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Latence entre le déclenchement réel des neurones et la réponse des muscles dans une expérience de poing ouvert et fermé

Latence entre le déclenchement réel des neurones et la réponse des muscles dans une expérience de poing ouvert et fermé

J'essaie d'analyser les électrocorticogrammes (ECoG) d'ouverture et de fermeture du poing. J'ai les données d'un gant à capturer lorsque la main bouge. J'ai du mal à trouver la meilleure époque ou le meilleur segment qui représente les signaux ECoG qui sont principalement liés à l'ouverture et à la fermeture du poing. Donc, je me demande s'il y a déjà des travaux en cours pour calculer la latence entre la réponse des muscles et l'« ordre du cerveau » réel.


Réponse courte
Les retards moteurs signalés entre l'activité cérébrale et la réponse motrice sont de l'ordre de 6 à 9 ms.

Fond
J'ai trouvé une étude dans laquelle les auteurs ont utilisé des électrodes de stimulation cérébrale profonde implantées dans le noyau sous-thalamique (STN, Fig. 1) chez des patients atteints de la maladie de Parkinson pour activer les voies motrices au niveau sous-cortical. Le STN ne fait pas partie du système moteur pyramidal, mais on pense qu'il contrôle les choses. La stimulation dans la maladie de Parkinson est utilisée pour contrôler les mouvements involontaires. Dans cette étude, les auteurs ont activé les voies motrices au niveau sous-cortical via le STN (Costa et al, 2007)

Les auteurs ont enregistré les réponses des muscles faciaux, cervicaux et des membres supérieurs bilatéralement au moyen de potentiels évoqués moteurs (PEM) dans les muscles trapèze, deltoïde, biceps et thénar ainsi que les muscles orbiculaire des yeux, orbiculaire de l'orbiculaire, masséter et sternocléidomastoïdien. Ils signalent des latences moyennes dans la plage 6.0 - 9.1 m / s. Les latences MEP dans l'orbicularis oculi et l'orbicularis oris étaient significativement plus longues que dans le masséter et le sternocléidomastoïdien.

Dans vos expériences, il y a eu une activation directe et volontaire de la voie motrice via le système pyramidal chez des sujets (sains ?). En revanche, l'étude citée a enregistré des latences chez les personnes atteintes de la maladie de Parkinson après activation électrique directe d'une structure sous-corticale. Par conséquent, le cheminement est différent entre les deux études et les latences observées dans l'étude citée peuvent ne pas s'appliquer pleinement à votre ensemble de données. Néanmoins, cela peut vous aider à réduire la fenêtre de temps dans laquelle vous pouvez rechercher l'activité cérébrale par rapport à la sortie motrice du gant expérimental.


Fig. 1. Vue d'ensemble d'une tranche de cerveau montrant la position du STN. source : Wikipédia

Référence
- Costa et al., Cerveau. (2007); 130(1): 245-55


Pour chaque singe, une première intervention chirurgicale a été réalisée sous anesthésie à l'isoflurane et dans des conditions d'asepsie strictes, au cours de laquelle une calotte en acrylique a été fixée au crâne avec des vis à os. Un boulon en acier pour maintenir la tête et une chambre en acier de 2,5 cm de diamètre pour l'enregistrement neuronal et la stimulation électrique ont également été intégrés dans l'acrylique. La chambre d'enregistrement a été positionnée pour une approche verticale du gyrus précentral dans l'hémisphère droit. Le puits était centré à 20 mm en avant et 15 mm en dehors de la barre auriculaire zéro. Une antenne sclérale standard a été implantée dans un œil. Les fils de la bobine oculaire ont été enfilés sous la peau et attachés à un connecteur électrique intégré à l'implant en acrylique, pour permettre l'enregistrement des mouvements oculaires. Chaque animal a récupéré de la chirurgie en 1 semaine, mais a reçu 2 semaines supplémentaires pour permettre au crâne de se développer étroitement autour des vis crâniennes. Dans une procédure ultérieure, également sous anesthésie profonde et conditions aseptiques, la chambre d'enregistrement a été ouverte et un trou d'environ 5 mm de diamètre a été percé à travers la couche d'acrylique et l'os, exposant la dure-mère.

