Analysis of intrinsic cardiac neuron activity in relation to neurogenic atrial fibrillation and vagal stimulation

La fibrillation auriculaire est le trouble du rythme le plus fréquent chez l'homme. Elle conduit souvent à de graves complications telles que l'insuffisance cardiaque et les accidents vasculaires cérébraux. Un mécanisme neurogène de la fibrillation auriculaire mis en évidence. L'induction de tachyarythmie par stimulation du nerf médiastinal a été proposée comme modèle pour étudier la fibrillation auriculaire neurogène. Dans cette thèse, nous avons étudié l'activité des neurones cardiaques intrinsèques et leurs interactions à l'intérieur des plexus ganglionnaires de l'oreillette droite dans un modèle canin de la fibrillation auriculaire neurogène. Ces activités ont été enregistrées par un réseau multicanal de microélectrodes empalé dans le plexus ganglionnaire de l'oreillette droite. L'enregistrement de l'activité neuronale a été effectué continument sur une période de près de 4 heures comprenant différentes interventions vasculaires (occlusion de l'aorte, de la veine cave inférieure, puis de l'artère coronaire descendante antérieure gauche), des stimuli mécaniques (toucher de l'oreillette ou du ventricule) et électriques (stimulation du nerf vague ou des ganglions stellaires) ainsi que des épisodes induits de fibrillation auriculaire. L'identification et la classification neuronale ont été effectuées en utilisant l'analyse en composantes principales et le partitionnement de données (cluster analysis) dans le logiciel Spike2. Une nouvelle méthode basée sur l'analyse en composante principale est proposée pour annuler l'activité auriculaire superposée sur le signal neuronal et ainsi augmenter la précision de l'identification de la réponse neuronale et de la classification. En se basant sur la réponse neuronale, nous avons défini des sous-types de neurones (afférent, efférent et les neurones des circuits locaux). Leur activité liée à différents facteurs de stress nous ont permis de fournir une description plus détaillée du système nerveux cardiaque intrinsèque. La majorité des neurones enregistrés ont réagi à des épisodes de fibrillation auriculaire en devenant plus actifs. Cette hyperactivité des neurones cardiaques intrinsèques suggère que le contrôle de cette activité pourrait aider à prévenir la fibrillation auriculaire neurogène. Puisque la stimulation à basse intensité du nerf vague affaiblit l'activité neuronale cardiaque intrinsèque (en particulier pour les neurones afférents et convergents des circuits locaux), nous avons examiné si cette intervention pouvait être appliquée comme thérapie pour la fibrillation auriculaire. Nos résultats montrent que la stimulation du nerf vague droit a été en mesure d'atténuer la fibrillation auriculaire dans 12 des 16 cas malgré un effet pro-arythmique défavorable dans 1 des 16 cas. L'action protective a diminué au fil du temps et est devenue inefficace après ~ 40 minutes après 3 minutes de stimulation du nerf vague.

Serotonergic neurons in the caudal raphe nuclei discharge in association with activity of masticatory muscles

There is a dense serotonergic projection from nucleus raphe pallidus and nucleus raphe obscurus to the trigeminal motor nucleus and serotonin exerts a strong facilitatory action on the trigeminal motoneurons. Some serotonergic neurons in these caudal raphe nuclei increase their discharge during feeding. The objective of the present study was to investigate the possibility that the activity of these serotonergic neurons is related to activity of masticatory muscles. Cats were implanted with microelectrodes and gross electrodes. Caudal raphe single neuron activity, electrocorticographic activity, and splenius, digastric and masseter electromyographic activities were recorded during active behaviors (feeding and grooming), during quiet waking and during sleep. Seven presumed serotonergic neurons were identified. These neurons showed a long duration action potential (>2.0 ms), and discharged slowly (2-7 Hz) and very regularly (interspike interval coefficient of variation <0.3) during quiet waking. The activity of these neurons decreased remarkably during fast wave sleep (78-100%). Six of these neurons showed tonic changes in their activity positively related to digastric and/or masseter muscle activity but not to splenius muscle activity during waking. These data are consistent with the hypothesis that serotonergic neurons in the caudal raphe nuclei play an important role in the control of jaw movements

Do simple intransitive finger movements consistently activate frontoparietal mirror neuron areas in humans?

