A simple and unified approach to human voluntary movements

In his provocative article, F. Mechsner (2004) advances the thesis that human voluntary movements are subject to psychological or perceptual -cognitive control and are thus organized without regard to efferent patterns (p. 355). Rather than considering in detail the experiments that he proffered by way of support, the present author discusses the degree to which that supposition has appeal on the grounds of simplicity and is defined in terms that are compatible with a unified science.

Análise comportamental de recém-nascidos pré-termos incluídos em um programa de estimulação tátil-cinestésica durante a internação hospitalar

OBJETIVO: Avaliar o efeito da estimulação tátil-cinestésica na evolução do padrão comportamental e clínico de recém-nascidos pré-termos (RNPT) durante o período de internação hospitalar. MÉTODOS: Trinta e dois RNPT, com peso ao nascimento inferior a 2.500 gramas, clinicamente estáveis e destituídos de asfixia perinatal importante foram divididos em 16 bebês do grupo controle (GC) e 16 do experimental (GE). Foram coletados dados da evolução clínica a partir dos registros hospitalares e da avaliação comportamental por meio de filmagens semanais de oito minutos, desde a inclusão do RNPT na amostra até a alta hospitalar. RESULTADOS: Tendência a redução do tempo de internação hospitalar, aumento do ganho de peso diário e predominância de comportamentos auto-organizados (respiração regular, estado de alerta, tônus equilibrado, posturas mistas, movimentação coordenada, movimentos de mão na face, sucção, preensão, apoio) para os RNPT do GE. A análise comparativa das idades pós-conceptuais divididas em intervalos (I - 31 a 33 semanas 6/7; II - 34 a 36 semanas 6/7; e III - 37 a 39 semanas 6/7) ressaltou, no aspecto motor, um tônus equilibrado e movimentação voluntária coordenada para os três períodos, maior permanência em posturas mistas (intervalo I) ou em flexão (intervalo II) e a obtenção de respiração mais regular na faixa etária I do GE. CONCLUSÃO: Destaque da estimulação tátil-cinestésica como método de intervenção durante o período de internação hospitalar, contribuindo para a auto-organização e regulação comportamental de RNPT. Artigo registrado no Australian New Zealand Clinical Trials Registry (ANZCTR) sob o número ACTRN12610000133033.

Movement-related potentials in Huntington's disease: movement preparation and execution

Movement-related potentials (MRPs) reflect increasing cortical activity related to the preparation and execution of voluntary movement. Execution and preparatory components may be separated by comparing MRPs recorded from actual and imagined movement. Imagined movement initiates preparatory processes, but not motor execution activity. MRPs are maximal over the supplementary motor area (SMA), an area of the cortex involved in the planning and preparation of movement. The SMA receives input from the basal ganglia, which are affected in Huntington's disease (HD), a hyperkinetic movement disorder. In order to further elucidate the effects of the disorder upon the cortical activity relating to movement, MRPs were recorded from ten HD patients, and ten age-matched controls, whilst they performed and imagined performing a sequential button-pressing task. HD patients produced MRPs of significantly reduced size both for performed and imagined movement. The component relating to movement execution was obtained by subtracting the MRP for imagined movement from the MRP for performed movement, and was found to be normal in HD. The movement preparation component was found by subtracting the MRP found for a control condition of watching the visual cues from the MRP for imagined movement. This preparation component in HD was reduced in early slope, peak amplitude, and post-peak slope. This study therefore reported abnormal MRPs in HD. particularly in terms of the components relating to movement preparation, and this finding may further explain the movement deficits reported in the disease.