Pendant les sessions d'enregistrement quotidiennes, le singe était assis sur une chaise de primate en Lexan avec la tête retenue par le boulon de la tête. Un microdrive hydraulique (Narishige) a été monté au sommet de la chambre d'enregistrement. Une canule de guidage en acier (une aiguille de seringue de calibre 18) a été abaissée à travers le trou dans le crâne et dans la dure-mère. Ensuite, la microélectrode de tungstène recouverte de vernis (Frederick Haer, impédance de 0,5 à 5 MΩ) a été avancée de la canule de guidage dans le cerveau.

L'activité neuronale a été initialement étudiée en surveillant le signal sur un oscilloscope et sur un haut-parleur. La réactivité somatosensorielle a été étudiée en utilisant la palpation manuelle, la manipulation des articulations, une légère pression et des caresses avec des cotons-tiges. Les champs récepteurs somatosensoriels ont été tracés par présentation répétée du plus efficace de ces stimuli. La plupart des neurones multimodaux de la ZP ne répondent pas aux stimuli visuels projetés sur un écran tangent, même lorsque l'écran est placé près du visage, à moins de 20 cm (Graziano et al. 1997). Au lieu de cela, ils répondent mieux aux objets proches de l'animal. C'est pourquoi nous avons utilisé des objets réels, comme une balle de ping-pong montée au bout d'une tige, pour étudier les champs réceptifs visuels. Pour s'assurer que les réponses aux stimuli proches du corps n'étaient pas causées par une stimulation tactile involontaire, par exemple par l'électricité statique ou le mouvement de l'air, les stimuli visuels ont également été présentés alors que les yeux étaient couverts, tandis que l'animal était protégé avec un morceau de transparent Lexan, ou dans les deux conditions.


Matériaux et méthodes

Participants et montage expérimental.

Quarante volontaires sains (âgés de 19 à 40 ans) sans antécédents personnels ou familiaux de maladie neurologique ou psychiatrique ont participé à une ou plusieurs des expériences (approuvées par le comité d'éthique de la recherche d'Oxfordshire et menées conformément à la déclaration d'Helsinki) : 11 participants (7 femmes) dans l'expérience de commutation, 10 (6) dans l'expérience de séjour, 6 (3) dans l'expérience de contrôle M1, 7 (5) dans l'expérience de contrôle PMd et 6 (3) dans l'intervalle entre les impulsions ( IPI). Tous les participants étaient droitiers et ont donné leur consentement éclairé par écrit. Les participants portaient des bonnets de bain bien ajustés, sur lesquels les sites TMS étaient marqués, et des bouchons d'oreille pour se protéger du bruit TMS. Une mentonnière a été utilisée pour minimiser les mouvements de la tête.

Tâche comportementale.

La tâche (Fig. 1une) exigeait que les participants répondent avec l'index gauche ou droit en réponse à des stimuli visuels présentés sur un écran ∼ 85 cm devant eux. Chaque essai a commencé par la présentation d'un carré blanc central (4,7° de largeur) suivi de la présentation de stimuli de flanc de chaque côté du carré central. Les flankers étaient toujours un carré (largeur 6°) de chaque côté, l'un rouge, l'autre vert, avec une affectation aléatoire de la couleur au côté de l'affichage. Après un délai variable (450-600 ms, distribution uniforme), le carré central est devenu vert ou rouge, demandant au participant de répondre avec l'index du côté correspondant au flanker de la même couleur.

une, Sur chaque essai de la tâche de reprogrammation d'action, les participants se sont vus présenter un carré blanc affiché au centre. Par la suite, deux flancs colorés (rouge et vert, côtés aléatoires) sont apparus de part et d'autre de la fixation. Quatre cent cinquante à six cents millisecondes après l'apparition du flanker, un signal de couleur centrale est apparu, auquel les participants ont répondu avec l'index de la main du côté de la couleur congruente. Les essais ont été regroupés en groupes avec la même couleur de signal, de sorte que dès que les flankers étaient présentés, les participants pouvaient anticiper et ainsi préparer une action basée sur la couleur de signal présentée dans l'essai précédent. La réponse préparée serait cependant incorrecte lorsque la couleur centrale de l'indice changeait d'un essai à l'autre (essais de commutation, lettres encadrées). Les actions correctes sont indiquées par « R » (à droite) et « L » (à gauche). b, L'impulsion de test M1 a été appliquée 75, 125 ou 175 ms après le début du signal de couleur central. Une impulsion de conditionnement pré-SMA a précédé l'impulsion de test M1 de 6 ms sur la moitié des essais TMS.