The posterior inferior frontal gyrus (pIFG) and anterior inferior parietal lobule (aIPL) form the core regions of the human “mirror neuron system” that matches an observed movement onto its internal motor representation. We used event-related functional MRI to examine whether simple intransitive finger movements evoke “mirror activity” in the pIFG and aIPL. In separate sessions, participants either merely observed visuospatial stimuli or responded to them as quickly as possible with a spatially compatible finger movement. A picture of a relaxed hand with static dots on the tip of the index and little finger was continuously presented as high-level baseline. Four types of stimuli were presented in a pseudorandom order: a color change of a dot, a moving finger, a moving dot, or a simultaneous finger-dot movement. Dot movements were spatially and kinematically matched to finger movements. Participants were faster at imitating a finger movement than performing the same movement in response to a moving dot or a color change of a dot. Though imitative responses were facilitated, fMRI revealed no additional “mirror activity” in the pIFG and aIPL during the observation or imitation of finger movements as opposed to observing or responding to a moving dot. Mere observation of a finger movement alone failed to induce significant activation of the pIFG and aIPL. The lack of a signature of “mirror neuron activity” in the inferior frontoparietal cortex is presumably due to specific features of the task which may have favored stimulus–response mapping based on common spatial coding. We propose that the responsiveness of human frontoparietal mirror neuron areas to simple intransitive movements critically depends on the experimental context.

Locus coeruleus mediates cold stress-induced polycystic ovary in rats

Previous reports about the rat ovary have shown that cold stress promotes ovarian morphological alterations related to a polycystic ovary (PCO) condition through activation of the ovarian sympathetic nerves. Because the noradrenergic nucleus locus coeruleus (LC) is activated by cold stress and synaptically connected to the preganglionic cell bodies of the ovarian sympathetic pathway, this study aimed to evaluate the LC`s role in cold stress-induced PCO in rats. Ovarian morphology and endocrine and sympathetic functions were evaluated after 8 wk of chronic intermittent cold stress (4 C, 3 h/d) in rats with or without LC lesion. The effect of acute and chronic cold stress upon the LC neuron activity was confirmed by Fos protein expression in tyrosine hydroxylase-immunoreactive neurons. Cold stress induced the formation of follicular cysts, type III follicles, and follicles with hyperthecosis alongside increased plasma estradiol and testosterone levels, irregular estrous cyclicity, and reduced ovulation. Considering estradiol release in vitro, cold stress potentiated the ovarian response to human chorionic gonadotropin. Ovarian norepinephrine (NE) was not altered after 8 wk of stress. However, LC lesion reduced NE activity in the ovary of cold-stressed rats, but not in controls, and prevented all the cold stress effects evaluated. Cold stress increased the number of Fos/tyrosine hydroxylase-immunoreactive neurons in the LC, but this effect was more pronounced for acute stress as compared with chronic stress. These results show that cold stress promotes PCO in rats, which apparently depends on ovarian NE activity that, under this condition, is regulated by the noradrenergic nucleus LC.

Chemical sensing in Drosophila.

Chemical sensing begins when peripheral receptor proteins recognise specific environmental stimuli and translate them into spatial and temporal patterns of sensory neuron activity. The chemosensory system of the fruit fly, Drosophila melanogaster, has become a dominant model to understand this process, through its accessibility to a powerful combination of molecular, genetic and electrophysiological analysis. Recent results have revealed many surprises in the biology of peripheral chemosensation in Drosophila, including novel structural and signalling properties of the insect odorant receptors (ORs), combinatorial mechanisms of chemical recognition by the gustatory receptors (GRs), and the implication of Transient Receptor Potential (TRP) ion channels as a novel class of chemosensory receptors.