Movement-related potentials in Parkinson's disease - Motor imagery and movement preparation

Movement-related potentials (MRPs) associated with voluntary movements reflect cortical activity associated with processes Of movement preparation and movement execution. Early-stage pre-movement activity is reduced in amplitude in Parkinson's disease. However it is unclear whether this neurophysiological deficit relates to preparatory or execution-related activity, since previous studies have not been able to separate different functional components of MRPs. Motor imagery is thought to involve mainly processes of movement preparation, with reduced involvement of end-stage movement execution-related processes. Therefore, MRP components relating to movement preparation and execution may be examined separately by comparing MRPs associated with imagined and actual movements. In this study, MRPs were recorded from 14 subjects with Parkinson's disease and 10 age-matched control subjects while they performed a sequential button-pressing task, and while they imagined performance of the same task. Early-stage pre-movement activity was present in both Parkinson's disease patients and control subjects when they imagined movement, but was reduced in amplitude compared with that for actual movement. Movement execution-related components, arising predominantly from the primary motor cortex, were relatively unaffected in Parkinson's disease subjects. However motor preparatory processes, probably involving the supplementary motor area, were reduced in amplitude overall and abnormally prolonged, Indicating impaired termination following the motor response. Further this impaired termination of preparatory-phase activity was observed only in patients with more severe parkinsonian symptoms, and not in early-stage Parkinson's disease.

Kinase-dependent and kinase-independent functions of EphA4 receptors in major axon tract formation in vivo

The EphA4 receptor tyrosine kinase regulates the formation of the corticospinal tract (CST), a pathway controlling voluntary movements, and of the anterior commissure (AC), connecting the neocortical temporal robes. To study EphA4 kinase signaling in these processes, we generated mice expressing mutant EphA4 receptors either lacking kinase activity or with severely downregulated kinase activity. We demonstrate that EphA4 is required for CST formation as a receptor for which it requires an active kinase domain. In contrast, the formation of the AC is rescued by kinase-dead EphA4, suggesting that in this structure EphA4 acts as a ligand for which its kinase activity is not required. Unexpectedly, the cytoplasmic sterile-alpha motif (SAM) domain is not required for EphA4 functions. Our findings establish both kinase-dependent and kinase-independent functions of EphA4 in the formation of major axon tracts.

Activation timing of soleus and tibialis anterior muscles during sit-to-stand and stand to sit in post-stroke vs healthy subjects

O documento em anexo encontra-se na versão post-print (versão corrigida pelo editor).

Experimental poisoning of goats by Ipomoea carnea subsp. fistulosa in Argentina: a clinic and pathological correlation with special consideration on the central nervous system

Ipomoea carnea subsp. fistulosa, aguapei or mandiyura, is responsible for lysosomal storage in goats. The shrub contains several alkaloids, mainly swansonine which inhibits lysosomal α-mannosidase and Golgi mannosidase II. Poisoning occurs by inhibition of these hydrolases. There is neuronal vacuolation, endocrine dysfunction, cardiovascular and gastrointestinal injury, and immune disorders. Clinical signs and pathology of the experimental poisoning of goats by Ipomoea carnea in Argentina are here described. Five goats received fresh leaves and stems of Ipomoea. At the beginning, the goats did not consume the plant, but later, it was preferred over any other forage. High dose induced rapid intoxication, whereas with low doses, the course of the toxicosis was more protracted. The goats were euthanized when they were recumbent. Cerebrum, cerebellum, medulla oblongata, pons and colliculi, were routinely processed for histology. In nine days, the following clinical signs developed: abnormal fascies, dilated nostrils and abnormal postures of the head, cephalic tremors and nystagmus, difficulty in standing. Subsequently, the goats had a tendency to fall, always to the left, with spastic convulsions. There was lack in coordination of voluntary movements due to Purkinje and deep nuclei neurons damage. The cochlear reflex originated hyperreflexia, abnormal posture, head movements and tremors. The withdrawal reflex produced flexor muscles hypersensitivity at the four legs, later depression and stupor. Abnormal responses to sounds were related to collicular lesions. Thalamic damage altered the withdrawal reflex, showing incomplete reaction. The observed cervical hair bristling was attributed to a thalamic regulated nociceptive response. Depression may be associated with agonists of lysergic acid contained in Ipomoea. These clinical signs were correlated with lesions in different parts of the CNS.