La manipulation critique intégrée dans la tâche était que la queue centrale prenait la même couleur pour les trains de 3 à 7 essais consécutifs (distribution uniforme). Cela a donné aux participants l'opportunité de préparer, dans la période entre le début des flankers et le début de l'indice de couleur central, la réponse qui était la plus susceptible d'être requise. La manipulation signifiait qu'il y avait deux types d'essais : les essais de maintien, sur lesquels la couleur de fixation était identique à celle de l'essai précédent, permettant ainsi aux participants d'exécuter la réponse préparée, et les essais de changement, sur lesquels la couleur de fixation était différente de la essai précédent, obligeant ainsi les participants à inhiber la réponse préparée et à reprogrammer une réponse avec l'autre main.

Les stimuli ont été générés de manière pseudo-aléatoire et un ordre de stimuli différent a été utilisé pour chaque bloc et pour chaque participant. Un logiciel personnalisé écrit en Turbo Pascal a contrôlé l'expérience. Avant la session expérimentale proprement dite, les participants se sont familiarisés avec la tâche pendant 30 essais. L'expérience principale consistait en 7 (expériences de commutation et de séjour) ou 5 (expériences de contrôle PMd et M1) de 180 essais chacune. Chaque bloc contenait 30 essais d'aiguillage et 150 essais d'étai. L'expérience IPI consistait en 5 blocs de 220 essais, chacun contenant 36 essais de commutation et 184 essais de séjour.

Changez et restez des expériences.

Au cours des expériences de commutation et de séjour, le TMS a été délivré via deux bobines en forme de huit, connectées à des stimulateurs monophasiques Magstim 200 (Magstim Company). L'intensité de la bobine d'essai était telle qu'un MEP de 1 à 1,5 mV a été obtenu dans le premier muscle interosseux dorsal controlatéral (FDI). L'intensité de la bobine de conditionnement a été fixée à 120% du seuil moteur au repos (RMT), qui à son tour a été défini comme l'intensité minimale, lorsque la bobine était au-dessus du point chaud M1, nécessaire pour obtenir un MEP de >50 μV dans le muscle FDI détendu sur 5/10 essais. L'IPI entre les impulsions de conditionnement et de test était de 6 ms, ce qui s'est avéré efficace dans une étude précédente des aires prémotrices médiales (Civardi et al., 2001). La fréquence relative des essais de commutation et de séjour est restée la même dans les deux expériences et, dans les deux cas, la TMS a été délivrée 75, 125 ou 175 ms après le début de l'indice de couleur central [stimulus-désynchronisation (SOA)] (Fig. . 1b). Ces moments ont été choisis pour couvrir la période pendant laquelle des changements d'activité neuronale pré-SMA se sont produits dans l'expérience réalisée par Isoda et Hikosaka (2007) et les moments où il a été démontré que d'autres aires prémotrices exercent une influence sur M1 (O'Shea et al. ., 2007).

La bobine d'essai a été placée sur la position qui a permis d'obtenir le MEP le plus grand pour une intensité donnée dans le muscle FDI de la main droite, avec la bobine tenue tangentiellement au crâne avec la poignée orientée vers l'arrière à ∼ 45 ° à partir de la mi- axe sagittal. La bobine de conditionnement a été placée avec la poignée pointant dans la direction antérieure, aussi près que possible d'une position 4 cm antérieure à la position de l'électrode Cz, précédemment démontrée être un emplacement approprié pour la stimulation de la pré-SMA (Rushworth et al., 2002) (Fig. 2une). Les positions des bobines ont été évaluées chez neuf participants à l'aide de la stéréotaxie sans cadre Brainsight (Rogue Research) (Fig. 2c). Les coordonnées moyennes de l'Institut neurologique de Montréal pour la bobine de conditionnement étaient [4 18 65] et donc clairement dans le pré-SMA (Picard et Strick, 1996). Les coordonnées moyennes de la bobine de test étaient [-40 -10 60], juste en avant du sillon central, conformément aux rapports précédents sur la zone de la main de M1. En outre, l'imagerie pondérée en diffusion (DWI) a été utilisée pour évaluer davantage les voies anatomiques médiant les effets observés (matériel supplémentaire II, disponible sur www.jneurosci.org en tant que matériel supplémentaire).

une, Dans les expériences de commutation et de séjour, la bobine de test (noire) a été placée sur le M1 gauche, tandis que la bobine de conditionnement (blanche) a été placée sur le pré-SMA. b, Exemple de députés enregistrés sur une impulsion unique (noir) et un essai à double impulsion (gris). L'impulsion de conditionnement peut moduler l'amplitude MEP crête à crête. c, Vues sagittales de l'image anatomique moyenne indiquant les sites TMS pré-SMA (à gauche) et M1 (à droite). Chaque cercle représente l'emplacement de la bobine chez un participant.

