The use of somatosensory information during the acquisition of independent upright stance

This study investigated developmental changes in the use of a contact surface during the acquisition of upright posture. Standing infants were longitudinally examined at four developmental epochs: pulling to stand (PS); standing alone (SA); walking onset (WO); and 1.5 months post-walking (PW). The results revealed that as standing experience increased the force applied to the contact surface by the hand and the body sway decreased. Applied force and body sway were consistently related in the anterior-posterior direction (r approximate to 0.65). Temporally, body sway led applied force (approximate to 45 ms) at the PS, SA, and WO developmental periods. However, at PW, the temporal relationship reversed and applied force led body sway (approximate to 140 ms). These results indicate that initially infants use surface contact for mechanical purposes but later for orientation information that affords prospective control of posture.

Postural control in children: Coupling to dynamic somatosensory information

The purpose of this investigation was to determine whether the coupling between dynamic somatosensory information and body sway is similar in children and adults. Thirty children (4-, 6-, and 8-year-olds) and 10 adults stood upright, with feet parallel, and lightly contacting the fingertip to a rigid metal plate that moved rhythmically at 0.2, 0.5, and 0.8 Hz. Light touch to the moving contact surface induced postural sway in all participants. The somatosensory stimulus produced a broadband frequency response in children, while the adult response was primarily at the driving frequency. Gain, as a function of frequency, was qualitatively the same in children and adults. Phase decreased less in 4-year-olds than other age groups, suggesting a weaker coupling to position information in the sensory stimulus. Postural sway variability was larger in children than adults. These findings suggest that, even as young as age 6, children show well-developed coupling to the sensory stimulus. However, unlike adults, this coupling is not well focused at the frequency specified by the somatosensory signal. Children may be unable to uncouple from sensory information that is less relevant to the task, resulting in a broadband response in their frequency spectrum. Moreover, higher sway variability may not result from the sensory feedback process, but rather from the children's underdeveloped ability to estimate an internal model of body orientation.

Postural control in Down syndrome: the use of somatosensory and visual information to attenuate body sway

The purpose of this study was to examine the effects of visual and somatosensory information on body sway in individuals with Down syndrome (DS). Nine adults with DS (19-29 years old) and nine control subjects (CS) (19-29 years old) stood in the upright stance in four experimental conditions: no vision and no touch; vision and no touch; no vision and touch; and vision and touch. In the vision condition, participants looked at a target placed in front of them; in the no vision condition, participants wore a black cotton mask. In the touch condition, participants touched a stationary surface with their right index finger; in the no touch condition, participants kept their arms hanging alongside their bodies. A force plate was used to estimate center of pressure excursion for both anterior-posterior and medial-lateral directions. MANOVA revealed that both the individuals with DS and the control subjects used vision and touch to reduce overall body sway, although individuals with DS still oscillated more than did the CS. These results indicate that adults with DS are able to use sensory information to reduce body sway, and they demonstrate that there is no difference in sensory integration between the individuals with DS and the CS.

THE INFLUENCE OF VIBRISSAL SOMATOSENSORY PROCESSING IN RAT SUPERIOR COLLICULUS ON PREY CAPTURE

The lateral part of intermediate layer of superior colliculus (SCI) is a critical substrate for successful predation by rats. Hunting-evoked expression of the activity marker Fos is concentrated in SCI while prey capture in rats with NMDA lesions in SCI is impaired. Particularly affected are rapid orienting and stereotyped sequences of actions associated with predation of fast moving prey. Such deficits are consistent with the view that the deep layers of SC are important for sensory guidance of movement. Although much of the relevant evidence involves visual control of movement, less is known about movement guidance by somatosensory input from vibrissae. Indeed, our impression is that prey contact with whiskers is a likely stimulus to trigger predation. Moreover, SCI receives whisker and orofacial somatosensory information directly from trigeminal complex, and indirectly from zona incerta, parvicelular reticular formation and somatosensory barrel cortex. To better understand sensory guidance of predation by vibrissal information we investigated prey capture by rats after whisker removal and the role of superior colliculus (SC) by comparing Fos expression after hunting with and without whiskers. Rats were allowed to hunt cockroaches, after which their whiskers were removed. Two days later they were allowed to hunt cockroaches again. Without whiskers the rats were less able to retain the cockroaches after capture and less able to pursue them in the event of the cockroach escaping. The predatory behaviour of rats with re-grown whiskers returned to normal. In parallel, Fos expression in SCI induced by predation was significantly reduced in whiskerless animals. We conclude that whiskers contribute to the efficiency of rat prey capture and that the loss of vibrissal input to SCI, as reflected by reduced Fos expression, could play a critical role in predatory deficits of whiskerless rats. (C) 2011 IBRO. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Intra- and inter-hemispheric interactions in somatosensory processing of pain : dynamical causal modeling analysis of fMRI data