Synergistic control of forearm based on accelerometer data and artificial neural networks

In the present study, we modeled a reaching task as a two-link mechanism. The upper arm and forearm motion trajectories during vertical arm movements were estimated from the measured angular accelerations with dual-axis accelerometers. A data set of reaching synergies from able-bodied individuals was used to train a radial basis function artificial neural network with upper arm/forearm tangential angular accelerations. The trained radial basis function artificial neural network for the specific movements predicted forearm motion from new upper arm trajectories with high correlation (mean, 0.9149-0.941). For all other movements, prediction was low (range, 0.0316-0.8302). Results suggest that the proposed algorithm is successful in generalization over similar motions and subjects. Such networks may be used as a high-level controller that could predict forearm kinematics from voluntary movements of the upper arm. This methodology is suitable for restoring the upper limb functions of individuals with motor disabilities of the forearm, but not of the upper arm. The developed control paradigm is applicable to upper-limb orthotic systems employing functional electrical stimulation. The proposed approach is of great significance particularly for humans with spinal cord injuries in a free-living environment. The implication of a measurement system with dual-axis accelerometers, developed for this study, is further seen in the evaluation of movement during the course of rehabilitation. For this purpose, training-related changes in synergies apparent from movement kinematics during rehabilitation would characterize the extent and the course of recovery. As such, a simple system using this methodology is of particular importance for stroke patients. The results underlie the important issue of upper-limb coordination.

The influence of drug-induced dyskinesias on manual tracking in Parkinson's disease

The influence of peak-dose drug-induced dyskinesia (DID) on manual tracking (MT) was examined in 10 dyskinetic patients (OPO), and compared to 10 age/gendermatched non-dyskinetic patients (NDPD) and 10 healthy controls. Whole body movement (WBM) and MT were recorded with a 6-degrees of freedom magnetic motion tracker and forearm rotation sensors, respectively. Subjects were asked to match the length of a computer-generated line with a line controlled via wrist rotation. Results show that OPO patients had greater WBM displacement and velocity than other groups. All groups displayed increased WBM from rest to MT, but only DPD and NDPO patients demonstrated a significant increase in WBM displacement and velocity. In addition, OPO patients exhibited excessive increase in WBM suggesting overflow DID. When two distinct target pace segments were examined (FAST/SLOW), all groups had slight increases in WBM displacement and velocity from SLOW to FAST, but only OPO patients showed significantly increased WBM displacement and velocity from SLOW to FAST. Therefore, it can be suggested that overflow DID was further increased with increased task speed. OPO patients also showed significantly greater ERROR matching target velocity, but no significant difference in ERROR in displacement, indicating that significantly greater WBM displacement in the OPO group did not have a direct influence on tracking performance. Individual target and performance traces demonstrated this relatively good tracking performance with the exception of distinct deviations from the target trace that occurred suddenly, followed by quick returns to the target coherent in time with increased performance velocity. In addition, performance hand velocity was not correlated with WBM velocity in DPO patients, suggesting that increased ERROR in velocity was not a direct result of WBM velocity. In conclusion, we propose that over-excitation of motor cortical areas, reported to be present in DPO patients, resulted in overflow DID during voluntary movement. Furthermore, we propose that the increased ERROR in velocity was the result of hypermetric voluntary movements also originating from the over-excitation of motor cortical areas.

Rôle du cortex pariétal postérieur dans le processus d'intégration visuomotrice - connexions anatomiques avec le cortex moteur et activité cellulaire lors de la locomotion chez le chat

