The perception of touch and the ventral somatosensory pathway.

In humans, touching the skin is known to activate, among others, the contralateral primary somatosensory cortex on the postcentral gyrus together with the bilateral parietal operculum (i.e. the anatomical site of the secondary somatosensory cortex). But which brain regions beyond the postcentral gyrus specifically contribute to the perception of touch remains speculative. In this study we collected structural magnetic resonance imaging scans and neurological examination reports of patients with brain injuries or stroke in the left or right hemisphere, but not in the postcentral gyrus as the entry site of cortical somatosensory processing. Using voxel-based lesion-symptom mapping, we compared patients with impaired touch perception (i.e. hypoaesthesia) to patients without such touch impairments. Patients with hypoaesthesia as compared to control patients differed in one single brain cluster comprising the contralateral parietal operculum together with the anterior and posterior insular cortex, the putamen, as well as subcortical white matter connections reaching ventrally towards prefrontal structures. This finding confirms previous speculations on the 'ventral pathway of somatosensory perception' and causally links these brain structures to the perception of touch.

Les effets de la stimulation électrique transcrânienne à courant direct appliquée au cortex somatosensoriel primaire sur la perception vibrotactile

La stimulation électrique transcrânienne à courant direct (tDCS) est une technique non invasive de neuromodulation qui modifie l’excitabilité corticale via deux grosses électrodes de surface. Les effets dépendent de la polarité du courant, anodique = augmentation de l’excitabilité corticale et cathodique = diminution. Chez l’humain, il n’existe pas de consensus sur des effets de la tDCS appliquée au cortex somatosensoriel primaire (S1) sur la perception somesthésique. Nous avons étudié la perception vibrotactile (20 Hz, amplitudes variées) sur le majeur avant, pendant et après la tDCS appliquée au S1 controlatéral (anodale, a; cathodale, c; sham, s). Notre hypothèse « shift-gain » a prédit une diminution des seuils de détection et de discrimination pour la tDCS-a (déplacement vers la gauche de la courbe stimulus-réponse et une augmentation de sa pente). On attendait les effets opposés avec la tDCS-c, soit une augmentation des seuils (déplacement à droite et diminution de la pente). Chez la majorité des participants, des diminutions des seuils ont été observées pendant et immédiatement suivant la tDCS-a (1 mA, 20 min) en comparaison à la stimulation sham. Les effets n’étaient plus présents 30 min plus tard. Une diminution du seuil de discrimination a également été observée pendant, mais non après la tDCS-c (aucun effet pour détection). Nos résultats supportent notre hypothèse, uniquement pour la tDCS-a. Une suite logique serait d’étudier si des séances répétées de tDCS-a mènent à des améliorations durables sur la perception tactile. Ceci serait bénéfique pour la réadaptation sensorielle (ex. suite à un accident vasculaire cérébral).

Multiple frequency functional connectivity in the hand somatosensory network:an EEG study

Objective: To investigate the dynamics of communication within the primary somatosensory neuronal network. Methods: Multichannel EEG responses evoked by median nerve stimulation were recorded from six healthy participants. We investigated the directional connectivity of the evoked responses by assessing the Partial Directed Coherence (PDC) among five neuronal nodes (brainstem, thalamus and three in the primary sensorimotor cortex), which had been identified by using the Functional Source Separation (FSS) algorithm. We analyzed directional connectivity separately in the low (1-200. Hz, LF) and high (450-750. Hz, HF) frequency ranges. Results: LF forward connectivity showed peaks at 16, 20, 30 and 50. ms post-stimulus. An estimate of the strength of connectivity was modulated by feedback involving cortical and subcortical nodes. In HF, forward connectivity showed peaks at 20, 30 and 50. ms, with no apparent feedback-related strength changes. Conclusions: In this first non-invasive study in humans, we documented directional connectivity across subcortical and cortical somatosensory pathway, discriminating transmission properties within LF and HF ranges. Significance: The combined use of FSS and PDC in a simple protocol such as median nerve stimulation sheds light on how high and low frequency components of the somatosensory evoked response are functionally interrelated in sustaining somatosensory perception in healthy individuals. Thus, these components may potentially be explored as biomarkers of pathological conditions. © 2012 International Federation of Clinical Neurophysiology.

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.

Pain perception: Is there a role for primary somatosensory cortex?