Nous avons d'abord collecté des données d'interaction pré-SMA/M1 dans deux expériences distinctes impliquant différents participants. Au cours de ces expériences de commutation et de séjour, les impulsions ont été délivrées presque exclusivement lors des essais de commutation et de séjour, respectivement. Pour ces deux expériences, un total de 14 essais d'impulsion par main, SOA et type d'impulsion (impulsions simples ou doubles) ont été livrés et utilisés pour les analyses sur les essais de commutation et de séjour, respectivement. La présence ou l'absence de TMS ne pouvait pas servir de repère indiquant l'identité de l'essai, car les impulsions n'étaient appliquées qu'après que le changement ou le repère de maintien s'était déjà produit. Cependant, six cas d'application d'impulsions sur l'essai opposé ont empêché les participants de détecter, comme évalué par un rapport ultérieur, toute relation entre le type d'essai et l'administration de TMS. Pour la même raison, chaque type d'essai a également été présenté en l'absence de TMS sur au moins 20 % des instances de ce type d'essai dans chaque bloc. Les essais TMS ont été présentés à au moins 7 (moyenne 10,5) secondes d'intervalle, pour s'assurer que les impulsions sur les essais adjacents ne s'influencent pas les unes les autres. Dans chaque bloc, les essais de TMS ont été répartis uniformément sur la main de réponse, la SOA et la TMS à une ou deux impulsions.

Pour l'analyse de l'effet du pré-SMA sur M1, nous nous sommes donc concentrés sur une conception entre les sessions : nous avons analysé les données TMS des essais de commutation en une session (appelée expérience de commutation) et les essais de séjour dans une session distincte (la rester expérimenter). Cela était nécessaire car le fait de sonder à la fois un nombre adéquat d'essais de commutation et de séjour dans trois SOA différents avec des impulsions simples et appariées aurait abouti (1) à ce que les participants reçoivent un très grand nombre d'impulsions TMS et (2) à une expérience extrêmement longue. .

Expériences de contrôle M1 et PMd.

Nous avons testé la spécificité anatomique des interactions pré-SMA/M1 dans deux expériences de contrôle. Dans l'expérience de contrôle M1, nous avons appliqué le TMS sur les essais de commutation et de séjour à une SOA de 125 ms via une seule bobine en forme de huit, connectée aux stimulateurs via un module BiStim, placé sur la zone de la main de M1. Il s'agit d'un contrôle critique car il teste si les changements observés dans les MEP sont causés par l'influence médiatrice de la pré-SMA ou simplement le résultat de processus internes à M1 (O'Shea et al., 2007).

Une deuxième expérience de contrôle a testé si les effets TMS pré-SMA étaient causés par la propagation de l'activation de la bobine pré-SMA dans le PMd adjacent. Au cours de cette expérience de contrôle PMd, la bobine de conditionnement a été placée sur l'hémisphère droit, car l'emplacement moyen pré-SMA était également juste dans l'hémisphère droit, à un emplacement de 2 cm en avant et 1 cm en dedans de l'emplacement dans l'hémisphère droit, ce qui a entraîné dans le plus grand MEP dans le FDI controlatéral pour une intensité de TMS donnée (« hotspot »), qui s'est précédemment avéré être un repère fiable pour le PMd et le sillon précentral dorsal (O'Shea et al., 2007). Les intensités de TMS étaient les mêmes que dans les expériences de commutation et de séjour. Dans ces deux expériences de contrôle, l'IPI était de 6 ms, comme dans les expériences de commutation et de séjour. Ces expériences de contrôle ne sont donc pas comparables aux précédentes expériences de TMS à impulsions appariées sondant la connectivité fonctionnelle PMd/M1, qui utilisaient un IPI de 8 ms (Koch et al., 2006 O'Shea et al., 2007).

Expérience IPI.

Dans une expérience de contrôle finale, nous avons testé les effets de différents IPI entre les impulsions de conditionnement sur pré-SMA et les impulsions de test sur M1. Des impulsions simples et doubles à des IPI de 3, 6, 9, 12 et 18 ms ont été délivrées lors d'essais de commutation à une SOA de 125 ms. Au total, 15 essais ont été présentés pour chaque combinaison de pouls et de main, répartis également sur cinq blocs expérimentaux. Les paramètres de stimulation étaient les mêmes que dans les autres expériences.