La progression d’un individu au travers d’un environnement diversifié dépend des informations visuelles qui lui permettent d’évaluer la taille, la forme ou même la distance et le temps de contact avec les obstacles dans son chemin. Il peut ainsi planifier en avance les modifications nécessaires de son patron locomoteur afin d’éviter ou enjamber ces entraves. Ce concept est aussi applicable lorsque le sujet doit atteindre une cible, comme un prédateur tentant d’attraper sa proie en pleine course. Les structures neurales impliquées dans la genèse des modifications volontaires de mouvements locomoteurs ont été largement étudiées, mais relativement peu d’information est présentement disponible sur les processus intégrant l’information visuelle afin de planifier ces mouvements. De nombreux travaux chez le primate suggèrent que le cortex pariétal postérieur (CPP) semble jouer un rôle important dans la préparation et l’exécution de mouvements d’atteinte visuellement guidés. Dans cette thèse, nous avons investigué la proposition que le CPP participe similairement dans la planification et le contrôle de la locomotion sous guidage visuel chez le chat. Dans notre première étude, nous avons examiné l’étendue des connexions cortico-corticales entre le CPP et les aires motrices plus frontales, particulièrement le cortex moteur, à l’aide d’injections de traceurs fluorescents rétrogrades. Nous avons cartographié la surface du cortex moteur de chats anesthésiés afin d’identifier les représentations somatotopiques distales et proximales du membre antérieur dans la partie rostrale du cortex moteur, la représentation du membre antérieur située dans la partie caudale de l’aire motrice, et enfin la représentation du membre postérieur. L’injection de différents traceurs rétrogrades dans deux régions motrices sélectionnées par chat nous a permis de visualiser la densité des projections divergentes et convergentes pariétales, dirigées vers ces sites moteurs. Notre analyse a révélé une organisation topographique distincte de connexions du CPP avec toutes les régions motrices identifiées. En particulier, nous avons noté que la représentation caudale du membre antérieur reçoit majoritairement des projections du côté rostral du sillon pariétal, tandis que la partie caudale du CPP projette fortement vers la représentation rostrale du membre antérieur. Cette dernière observation est particulièrement intéressante, parce que le côté caudal du sillon pariétal reçoit de nombreux inputs visuels et sa cible principale, la région motrice rostrale, est bien connue pour être impliquée dans les fonctions motrices volontaires. Ainsi, cette étude anatomique suggère que le CPP, au travers de connexions étendues avec les différentes régions somatotopiques du cortex moteur, pourrait participer à l’élaboration d’un substrat neural idéal pour des processus tels que la coordination inter-membre, intra-membre et aussi la modulation de mouvements volontaires sous guidage visuel. Notre deuxième étude a testé l’hypothèse que le CPP participe dans la modulation et la planification de la locomotion visuellement guidée chez le chat. En nous référant à la cartographie corticale obtenue dans nos travaux anatomiques, nous avons enregistré l’activité de neurones pariétaux, situés dans les portions des aires 5a et 5b qui ont de fortes connexions avec les régions motrices impliquées dans les mouvements de la patte antérieure. Ces enregistrements ont été effectués pendant une tâche de locomotion qui requiert l’enjambement d’obstacles de différentes tailles. En dissociant la vitesse des obstacles de celle du tapis sur lequel le chat marche, notre protocole expérimental nous a aussi permit de mettre plus d’emphase sur l’importance de l’information visuelle et de la séparer de l’influx proprioceptif généré pendant la locomotion. Nos enregistrements ont révélé deux groupes de cellules pariétales activées en relation avec l’enjambement de l’obstacle: une population, principalement située dans l’aire 5a, qui décharge seulement pendant le passage du membre au dessus del’entrave (cellules spécifiques au mouvement) et une autre, surtout localisée dans l’aire 5b, qui est activée au moins un cycle de marche avant l’enjambement (cellules anticipatrices). De plus, nous avons observé que l’activité de ces groupes neuronaux, particulièrement les cellules anticipatrices, était amplifiée lorsque la vitesse des obstacles était dissociée de celle du tapis roulant, démontrant l’importance grandissante de la vision lorsque la tâche devient plus difficile. Enfin, un grand nombre des cellules activées spécifiquement pendant l’enjambement démontraient une corrélation soutenue de leur activité avec le membre controlatéral, même s’il ne menait pas dans le mouvement (cellules unilatérales). Inversement, nous avons noté que la majorité des cellules anticipatrices avaient plutôt tendance à maintenir leur décharge en phase avec l’activité musculaire du premier membre à enjamber l’obstacle, indépendamment de sa position par rapport au site d’enregistrement (cellules bilatérales). Nous suggérons que cette disparité additionnelle démontre une fonction diversifiée de l’activité du CPP. Par exemple, les cellules unilatérales pourraient moduler le mouvement du membre controlatéral au-dessus de l’obstacle, qu’il mène ou suive dans l’ordre d’enjambement, tandis que les neurones bilatéraux sembleraient plutôt spécifier le type de mouvement volontaire requis pour éviter l’entrave. Ensembles, nos observations indiquent que le CPP a le potentiel de moduler l’activité des centres moteurs au travers de réseaux corticaux étendus et contribue à différents aspects de la locomotion sous guidage visuel, notamment l’initiation et l’ajustement de mouvements volontaires des membres antérieurs, mais aussi la planification de ces actions afin d’adapter la progression de l’individu au travers d’un environnement complexe.

