primary motor areas, the basal ganglia, and the cerebellum is also explored. This information may provide principled bases upon which to evaluate and develop task and deficit-specific programs of movement rehabilitation and therapy. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.