Enregistrement électrophysiologique et analyse des données.

Les MEP ont été enregistrés à partir du muscle FDI droit à l'aide d'électrodes Ag-AgCl dans un montage tendon-ventre. Les réponses EMG ont été filtrées en bande passante entre 10 et 1000 Hz, avec un filtre coupe-bande supplémentaire de 50 Hz, échantillonnées à 5000 Hz et enregistrées à l'aide d'un amplificateur CED 1902, d'un convertisseur A/N CED micro 1401 Mk.II et d'un PC exécutant Spike2 ( Conception électronique de Cambridge).

L'analyse des données électrophysiologiques s'est concentrée sur les amplitudes pic à pic des MEP mesurées sur les essais TMS. Essais avec des réponses incorrectes ou prématurées [temps de réaction (RT)<150 ms], ceux dans lesquels l'impulsion de test n'a pas réussi à obtenir un MEP fiable (amplitude <0.2 mV), et ceux dans lesquels les participants ont précontracté le muscle FDI avant l'application du conditionnement (amplitude EMG >0,1 mV dans les 80 ms avant l'impulsion) ont été écartés de l'analyse. Le test de Grubb a été utilisé pour détecter les valeurs aberrantes dans les valeurs obtenues d'un bloc et celles-ci ont été exclues de l'analyse. Après ce prétraitement, en moyenne 11,45 (SEM ± 0,62) et 11,65 (± 0,67) essais ont été inclus par condition dans les expériences de commutation et de séjour, respectivement.

Pour tenir compte des différences de placement des bobines entre les blocs, les tailles MEP ont été normalisées au sein de chaque bloc. Les analyses des MEP ont été effectuées sur la médiane des amplitudes MEP normalisées dans chaque condition. Les analyses des données comportementales et électrophysiologiques ont été menées à l'aide de tests ANOVA, en utilisant des mesures répétées lorsque cela était possible. Des effets significatifs ont été identifiés sur la base des valeurs ANOVA corrigées de Huynh-Feldt, en utilisant SPSS 15.0. Post-hoc Des tests t bilatéraux à échantillons appariés ont été utilisés pour étudier plus avant les effets significatifs dans les ANOVA. Post-hoc des tests sur les données électrophysiologiques ont été effectués sur les amplitudes MEP à double impulsion exprimées en pourcentage de l'amplitude MEP à essai unique respective (« changements MEP »).


Pertinence pour la neuroréhabilitation et l'interface cerveau-machine

Neuroréadaptation

Le conditionnement opérant neuronal peut élucider le potentiel de plasticité neuronale (Dobkin, 2007) induite par le conditionnement de l'activité neuronale, y compris les activités synchrones et oscillatoires. Une telle élucidation contribue aux progrès dans le développement de méthodes de neuroréadaptation (Raskin, 2011), dont la majorité tentent d'améliorer artificiellement l'activité neuronale pour compenser la perte des fonctions motrices cérébrales. Un point tournant du conditionnement neuronal opérant peut être le fait qu'il ne nécessite pas la sélection de neurones fonctionnellement spécifiques pour le conditionnement. Il ne serait pas possible de conditionner et d'améliorer les motoneurones inhérents pour la compensation des fonctions motrices car la plupart des pertes de fonction motrice s'accompagnent d'une perte de motoneurones inhérents. Par conséquent, le conditionnement opérant neuronal devrait avoir le potentiel d'améliorer n'importe quel neurone et, espérons-le, n'importe quelle région du cerveau sans rapport avec les fonctions cibles à compenser. Cela pourrait être lié à la théorie de la multipotentialité du cerveau (John, 1980). Cette théorie suggère que n'importe quel neurone et région peuvent contribuer à la médiation d'une diversité de fonctions et que de nombreux neurones et régions contribuent à chaque fonction, mais cela n'implique pas que différents neurones et régions soient fonctionnellement équivalents ou que différentes fonctions dépendent également de diverses neurones et régions.