Processing of temporal unpredictability in human and animal amygdala

The amygdala has been studied extensively for its critical role in associative fear conditioning in animals and humans. Noxious stimuli, such as those used for fear conditioning, are most effective in eliciting behavioral responses and amygdala activation when experienced in an unpredictable manner. Here, we show, using a translational approach in mice and humans, that unpredictability per se without interaction with motivational information is sufficient to induce sustained neural activity in the amygdala and to elicit anxiety-like behavior. Exposing mice to mere temporal unpredictability within a time series of neutral sound pulses in an otherwise neutral sensory environment increased expression of the immediate-early gene c-fos and prevented rapid habituation of single neuron activity in the basolateral amygdala. At the behavioral level, unpredictable, but not predictable, auditory stimulation induced avoidance and anxiety-like behavior. In humans, functional magnetic resonance imaging revealed that temporal unpredictably causes sustained neural activity in amygdala and anxiety-like behavior as quantified by enhanced attention toward emotional faces. Our findings show that unpredictability per se is an important feature of the sensory environment influencing habituation of neuronal activity in amygdala and emotional behavior and indicate that regulation of amygdala habituation represents an evolutionary-conserved mechanism for adapting behavior in anticipation of temporally unpredictable events.

Short-Term Plasticity in a Computational Model of the Tail-Withdrawal Circuit in Aplysia.

The tail-withdrawal circuit of Aplysia provides a useful model system for investigating synaptic dynamics. Sensory neurons within the circuit manifest several forms of synaptic plasticity. Here, we developed a model of the circuit and investigated the ways in which depression (DEP) and potentiation (POT) contributed to information processing. DEP limited the amount of motor neuron activity that could be elicited by the monosynaptic pathway alone. POT within the monosynaptic pathway did not compensate for DEP. There was, however, a synergistic interaction between POT and the polysynaptic pathway. This synergism extended the dynamic range of the network, and the interplay between DEP and POT made the circuit responded preferentially to long-duration, low-frequency inputs.

Short-Term Plasticity in a Computational Model of the Tail-Withdrawal Circuit in Aplysia.

The tail-withdrawal circuit of Aplysia provides a useful model system for investigating synaptic dynamics. Sensory neurons within the circuit manifest several forms of synaptic plasticity. Here, we developed a model of the circuit and investigated the ways in which depression (DEP) and potentiation (POT) contributed to information processing. DEP limited the amount of motor neuron activity that could be elicited by the monosynaptic pathway alone. POT within the monosynaptic pathway did not compensate for DEP. There was, however, a synergistic interaction between POT and the polysynaptic pathway. This synergism extended the dynamic range of the network, and the interplay between DEP and POT made the circuit responded preferentially to long-duration, low-frequency inputs.

Hypothalamic feedforward inhibition of thalamocortical network controls arousal and consciousness.

During non-rapid eye movement (NREM) sleep, synchronous synaptic activity in the thalamocortical network generates predominantly low-frequency oscillations (<4 Hz) that are modulated by inhibitory inputs from the thalamic reticular nucleus (TRN). Whether TRN cells integrate sleep-wake signals from subcortical circuits remains unclear. We found that GABA neurons from the lateral hypothalamus (LHGABA) exert a strong inhibitory control over TRN GABA neurons (TRNGABA). We found that optogenetic activation of this circuit recapitulated state-dependent changes of TRN neuron activity in behaving mice and induced rapid arousal during NREM, but not REM, sleep. During deep anesthesia, activation of this circuit induced sustained cortical arousal. In contrast, optogenetic silencing of LHGABA-TRNGABA transmission increased the duration of NREM sleep and amplitude of delta (1-4 Hz) oscillations. Collectively, these results demonstrate that TRN cells integrate subcortical arousal inputs selectively during NREM sleep and may participate in sleep intensity.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Interpretable Convolutional Neural Networks for Decoding and Analyzing Neural Time Series Data