Anatomical, physiological, and lesion data implicate multiple cortical regions in the complex experience of pain. These regions include primary and secondary somatosensory cortices, anterior cingulate cortex, insular cortex, and regions of the frontal cortex. Nevertheless, the role of different cortical areas in pain processing is controversial, particularly that of primary somatosensory cortex (S1). Human brain-imaging studies do not consistently reveal pain-related activation of S1, and older studies of cortical lesions and cortical stimulation in humans did not uncover a clear role of S1 in the pain experience. Whereas studies from a number of laboratories show that S1 is activated during the presentation of noxious stimuli as well as in association with some pathological pain states, others do not report such activation. Several factors may contribute to the different results among studies. First, we have evidence demonstrating that S1 activation is highly modulated by cognitive factors that alter pain perception, including attention and previous experience. Second, the precise somatotopic organization of S1 may lead to small focal activations, which are degraded by sulcal anatomical variability when averaging data across subjects. Third, the probable mixed excitatory and inhibitory effects of nociceptive input to S1 could be disparately represented in different experimental paradigms. Finally, statistical considerations are important in interpreting negative findings in S1. We conclude that, when these factors are taken into account, the bulk of the evidence now strongly supports a prominent and highly modulated role for S1 cortex in the sensory aspects of pain, including localization and discrimination of pain intensity.

Electrical neuroimaging reveals intensity-dependent activation of human cortical gustatory and somatosensory areas by electric taste.

To analyze the neural basis of electric taste we performed electrical neuroimaging analyses of event-related potentials (ERPs) recorded while participants received electrical pulses to the tongue. Pulses were presented at individual taste threshold to excite gustatory fibers selectively without concomitant excitation of trigeminal fibers and at high intensity evoking a prickling and, thus, activating trigeminal fibers. Sour, salty and metallic tastes were reported at both intensities while clear prickling was reported at high intensity only. ERPs exhibited augmented amplitudes and shorter latencies for high intensity. First activations of gustatory areas (bilateral anterior insula, medial orbitofrontal cortex) were observed at 70-80ms. Common somatosensory regions were more strongly, but not exclusively, activated at high intensity. Our data provide a comprehensive view on the dynamics of cortical processing of the gustatory and trigeminal portions of electric taste and suggest that gustatory and trigeminal afferents project to overlapping cortical areas.

Emotional attention as a modulatory system of perception

Report for the scientific sojourn carried out at the University Medical Center, Swiss, from 2010 to 2012. Abundant evidence suggests that negative emotional stimuli are prioritized in the perceptual systems, eliciting enhanced neural responses in early sensory regions as compared with neutral information. This facilitated detection is generally paralleled by larger neural responses in early sensory areas, relative to the processing of neutral information. In this sense, the amygdala and other limbic regions, such as the orbitofrontal cortex, may play a critical role by sending modulatory projections onto the sensory cortices via direct or indirect feedback.The present project aimed at investigating two important issues regarding these mechanisms of emotional attention, by means of functional magnetic resonance imaging. In Study I, we examined the modulatory effects of visual emotion signals on the processing of task-irrelevant visual, auditory, and somatosensory input, that is, the intramodal and crossmodal effects of emotional attention. We observed that brain responses to auditory and tactile stimulation were enhanced during the processing of visual emotional stimuli, as compared to neutral, in bilateral primary auditory and somatosensory cortices, respectively. However, brain responses to visual task-irrelevant stimulation were diminished in left primary and secondary visual cortices in the same conditions. The results also suggested the existence of a multimodal network associated with emotional attention, presumably involving mediofrontal, temporal and orbitofrontal regions Finally, Study II examined the different brain responses along the low-level visual pathways and limbic regions, as a function of the number of retinal spikes during visual emotional processing. The experiment used stimuli resulting from an algorithm that simulates how the visual system perceives a visual input after a given number of retinal spikes. The results validated the visual model in human subjects and suggested differential emotional responses in the amygdala and visual regions as a function of spike-levels. A list of publications resulting from work in the host laboratory is included in the report.