En fait, dans notre étude (Sakurai et Takahashi, 2013), les neurones montrant une amélioration rapide des taux de décharge et de la synchronie pendant le conditionnement neuronal opérant avaient été sélectionnés au hasard et ne manifestaient à l'origine aucune activité liée au comportement responsable des réponses motrices. Cette découverte indique que les neurones qui ne sont pas initialement impliqués dans les performances comportementales peuvent être améliorés par le conditionnement et ensuite utilisés pour compenser la perte des fonctions motrices responsables du comportement. Une telle indication avait déjà émergé des résultats de Moritz et al. (2008), qui ont observé que les singes pouvaient apprendre à utiliser des neurones indépendants des tâches pour contrôler un appareil externe s'ils recevaient une formation au contrôle opérant.

Outre la notion de non-sélectivité des neurones, il est à nouveau noté que le conditionnement des activités oscillatoires et synchrones devrait conduire à une neuroréhabilitation plus efficace. Des oscillations synchrones dans les neurones moteurs corticaux ont été observées dans de nombreuses expériences comportementales, conduisant à des hypothèses sur sa fonction possible. Par exemple, il a été rapporté qu'il se produisait pendant une période de retard instruit avant le mouvement, puis disparaissait pendant le mouvement manifeste, suggérant un rôle dans la préparation motrice (Donoghue et al., 1998). Des oscillations ont également été observées lors d'une préhension de précision maintenue (Baker et al., 1999) et de mouvements exploratoires libres de la main (Murthy et Fetz, 1996). Il convient de souligner que ces oscillations ont entraîné de manière égale les neurones liés à la tâche et non liés, et que des oscillations cohérentes se sont produites sur des zones corticales étendues, y compris les deux hémisphères, mais les corrélations entre les différents sites corticaux ne dépendaient pas de la relation du site avec la tâche (Fetz , 2013). Par conséquent, induire une telle activité oscillatoire par conditionnement opérant pourrait ainsi améliorer plusieurs fonctions motrices.

En plus des fonctions motrices, la synchronie et les oscillations sont considérées comme étant associées à l'attention, la perception, la cognition et le calcul (Fries, 2009 Herrmann et al., 2010) et actives à la fois au sein (Salinas et Sejnowski, 2001) et entre (Siegel et al., 2012 Terada et al., 2013) emplacements du cerveau, comme décrit précédemment. Ceux-ci indiquent la possibilité d'améliorer ces fonctions supérieures en conditionnant la synchronie et les oscillations de tir. Une question à résoudre est de savoir si un neurone peut être disponible pour le conditionnement afin d'améliorer les fonctions supérieures dans les régions sensorielles et supérieures du cerveau, en tant que fonctions motrices dans les régions motrices. Aborder cette question implique de tester la validité de la vision de la multipotentialité du cerveau (John, 1980) brièvement présentée ci-dessus.

Interface cerveau-machine

Comme Fetz (2007) l'a suggéré, le paradigme de base du conditionnement opérant neuronal (biofeedback neuronal) est essentiellement identique au paradigme de l'interface cerveau-machine (IMC) (Figure 7). L'IMC est destiné au contrôle neuroprothétique des dispositifs externes par l'activité neuronale plutôt que par le comportement (Berger et al., 2008 Hatsopoulos et Donoghue, 2009 Nicolelis et Lebedev, 2009 Andersen et al., 2010 Green et Kalaska, 2011). L'apprentissage opérant neuronal peut élucider la possibilité d'un contrôle volontaire de l'activité neuronale et contribuer au développement de l'IMC. Une différence est l'algorithme de transformation qui convertit l'activité neuronale en signaux de contrôle faisant fonctionner le périphérique externe pour obtenir une récompense. Bien que cela interpose une étape intermédiaire qui peut compliquer la relation entre l'activité neuronale et le contrôle de l'appareil, le résultat final est identique à celui du conditionnement opérant neuronal, c'est-à-dire l'obtention d'une récompense. Le contrôle de l'appareil dans l'IMC aboutit finalement à l'obtention d'une récompense et parfois, en particulier chez l'homme, la capacité de contrôler l'appareil lui-même fonctionne comme une récompense. Cela conduit à la conclusion que la stratégie de base de l'activité volontaire associée à l'obtention d'une récompense est améliorée par la rétroaction de renforcement est identique entre l'IMC et le conditionnement opérant neuronal. La figure 8 résume les étapes communes et différentes de l'IMC et du conditionnement neuronal opérant.