Machine learning is widely adopted to decode multi-variate neural time series, including electroencephalographic (EEG) and single-cell recordings. Recent solutions based on deep learning (DL) outperformed traditional decoders by automatically extracting relevant discriminative features from raw or minimally pre-processed signals. Convolutional Neural Networks (CNNs) have been successfully applied to EEG and are the most common DL-based EEG decoders in the state-of-the-art (SOA). However, the current research is affected by some limitations. SOA CNNs for EEG decoding usually exploit deep and heavy structures with the risk of overfitting small datasets, and architectures are often defined empirically. Furthermore, CNNs are mainly validated by designing within-subject decoders. Crucially, the automatically learned features mainly remain unexplored; conversely, interpreting these features may be of great value to use decoders also as analysis tools, highlighting neural signatures underlying the different decoded brain or behavioral states in a data-driven way. Lastly, SOA DL-based algorithms used to decode single-cell recordings rely on more complex, slower to train and less interpretable networks than CNNs, and the use of CNNs with these signals has not been investigated. This PhD research addresses the previous limitations, with reference to P300 and motor decoding from EEG, and motor decoding from single-neuron activity. CNNs were designed light, compact, and interpretable. Moreover, multiple training strategies were adopted, including transfer learning, which could reduce training times promoting the application of CNNs in practice. Furthermore, CNN-based EEG analyses were proposed to study neural features in the spatial, temporal and frequency domains, and proved to better highlight and enhance relevant neural features related to P300 and motor states than canonical EEG analyses. Remarkably, these analyses could be used, in perspective, to design novel EEG biomarkers for neurological or neurodevelopmental disorders. Lastly, CNNs were developed to decode single-neuron activity, providing a better compromise between performance and model complexity.

Relative influence of gaze and static arm position in the Superior Parietal Lobule of the macaque monkey during reaching

The superior parietal lobule (SPL) of macaques is classically described as an associative cortex implicated in visuospatial perception, planning and control of reaching and grasping movements (De Vitis et al., 2019; Galletti et al., 2003, 2018, 2022; Fattori et al., 2017; Hadjidimitrakis et al., 2015). These processes are the result of the integration of signals related to different sensory modalities. During a goal-directed action, eye and limb information are combined to ensure that the hand is transported at the gazed target location and the arm is maintained steady in the final position. The SPL areas V6A, PEc and PE contain cells sensitive to the direction of gaze and limb position but less is known about the degree of independent encoding of these signals. In this thesis, we evaluated the influence of eye and arm position information upon single neuron activity of areas V6A, PEc and PE during the holding period after the execution of arm reaching movement, when the gaze and hand are both still at the reach target. Two male macaques (Macaca fascicularis) performed a reaching task while single unit activity was recorded from areas V6A, PEc and PE. We found that neurons in all these areas were modulated by eye and static arm positions with a joint encoding of gaze and somatosensory signals in V6A and PEc and a mostly separate processing of the two signals in PE. The elaboration of this information reflects the functional gradient found in the SPL with the caudal sector characterized by visuo-somatic properties in comparison to the rostral sector dominated by somatosensory signals. This evidence well agree also with the recent reallocation of areas V6A and PEc in Brodmann’s area 7 depending on their similar structural and functional features with respect to PE belonging to Brodmann’s area 5 (Gamberini et al., 2020).

Activity-Dependent Neurorehabilitation Beyond Physical Trainings: "Mental Exercise" Through Mirror Neuron Activation

The activity dependent brain repair mechanism has been widely adopted in many types of neurorehabilitation. The activity leads to target specific and non-specific beneficial effects in different brain regions, such as the releasing of neurotrophic factors, modulation of the cytokines and generation of new neurons in adult hood. However physical exercise program clinically are limited to some of the patients with preserved motor functions; while many patients suffered from paralysis cannot make such efforts. Here the authors proposed the employment of mirror neurons system in promoting brain rehabilitation by "observation based stimulation". Mirror neuron system has been considered as an important basis for action understanding and learning by mimicking others. During the action observation, mirror neuron system mediated the direct activation of the same group of motor neurons that are responsible for the observed action. The effect is clear, direct, specific and evolutionarily conserved. Moreover, recent evidences hinted for the beneficial effects on stroke patients after mirror neuron system activation therapy. Finally some music-relevant therapies were proposed to be related with mirror neuron system.