Emotional attention as a modulatory system of perception

Report for the scientific sojourn carried out at the University Medical Center, Swiss, from 2010 to 2012. Abundant evidence suggests that negative emotional stimuli are prioritized in the perceptual systems, eliciting enhanced neural responses in early sensory regions as compared with neutral information. This facilitated detection is generally paralleled by larger neural responses in early sensory areas, relative to the processing of neutral information. In this sense, the amygdala and other limbic regions, such as the orbitofrontal cortex, may play a critical role by sending modulatory projections onto the sensory cortices via direct or indirect feedback.The present project aimed at investigating two important issues regarding these mechanisms of emotional attention, by means of functional magnetic resonance imaging. In Study I, we examined the modulatory effects of visual emotion signals on the processing of task-irrelevant visual, auditory, and somatosensory input, that is, the intramodal and crossmodal effects of emotional attention. We observed that brain responses to auditory and tactile stimulation were enhanced during the processing of visual emotional stimuli, as compared to neutral, in bilateral primary auditory and somatosensory cortices, respectively. However, brain responses to visual task-irrelevant stimulation were diminished in left primary and secondary visual cortices in the same conditions. The results also suggested the existence of a multimodal network associated with emotional attention, presumably involving mediofrontal, temporal and orbitofrontal regions Finally, Study II examined the different brain responses along the low-level visual pathways and limbic regions, as a function of the number of retinal spikes during visual emotional processing. The experiment used stimuli resulting from an algorithm that simulates how the visual system perceives a visual input after a given number of retinal spikes. The results validated the visual model in human subjects and suggested differential emotional responses in the amygdala and visual regions as a function of spike-levels. A list of publications resulting from work in the host laboratory is included in the report.

Grabbing your ear: rapid auditory-somatosensory multisensory interactions in low-level sensory cortices are not constrained by stimulus alignment.

Multisensory interactions are observed in species from single-cell organisms to humans. Important early work was primarily carried out in the cat superior colliculus and a set of critical parameters for their occurrence were defined. Primary among these were temporal synchrony and spatial alignment of bisensory inputs. Here, we assessed whether spatial alignment was also a critical parameter for the temporally earliest multisensory interactions that are observed in lower-level sensory cortices of the human. While multisensory interactions in humans have been shown behaviorally for spatially disparate stimuli (e.g. the ventriloquist effect), it is not clear if such effects are due to early sensory level integration or later perceptual level processing. In the present study, we used psychophysical and electrophysiological indices to show that auditory-somatosensory interactions in humans occur via the same early sensory mechanism both when stimuli are in and out of spatial register. Subjects more rapidly detected multisensory than unisensory events. At just 50 ms post-stimulus, neural responses to the multisensory 'whole' were greater than the summed responses from the constituent unisensory 'parts'. For all spatial configurations, this effect followed from a modulation of the strength of brain responses, rather than the activation of regions specifically responsive to multisensory pairs. Using the local auto-regressive average source estimation, we localized the initial auditory-somatosensory interactions to auditory association areas contralateral to the side of somatosensory stimulation. Thus, multisensory interactions can occur across wide peripersonal spatial separations remarkably early in sensory processing and in cortical regions traditionally considered unisensory.