Figure 7. (A) Composants de base du paradigme du conditionnement neuronal opérant (biofeedback). La rétroaction et la récompense dépendent de l'activité renforcée et sont fournies au cerveau du 𠇌ontrôleur volontaire”. L'activité corrélée consiste en une activité neuronale ou physiologique supplémentaire associée de manière causale ou fortuite à l'activité renforcée. (Extrait de Fetz, 2007, avec permission). (B) Composants de base des paradigmes de l'interface cerveau-ordinateur (BCI) ou de l'interface cerveau-machine (BMI). Les composants essentiels sont identiques à ceux du conditionnement opérant neuronal, sauf que la rétroaction (généralement visuelle) est fournie par le dispositif ou le curseur contrôlé, et un algorithme de transformation plus sophistiqué est généralement utilisé pour convertir l'activité neuronale en signaux de contrôle requis. (Extrait de Fetz, 2007, avec permission).

Figure 8. Une vue intégrée des composants de base des paradigmes du conditionnement neuronal opérant (Figure 7A) et de l'IMC (Figure 7B). Les différentes étapes sont représentées en bleu et en vert, la première pour l'IMC et la seconde pour le conditionnement neuronal opérant, et les étapes communes sont représentées en rouge. Voir le texte pour plus de détails.

Bien que le développement d'IMC invasifs soit prometteur (Lebedev et Nicolelis, 2006), les IMC actuellement disponibles sont limités en termes de précision et de facilité de contrôle. Le facteur le plus important auquel ces limites peuvent être attribuées peut être les changements dans la plasticité des activités et des fonctions neuronales induits par l'utilisation de l'IMC (Zacksenhouse et al., 2007 Ganguly et al., 2011). Dans la plupart des expériences BMI basées sur l'approche de décodage, la conversion des signaux neuronaux est facilitée par des algorithmes de transformation appropriés pour générer les paramètres de contrôle adéquats. Cependant, les paramètres de conversion obtenus pour une série d'essais ont fourni des prédictions de plus en plus faibles des réponses futures, indiquant une source de dérive sur des dizaines de minutes. Par conséquent, un contrôle précis de l'appareil dans des conditions d'IMC dépend de manière significative du degré auquel l'activité neuronale peut être modulée volontairement, même pour des expériences non basées sur le conditionnement opérant neuronal. La recherche sur une telle modulation volontaire de l'activité neuronale peut être menée en étudiant le conditionnement opérant neuronal, qui contribue à la réalisation d'un IMC plus performant. L'autre facteur important affectant les performances limitées des IMC actuels peut être le biais sur le taux de décharge ou l'amplitude de l'activité neuronale en tant que signaux sources. Comme souligné dans le présent article, les activités synchrones et oscillatoires ont le potentiel d'être des signaux neuronaux représentant constamment des informations valides dans le cerveau. La recherche sur la modulation volontaire de la synchronie et de l'oscillation neuronale par le conditionnement neuronal opérant peut contribuer beaucoup au développement d'un IMC plus performant.

La question de la sélectivité et de la multipotentialité des neurones dans l'étude du conditionnement opérant neuronal est également un problème important dans les études de l'IMC. De nombreuses études sur l'IMC obtiennent d'abord une base optimale pour le contrôle du cerveau en enregistrant l'activité neuronale associée au mouvement réel des membres à partir du cortex moteur précentral et en dérivant des algorithmes de transformation appropriés (Chapin et al., 1999 Taylor et al., 2002 Carmena et al., 2003 Hochberg et al., 2006 Koike et al., 2006 Choi et al., 2009). Cependant, plusieurs autres études ont démontré la capacité d'extraire des prédictions de mouvement des neurones dans les zones corticales postcentrales et précentrales (Wessberg et al., 2000 Carmena et al., 2003). Les motoneurones précentraux pourraient fournir des prédictions précises de la force et du déplacement même en petit nombre (Koike et al., 2006 Choi et al., 2009), mais de nombreux neurones d'autres domaines avaient également le potentiel de fournir des prédictions significatives (Wessberg et al., 2000 Carmena et al., 2003). La précision de la prédiction augmentait avec le nombre de neurones inclus, même lorsque les neurones inclus étaient sélectionnés au hasard et non liés au mouvement moteur dans la nature (Wessberg et al., 2000 Carmena et al., 2003).