La douleur est une expérience perceptive comportant de nombreuses dimensions. Ces dimensions de douleur sont inter-reliées et recrutent des réseaux neuronaux qui traitent les informations correspondantes. L’élucidation de l'architecture fonctionnelle qui supporte les différents aspects perceptifs de l'expérience est donc une étape fondamentale pour notre compréhension du rôle fonctionnel des différentes régions de la matrice cérébrale de la douleur dans les circuits corticaux qui sous tendent l'expérience subjective de la douleur. Parmi les diverses régions du cerveau impliquées dans le traitement de l'information nociceptive, le cortex somatosensoriel primaire et secondaire (S1 et S2) sont les principales régions généralement associées au traitement de l'aspect sensori-discriminatif de la douleur. Toutefois, l'organisation fonctionnelle dans ces régions somato-sensorielles n’est pas complètement claire et relativement peu d'études ont examiné directement l'intégration de l'information entre les régions somatiques sensorielles. Ainsi, plusieurs questions demeurent concernant la relation hiérarchique entre S1 et S2, ainsi que le rôle fonctionnel des connexions inter-hémisphériques des régions somatiques sensorielles homologues. De même, le traitement en série ou en parallèle au sein du système somatosensoriel constitue un autre élément de questionnement qui nécessite un examen plus approfondi. Le but de la présente étude était de tester un certain nombre d'hypothèses sur la causalité dans les interactions fonctionnelle entre S1 et S2, alors que les sujets recevaient des chocs électriques douloureux. Nous avons mis en place une méthode de modélisation de la connectivité, qui utilise une description de causalité de la dynamique du système, afin d'étudier les interactions entre les sites d'activation définie par un ensemble de données provenant d'une étude d'imagerie fonctionnelle. Notre paradigme est constitué de 3 session expérimentales en utilisant des chocs électriques à trois différents niveaux d’intensité, soit modérément douloureux (niveau 3), soit légèrement douloureux (niveau 2), soit complètement non douloureux (niveau 1). Par conséquent, notre paradigme nous a permis d'étudier comment l'intensité du stimulus est codé dans notre réseau d'intérêt, et comment la connectivité des différentes régions est modulée dans les conditions de stimulation différentes. Nos résultats sont en faveur du mode sériel de traitement de l’information somatosensorielle nociceptive avec un apport prédominant de la voie thalamocorticale vers S1 controlatérale au site de stimulation. Nos résultats impliquent que l'information se propage de S1 controlatéral à travers notre réseau d'intérêt composé des cortex S1 bilatéraux et S2. Notre analyse indique que la connexion S1→S2 est renforcée par la douleur, ce qui suggère que S2 est plus élevé dans la hiérarchie du traitement de la douleur que S1, conformément aux conclusions précédentes neurophysiologiques et de magnétoencéphalographie. Enfin, notre analyse fournit des preuves de l'entrée de l'information somatosensorielle dans l'hémisphère controlatéral au côté de stimulation, avec des connexions inter-hémisphériques responsable du transfert de l'information à l'hémisphère ipsilatéral.

The roles of the somatosensory cortices in the perception of noxious and innocuous stimuli