Perception de la vitesse : les bases psychophysiques et neuronales

David Katz a fait l’observation que le mouvement entre la peau et l’objet est aussi important pour le sens du toucher que la lumière l’est pour la vision. Un stimulus tactile déplacé sur la peau active toutes les afférences cutanées. Les signaux résultants sont très complexes, covariant avec différents facteurs dont la vitesse, mais aussi la texture, la forme et la force. Cette thèse explore la capacité des humains à estimer la vitesse et la rugosité de surfaces en mouvements. Les bases neuronales de la vitesse tactile sont aussi étudiées en effectuant des enregistrements unitaires dans le cortex somatosensoriel primaire (S1) du singe éveillé. Dans la première expérience, nous avons montré que les sujets peuvent estimer la vitesse tactile (gamme de vitesses, 30 à 105 mm/s) de surfaces déplacées sous le doigt, et ceci sans indice de durée. Mais la structure des surfaces était essentielle (difficulté à estimer la vitesse d’une surface lisse). Les caractéristiques physiques des surfaces avaient une influence sur l’intensité subjective de la vitesse. La surface plus rugueuse (8 mm d’espacement entre les points en relief) semblait se déplacer 15% plus lentement que les surfaces moins rugueuses (de 2 et 3 mm d’espacement), pour les surfaces périodiques et non périodiques (rangées de points vs disposition aléatoire). L’effet de la texture sur la vitesse peut être réduit en un continuum monotonique quand les estimés sont normalisés avec l’espacement et présentés en fonction de la fréquence temporelle (vitesse/espacement). L'absence de changement des estimés de vitesse entre les surfaces périodiques et non périodiques suggère que les estimés de rugosité devraient aussi être indépendants de la disposition des points. Dans la deuxième expérience, et tel que prévu, une équivalence perceptuelle entre les deux séries de surfaces est obtenue quand les estimés de la rugosité sont exprimés en fonction de l'espacement moyen entre les points en relief, dans le sens de l'exploration. La troisième expérience consistait à rechercher des neurones du S1 qui pourraient expliquer l’intensité subjective de la vitesse tactile. L’hypothèse est que les neurones impliqués devraient être sensibles à la vitesse tactile (40 à 105 mm/s) et à l’espacement des points (2 à 8 mm) mais être indépendants de leur disposition (périodique vs non périodique). De plus, il est attendu que la fonction neurométrique (fréquence de décharge/espacement en fonction de la fréquence temporelle) montre une augmentation monotonique. Une grande proportion des cellules était sensible à la vitesse (76/119), et 82% d’entres elles étaient aussi sensibles à la texture. La sensibilité à la vitesse a été observée dans les trois aires du S1 (3b, 1 et 2). La grande majorité de cellules sensibles à la vitesse, 94%, avait une relation monotonique entre leur décharge et la fréquence temporelle, tel qu’attendu, et ce surtout dans les aires 1 et 2. Ces neurones pourraient donc expliquer la capacité des sujets à estimer la vitesse tactile de surfaces texturées.

Mécanismes cérébraux de la régulation de la douleur : perception de la douleur et hypoalgésie induite psychologiquement

Objectif : Cette thèse a pour but de préciser les mécanismes neuropsychologiques de la douleur, de la régulation endogène de la douleur et de l'hypoalgésie induite psychologiquement (HIP) par la synthèse de près de trente ans de recherche imagerie cérébrale fonctionnelle. Méthodologie : Étant donné l'abondance des études sur le sujet et le manque d'intégration de leurs résultats, la technique de métaanalyse quantitative basée sur les coordonnées d'activation cérébrale fut privilégiée dans cette thèse, telle qu’implémentée dans l'algorithme ALE (Activation Likelyhood Estimate). Une force supplémentaire de cette thèse repose sur la rigueur du processus de sélection des articles. En effet, les études incluses dans les métaanalyses devaient satisfaire des critères stricts d'inclusion, ceci dans le but de favoriser la précision et la validité des conclusions subséquentes. Étude 1 : Le premier article visait à identifier les aires cérébrales impliquées dans la réduction de la douleur par des méthodes psychologiques d'interventions. Les articles retenus portent sur une variété de méthodes d'intervention, telles que le placebo, l'hypnose, la méditation, la perception de contrôle sur la stimulation douloureuse et l'induction d'émotions. Les résultats indiquent que l'HIP implique un vaste réseau d'activation qui comprend le cortex cingulaire antérieur, l'insula antérieure, les zones orbitofrontale et préfrontale latérale, ainsi que les régions pariétale, temporale et souscorticales. Ces activations reflèteraient l'implication des mécanismes neuropsychologiques cognitifs et émotionnels sous-tendent les interventions psychologiques ciblées par ces études, incluant la conscience de soi et la motivation. De plus, les divergences de patron d'activation entre les approches ont été explorées, notamment pour le placebo et la distraction. Étude 2 : Le deuxième article a identifié des patrons d'activations préférentiellement associés à la perception de la douleur, à l'HIP, ainsi que des activations communément associées à la douleur et l'HIP. Les résultats indiquent que 1) la perception de la douleur est associée à l'activation d'aires somatosensorielles et motrices, ce qui pourrait être le reflet de la préparation d'une action adaptative, 2) l'HIP est liée à l'engagement de régions préfrontales antéromédianes et orbitales, possiblement en lien avec des processus motivationnels et émotionnels, et 3) la douleur et l'HIP sont associés à l'activation d'aires préfrontales dorsolatérales, de l'insula antérieure et du cortex cingulaire moyen, ce qui pourrait refléter l'engagement spontané pendant la douleur de mécanismes endogènes de régulation descendante. Conclusion : Par ces études, cette thèse fait le point sur les mécanismes cérébraux impliqués différentiellement dans la perception de la douleur, dans sa régulation endogène et dans l'hypoalgésie induite psychologiquement.