Étude du système dopaminergique pré- et postsynaptique : régulation de l'autorécepteur D2 par la neurotensine et formation des synapses excitatrices dans le striatum

La dopamine (DA) est un neurotransmetteur impliqué dans la modulation de fonctions essentielles du cerveau telles que le contrôle des mouvements volontaires, le système de récompense et certains aspects de la cognition. Depuis sa découverte, la DA a attiré énormément d'attention scientifique en partie à cause des pathologies majeures associées aux dysfonctions du système DAergique, comme la maladie de Parkinson, la schizophrénie et la toxicomanie. On retrouve la majorité des neurones qui synthétisent la DA au niveau du mésencéphale ventral, dans les noyaux de la substance noire compacte (SNc) et de l'aire tegmentaire ventrale (ATV). Ces neurones projettent leurs axones dans un très dense réseau de fibres qui s'organisent en trois voies DAergiques classiques: la voie nigrostriée, la voie mésolimbique et la voie mésocorticale. La transmission DAergique s'effectue par l'activation de récepteurs de la DA qui font partie de la grande famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs). Les récepteurs de la DA sont abondamment exprimés aussi bien par les neurones DAergiques que par les neurones des régions cibles, ce qui implique que la compréhension de la signalisation et des fonctions particulières des récepteurs de la DA pré- et postsynaptiques représente un enjeu crucial dans l'étude du système DAergique. Cette thèse de doctorat se sépare donc en deux volets distincts: le premier s'intéresse à la régulation du récepteur D2 présynaptique par la neurotensine (NT), un neuropeptide intimement lié à la modulation du système DAergique; le deuxième s'intéresse au côté postsynaptique du système DAergique, plus particulièrement à la ségrégation de l'expression des récepteurs de la DA dans le striatum et aux fonctions de ces récepteurs dans l'établissement des circuits neuronaux excitateurs prenant place dans cette région. Dans la première partie de cette thèse, nous démontrons que l'activation du récepteur à haute affinité de la NT, le NTR1, provoque une internalisation hétérologue du récepteur D2, avec une amplitude et une cinétique différente selon l'isoforme D2 observé. Cette internalisation hétérologue dépend de la protéine kinase C (PKC), et nous montrons que la surexpression d'un récepteur D2 muté sur des sites de phosphorylation par la PKC ii ainsi que l'inhibition de l'expression de β-arrestine1 par ARNs interférents dans des neurones DAergiques bloquent complètement l'interaction fonctionnelle entre le NTR1 et le D2. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous démontrons d'abord que la ségrégation de l'expression des récepteurs D1 et D2 dans le striatum est déjà bien établie dès le 18e jour embryonnaire, bien qu'elle progresse encore significativement aux jours 0 et 14 postnataux. Nos résultats témoignent aussi d'un maintien complet de cette ségrégation lorsque les neurones striataux sont mis en culture aussi bien en présence ou en absence de neurones corticaux et/ou mésencéphaliques. Ensuite, nous montrons que la présence de neurones mésencéphaliques stimule la formation d’épines et de synapses excitatrices sur les neurones striataux épineux exprimant le récepteur D2 (MSN-D2). Le co-phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques semble nécessaire à une grande partie de cet effet. Par ailleurs, le nombre total de terminaisons excitatrices formées sur les MSN-D2 par les neurones corticaux et mésencéphaliques apparaît être régit par un équilibre dynamique. Finalement, nous démontrons que le blocage de la signalisation des récepteurs D1 et D2 de la DA n'est pas nécessaire pour la formation des synapses excitatrices des MSN-D2, alors que l'antagonisme des récepteurs glutamatergiques ionotropes diminue la densité d'épines dendritiques et contrôle de façon opposée le nombre de terminaisons excitatrices corticales et mésencéphaliques. Globalement, ce travail représente une contribution significative pour une meilleure compréhension du fonctionnement normal du système DAergique. Ces découvertes sont susceptibles d’être utiles pour mieux comprendre les dysfonctions de ce système dans le cadre de pathologies du cerveau comme la maladie de Parkinson.