Résumé Les premières études électrophysiologiques et anatomiques ont établi le rôle crucial du cortex somatosensoriel primaire et secondaire (SI et SII) dans le traitement de l'information somatosensorielle. Toutefois, les récentes avancées en techniques d’imagerie cérébrale ont mis en question leur rôle dans la perception somatosensorielle. La réorganisation du cortex somatosensoriel est un phénomène qui a été proposé comme cause de la douleur du membre fantôme chez les individus amputés. Comme la plupart des études se sont concentrées sur le rôle du SI, une étude plus approfondie est nécessaire. La présente série d'expériences implique une exploration du rôle des régions somatosensorielles dans la perception des stimuli douleureux et non-douleureux chez des volontaires sains et patients avec des douleurs de membre fantôme. La première étude expérimentale présentée dans le chapitre 3 est une méta-analyse des études de neuro-imagerie employant des stimuli nociceptifs chez des volontaires sains. En comparaison aux précédentes, la présente étude permet la génération de cartes quantitatives probabilistes permettant la localisation des régions activées en réponse à des stimuli nociceptifs. Le rôle du cortex somatosensoriel dans la perception consciente de stimuli chauds a été étudié dans le chapitre 4 grâce à une étude d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, dans laquelle des stimuli thermiques douloureux et non-douloureux ont été administrés de manière contrebalancée. Grâce à cette procédure, la perception de la chaleur fut atténuée par les stimuli douloureux, ce qui permit la comparaison des stimuli consciemment perçus avec ceux qui ne le furent pas. Les résultats ont montrés que les stimulations chaudes perçues ont engendré l’activation de l’aire SI controlatérale, ainsi que de la région SII. Grâce à l’évaluation clinique de patients amputés présentant une altération de leurs perceptions somatosensorielles, il est également possible de dessiner un aperçu des régions corticales qui sous-tendent ces modifications perceptuelles. Dans le chapitre 5 nous avons émis l'hypothèse proposant que les sensations du membre fantôme représentent un corrélat perceptuel de la réorganisation somatotopique des représentations sensorielles corticales. En effet, la réorganisation des sensations peut donner des indices sur les régions impliquées dans la genèse des sensations référées. Ainsi, un protocole d’évaluation sensoriel a été administré à un groupe de patients affligés de douleur au niveau du membre fantôme. Les résultats ont montré que, contrairement aux études précédentes, les sensations diffèrent grandement selon le type et l'intensité des stimuli tactiles, sans évidence de la présence d’un modèle spatialement localisé. Toutefois, les résultats actuels suggèrent que les régions corticales à champs récepteurs bilatéraux présentent également des modifications en réponse à une déafférentation. Ces études présentent une nouvelle image des régions corticales impliquées dans la perception des stimuli somatosensoriels, lesquelles comprennent les aires SI et SII, ainsi que l'insula. Les résultats sont pertinents à notre compréhension des corrélats neurologiques de la perception somatosensorielle consciente.

Sensory and cortical activation of distinct glial cell subtypes in the somatosensory thalamus of young rats

The rodent ventrobasal (VB) thalamus receives sensory inputs from the whiskers and projects to the cortex, from which it receives reciprocal excitatory afferents. Much is known about the properties and functional roles of these glutamatergic inputs to thalamocortical neurons in the VB, but no data are available on how these afferents can affect thalamic glial cells. In this study, we used combined electrophysiological recordings and intracellular calcium ([Ca(2+)](i)) imaging to investigate glial cell responses to synaptic afferent stimulation. VB thalamus glial cells can be divided into two groups based on their [Ca(2+)](i) and electrophysiological responses to sensory and corticothalamic stimulation. One group consists of astrocytes, which stain positively for S100B and preferentially load with SR101, have linear current-voltage relations and low input resistance, show no voltage-dependent [Ca(2+)](i) responses, but express mGluR5-dependent [Ca(2+)](i) transients following stimulation of the sensory and/or corticothalamic excitatory afferent pathways. Cells of the other glial group, by contrast, stain positively for NG2, and are characterized by high input resistance, the presence of voltage-dependent [Ca(2+)](i) elevations and voltage-gated inward currents. There were no synaptically induced [Ca(2+)](i) elevations in these cells under control conditions. These results show that thalamic glial cell responses to synaptic input exhibit different properties to those of thalamocortical neurons. As VB astrocytes can respond to synaptic stimulation and signal to neighbouring neurons, this glial cell organization may have functional implications for the processing of somatosensory information and modulation of behavioural state-dependent thalamocortical network activities.