Visual-somatosensory interactions in mental representations of the body and the face

The body is represented in the brain at levels that incorporate multisensory information. This thesis focused on interactions between vision and cutaneous sensations (i.e., touch and pain). Experiment 1 revealed that there are partially dissociable pathways for visual enhancement of touch (VET) depending upon whether one sees one’s own body or the body of another person. This indicates that VET, a seeming low-level effect on spatial tactile acuity, is actually sensitive to body identity. Experiments 2-4 explored the effect of viewing one’s own body on pain perception. They demonstrated that viewing the body biases pain intensity judgments irrespective of actual stimulus intensity, and, more importantly, reduces the discriminative capacities of the nociceptive pathway encoding noxious stimulus intensity. The latter effect only occurs if the pain-inducing event itself is not visible, suggesting that viewing the body alone and viewing a stimulus event on the body have distinct effects on cutaneous sensations. Experiment 5 replicated an enhancement of visual remapping of touch (VRT) when viewing fearful human faces being touched, and further demonstrated that VRT does not occur for observed touch on non-human faces, even fearful ones. This suggests that the facial expressions of non-human animals may not be simulated within the somatosensory system of the human observer in the same way that the facial expressions of other humans are. Finally, Experiment 6 examined the enfacement illusion, in which synchronous visuo-tactile inputs cause another’s face to be assimilated into the mental self-face representation. The strength of enfacement was not affected by the other’s facial expression, supporting an asymmetric relationship between processing of facial identity and facial expressions. Together, these studies indicate that multisensory representations of the body in the brain link low-level perceptual processes with the perception of emotional cues and body/face identity, and interact in complex ways depending upon contextual factors.

[Nondermatomal somatosensory deficits in chronic pain patients]

Nondermatomal somatosensory deficits (NDSDs) are frequently found in chronic pain patients and allude to pain sensitization and pain centralization. In the clinical examination NDSDs are as a rule accompanied by hyposensitivity to touch and heat perception often with a quadrantal or hemibody distribution. The majority of NDSD patients show a trigger episode with a somatic nociceptive trauma in the case history. These somatic findings, however, never fully explain the pain disorder, analogue to the complex regional pain syndrome (CRPS). Most patients with chronic pain disorders as well as those with NDSD often report an antecedent period of high psychobiological stress. The data from functional imaging reveal a complex pattern of a central nervous dysregulation.

Nondermatomal somatosensory deficits in patients with chronic pain disorder: clinical findings and hypometabolic pattern in FDG-PET

Patients with chronic pain disorders often show somatosensory disturbances that are considered to be functional. This paper aims at a more precise clinical description and at a documentation of functional neuroimaging correlates of this phenomenon. We examined 30 consecutive patients with unilaterally accentuated chronic pain not explained by persistent peripheral tissue damage and ipsilateral somatosensory disturbances including upper and lower extremities and trunk. The patients were assessed clinically and with conventional brain CT or MRI scan. In the last 11 patients functional neuroimaging was carried out (18-fluordeoxyglucose positron emission tomography=FDG-PET). Depressive symptoms were assessed with the Hamilton depression scale (HAMD-17) and pain intensity was rated with a visual analogue scale for pain (VAS). All patients suffered from mild to moderate depressive symptoms. All patients had experienced a prolonged antecedent phase of severe emotional distress; most of them remembered a "trigger episode of somatic pain" on the affected side. Somatosensory deficits were a replicable hyposensitivity to touch and heat perception of nondermatomal distribution. Conventional imaging procedures (brain CT or MRI scans) showed no structural changes. However, in 11 patients functional imaging with FDG-PET showed a significant hypometabolic pattern of changes in cortical and subcortical areas, mainly in the post-central gyrus, posterior insula, putamen, and anterior cingulate cortex. In summary, pain-related nondermatomal somatosensory deficits (NDSDs) are a phenomenon involving biological as well as psychosocial factors with replicable neuroperceptive clinical findings and a complex neurodysfunctional pattern in the FDG-PET.