Caractérisation génétique d’une forme d’ataxie tardive.

Les ataxies forment un groupe de maladies neurodégénératives qui sont caractérisées par un manque de coordination des mouvements volontaires. Mes travaux ont porté sur une forme d'ataxie à début tardif (LOCA), après l’âge de 50 ans. Les principales caractéristiques cliniques sont: atrophie cérébelleuse à l’IRM (88%), dysarthrie (81%), atrophie du lobe frontal (50%) et nystagmus (52%). La ségrégation dans les familles de cette ataxie est en faveur d’une transmission récessive. Afin d'identifier le gène responsable de LOCA, nous avons recruté 38 patients affectés d'une forme tardive d'ataxie, issus du SLSJ, des Cantons de l’Est ou d’autres régions du Québec. Un premier criblage du génome a été effectué avec des marqueurs microsatellites sur une famille clé. Une analyse de liaison paramétrique nous a suggéré une liaison au chromosome 13 (4.4Mb). Une recherche d’un haplotype partagé entre 17 familles LOCA a diminué la taille de l'intervalle candidat à 1.6Mb, mais l’haplotype s’est avéré fréquent dans la population canadienne-française. Un second criblage du génome avec des marqueurs SNP nous a permis d’évaluer par cartographie d’homozygotie la possibilité qu’une mutation fondatrice partagée dans des sous-groupes de malades. Plusieurs stratégies d'analyse ont été effectuées, entre autre par regroupement régional. Aucun loci candidats ne fut identifié avec confiance. Nous avons donc combiné les données de génotypage avec le séquençage exomique afin d'identifier le gène responsable. L'analyse de six individus atteints nous a permis d'obtenir une liste de variants rare contenant quatre gènes potentiels. Cette analyse doit se poursuivre pour identifier le gène responsable de LOCA.

¿Tenemos libre albedrío? Objeciones empíricas y filosóficas a Benjamin Libet.

Benjamin Libet ha argumentado que cambios específicos en la actividad electroencefalográfica del córtex cerebral son registrados varios cientos de milisegundos antes que las personas tengan la intención consciente para actuar. Según Libet este hallazgo prueba que los movimientos voluntarios se inician de manera inconsciente. Siendo así, pone en duda nuestra percepción de libre albedrío según la cual nosotros somos iniciadores conscientes de nuestras acciones voluntarias. En este artículo haré objeciones empíricas a su modelo experimental argumentando que Libet no mide en realidad lo que él cree que está midiendo y, que el uso de electroencefalografía con electrodo de registro en cuero cabelludo no suministra datos fiables que permitan correlacionar cambios de la actividad cerebral y fenómenos psíquicos. También haré objeciones teóricas a las conclusiones filosóficas derivadas de sus experimentos, argumentado que la acción simple (mover el dedo) no puede ser una acción paradigmática para estudiar libre albedrío y que Libet al no estudiar la naturaleza de las intenciones distales ni su probable rol causal en la formación de intenciones proximales, no puede demostrar que el cerebro decide inconscientemente iniciar la acción. Concluyo que Libet nunca llega a probar que no actuamos por nuestro propio libre albedrío.