Sub-cortical sources of the somatosensory pathway are hypoactive in migraine interictally:a Functional Source Separation analysis

Background: Recent morpho-functional evidence pointed out that abnormalities in the thalamus could play a major role in the expression of migraine neurophysiological and clinical correlates. Whether this phenomenon is primary or secondary to its functional disconnection from the brainstem remains to be determined. We used a Functional Source Separation algorithm of EEG signal to extract the activity of the different neuronal pools recruited at different latencies along the somatosensory pathway in interictal migraine without aura (MO) patients. Methods: Twenty MO patients and 20 healthy volunteers (HV) underwent EEG recording. Four ad-hoc functional constraints, two sub-cortical (FS14 at brainstem and FS16 at thalamic level) and two cortical (FS20 radial and FS22 tangential parietal sources), were used to extract the activity of successive stages of somatosensory information processing in response to the separate left and right median nerve electric stimulation. A band-pass digital filter (450-750 Hz) was applied offline in order to extract high-frequency oscillatory (HFO) activity from the broadband EEG signal. Results: In both stimulated sides, significant reduced sub-cortical brainstem (FS14) and thalamic (FS16) HFO activations characterized MO patients when compared with HV. No difference emerged in the two cortical HFO activations between the two groups. Conclusions: Present results are the first neurophysiological evidence supporting the hypothesis that a functional disconnection of the thalamus from the subcortical monoaminergic system may underline the interictal cortical abnormal information processing in migraine. Further studies are needed to investigate the precise directional connectivity across the entire primary subcortical and cortical somatosensory pathway in interictal MO. Written informed consent to publication was obtained from the patient(s).

Hand somatosensory sub-cortical sources arehypoactive in migraine interictally: a functionalsource separation analysis

Background: Recent morpho-functional evidences pointed out that abnormalities in the thalamus could play a major role in the expression of migraine neurophysiological and clinical correlates. Whether this phenomenon is primary or secondary to its functional disconnection from the brain stem remains to be determined.Aim: We used a Functional Source Separation algorithmof EEG signal to extract the activity of the different neuronal pools recruited at different latencies along the somatosensory pathway in interictal migraine without aura(MO) patients. Method: Twenty MO patients and 20 healthy volunteers(HV) underwent EEG recording. Four ad-hoc functional constraints, two sub-cortical (FS14 at brain stem andFS16 at thalamic level) and two cortical (FS20 radial andFS22 tangential parietal sources), were used to extract the activity of successive stages of somatosensory information processing in response to the separate left and right median nerve electric stimulation. A band-pass digital filter (450–750 Hz) was applied offline in order to extract high-frequency oscillatory (HFO) activity from the broadband EEG signal. Results: In both stimulated sides, significant reduced subcortical brain stem (FS14) and thalamic (FS16) HFO activations characterized MO patients when compared with HV. No difference emerged in the two cortical HFO activations between two groups. Conclusion: Present results are the first neurophysiological evidence supporting the hypothesis that a functional disconnection of the thalamus from the subcortical monoaminergicsystem may underline the interictal cortical abnormal information processing in migraine. Further studiesare needed to investigate the precise directional connectivity across the entire primary subcortical and cortical somatosensory pathway in interictal MO.

Haptic Stabilization of Posture in Adults With Intellectual Disabilities Using a Nonrigid Tool

This study assessed the effects of haptic information on the postural control systems of individuals with intellectual disabilities (ID), through the use of a nonrigid tool that we call the ""anchor system"" (e.g., ropes attached to graduated weights that rest on the floor). Eleven participants with ID were asked to stand, blindfolded, on a balance beam placed at two heights (10 and 20 cm), for 30 s, while using the anchor system at two weights. The lighter anchor weight appeared to improve the individuals' balance in contrast to a control task condition; therefore, we concluded that haptic sensitivity was more significant in helping to orient the body than was the anchor's mechanical support alone.

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.

The behavioral relevance of multisensory neural response interactions.

Sensory information can interact to impact perception and behavior. Foods are appreciated according to their appearance, smell, taste and texture. Athletes and dancers combine visual, auditory, and somatosensory information to coordinate their movements. Under laboratory settings, detection and discrimination are likewise facilitated by multisensory signals. Research over the past several decades has shown that the requisite anatomy exists to support interactions between sensory systems in regions canonically designated as exclusively unisensory in their function and, more recently, that neural response interactions occur within these same regions, including even primary cortices and thalamic nuclei, at early post-stimulus latencies. Here, we review evidence concerning direct links between early, low-level neural response interactions and behavioral measures of multisensory integration.

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.

Impact des troubles musculosquelettiques sur les mécanismes du contrôle postural chez les adolescents-hockeyeurs de niveau élite et intervention en Reconstruction Posturale®

Les adolescents-hockeyeurs peuvent être affligés de troubles musculosquelettiques (TMS) résultant d’un excès de tension musculaire lequel peut mener à des déformations ou déséquilibres musculaires ainsi qu’à une attitude posturale inadéquate. Les conséquences de ces changements mènent souvent à une surcharge inutile du système musculosquelettique (SMS), à la perturbation des mécanismes du contrôle postural et éventuellement à l’apparition de douleurs musculaires et articulaires. Les interventions qui s’attaquent aux TMS par une rééquilibration de la tension musculaire sont peu nombreuses. Les interventions qui s’attaquent aux TMS par une normalisation de la tension musculaire sont peu nombreuses. La Reconstruction Posturale® (RP), testée cliniquement, est l’une d’entre elles. Dans un premier temps, cette thèse visait à identifier les caractéristiques du contrôle postural chez les adolescents-hockeyeurs de niveau élite lorsque le système somatosensoriel est mis à l’épreuve en position debout quasi statique pieds nus et en patins. Dans un deuxième temps, nous avons évalué l’impact d’une intervention en RP sur des variables cliniques et biomécaniques, chez ces athlètes qui souffrent de TMS. Soixante-sept adolescents-hockeyeurs de niveau élite âgés de 15 à 18 ans ont participé à l’étude. Le contrôle postural de cinquante-sept joueurs a été évalué en position debout sur deux plateformes de force les yeux ouverts et les yeux fermés, pieds nus sur une surface dure et sur une mousse. De ce groupe, trente-cinq sujets ont également été évalués en patins, les yeux ouverts et les yeux fermés. Par la suite, neuf adolescents-hockeyeurs souffrant de TMS, ont été sélectionnés pour participer au protocole d’intervention thérapeutique en RP qui consistait en l’application de six séances de thérapie prodiguées sur une période de six semaines. Le déplacement du centre de pression (CP) sous les pieds a été calculé dans les directions antéro-postérieure (AP) et médio-latérale (ML). La vélocité moyenne du CP, le déplacement moyen du CP et l’étendue du CP ont été retenus pour rendre compte de la performance du contrôle posturale. D’autre part, l’asymétrie de mise en charge, la trajectoire du CP sous les pieds gauche et droit, le CPc pour rendre compte de la stratégie de chevilles et le CPv pour rendre compte de la stratégie de hanches ont été retenues pour identifier les stratégies utilisées pour maintenir l’équilibre. L’impact de l’intervention en RP a été évalué à l’aide de trois variables cliniques soit la douleur à l’aide de l’échelle visuelle analogue (ÉVA), la capacité fonctionnelle à l’aide d’un un questionnaire autoadministré et des photographies de la posture debout pour rendre compte des variables posturales biomécaniques. Nos résultats montrent que chez les adolescents-hockeyeurs la performance du contrôle postural en position debout statique est davantage perturbée par les changements somatosensoriels en direction ML alors qu’en AP, la perte d’informations visuelles ainsi que des changements somatosensoriels affectent la performance. Dans toutes les conditions expérimentales et dans les deux directions, nous avons observé une vélocité du CP remarquablement élevée, variant entre 18 et 22 mm/s. Au niveau des stratégies et indépendamment de la condition expérimentale, nous avons observé une dominance presque complète de la stratégie de cheville en AP alors qu’en ML, la stratégie de hanche dominait avec une contribution de la stratégie de cheville de plus de 20 %. En patins, en direction ML, aucun changement significatif de la performance n’a été observé. Toutefois en AP, nous avons observé une augmentation significative de la vélocité du CP, yeux ouverts et yeux fermés ainsi qu’une augmentation significative de l’étendue, yeux ouverts seulement. Au niveau des stratégies, la stratégie de cheville domine en AP et la stratégie de hanche domine en ML avec une contribution plus modeste de la stratégie de cheville qui était inférieure à 12 %. Chez les adolescents-hockeyeurs souffrant de TMS, post-intervention, nos résultats indiquent une diminution significative de la douleur et une amélioration des capacités fonctionnelles ainsi que de l’attitude posturale. Pré intervention en direction ML, nous avons observé une contribution significativement plus élevée de la stratégie de cheville au contrôle du CPnet et un retour vers des valeurs normales post-intervention. L’impact de l’intervention thérapeutique sur la performance du contrôle postural s’est avéré non significatif en ML et en AP.