La plasticité neuronale, qui est inhérente aux expériences d'IMC, n'est pas toujours un obstacle mais peut être activement appliquée pour induire des changements dans les connexions neuronales pour une compensation fonctionnelle. Par exemple, Mavoori et al. (2005) ont étudié le fonctionnement d'une petite puce informatique en conjonction avec des fils-électrodes implantés dans le cortex moteur du singe. Cette puce neuronale, utile pour l'IMC invasif, peut convertir les décharges d'un neurone cortical non pas pour contrôler les signaux des appareils externes mais en stimuli directement délivrés à d'autres neurones et régions pour modifier de manière appropriée l'activité neuronale dans ces régions. Jackson et al. (2006) ont configuré la neuropuce en tant que potentiels d'action enregistrés sur un site déclenchant une stimulation synchrone sur le site voisin dans le cortex moteur du singe. Un fonctionnement continu pendant un jour ou plus a entraîné des changements à long terme dans les effets de sortie évoqués par le site d'enregistrement et les changements sont restés stables pendant plus d'une semaine de test après la fin du conditionnement. De tels effets de conditionnement étaient liés à la plasticité dépendante du temps et obtenus uniquement lorsque les délais entre les décharges neuronales et les stimuli étaient inférieurs à 50 ms, ce qui indique que la synchronisation des décharges pourrait être impliquée en tant que facteur efficace dans de tels changements plastiques.

Enfin, nous présentons les découvertes récentes selon lesquelles l'apprentissage du fonctionnement de l'IMC induit une activité synchrone et oscillatoire dans d'autres régions du cerveau liées à des fonctions spécifiques. Koralek et al. (2012) ont étudié le rôle de la plasticité corticostriatale, généralement impliquée dans l'apprentissage des compétences physiques, dans l'apprentissage abstrait des compétences à l'aide de l'IMC. Les auteurs ont entraîné des rats à apprendre à contrôler la hauteur d'un curseur auditif pour atteindre l'une des deux cibles en modulant l'activité de tir dans le cortex moteur indépendamment du mouvement physique. Au cours de l'apprentissage de l'IMC, une altération de l'activité a été observée dans les neurones striataux, avec davantage de neurones modulant l'activité en fonction de la progression de l'apprentissage pour atteindre les cibles. Parallèlement, de fortes corrélations, reflétées dans le couplage oscillatoire, entre l'activité neuronale dans le cortex moteur et le striatum ont émergé. Cela suggère que la plasticité corticostriatale et l'interaction oscillatoire sous-jacente à l'apprentissage des compétences physiques sont également nécessaires pour l'apprentissage abstrait des compétences à l'aide de l'IMC et que les mouvements neuroprothétiques capitalisent sur les circuits neuronaux impliqués dans l'apprentissage moteur naturel. Plus récemment, Koralek et al. (2013) ont également signalé que la cohérence de l'activité entre le cortex moteur et le striatum pendant l'apprentissage de la tâche IMC est sélectivement augmentée dans les neurones contrôlant la sortie comportementale par rapport aux neurones adjacents. Le décalage temporel de ces interactions oscillatoires s'alignait étroitement sur les retards de conduction corticostriée, démontrant une synchronisation très précise. Les tirs de l'une ou l'autre région ont été suivis d'une phase cohérente dans l'autre région, suggérant que la rétroaction du réseau renforce l'activité cohérente. Les auteurs concluent qu'une cohérence temporellement précise se développe au cours de l'apprentissage spécifiquement dans les populations neuronales liées à la sortie motrice et que l'activité oscillatoire sert à synchroniser les réseaux cérébraux étendus pour produire un comportement adéquat. Cela confirme que la coordination temporelle sélective entre les neurones conduisant au développement d'assemblages cellulaires est fondamentale pour apprendre à contrôler le comportement. Koralek et al. (2012, 2013) indiquent de manière fiable que la recherche utilisant l'IMC peut être une recherche en neurosciences systémiques et peut fournir des données importantes pour révéler les fonctions cérébrales normales et leurs mécanismes.

En conclusion, la recherche sur le conditionnement opérant neuronal, la neuroréadaptation, l'IMC et les neurosciences systémiques produiront des résultats applicables à tous ces domaines interdépendants, et la synchronie et l'oscillation de l'activité neuronale peuvent être un pont clé commun entre ces disciplines.


Les mantes religieuses effectuent des manœuvres d'évitement qui varient selon le niveau de danger posé par leurs prédateurs de chauves-souris. Le modèle de vocalisation des chauves-souris attaquantes fournit des indices que les mantes peuvent potentiellement utiliser pour décider comment et quand réagir. À l'aide de trains d'impulsions simulant des séquences d'écholocation d'attaque de chauve-souris, cette étude détermine à quel moment dans la séquence d'attaque la plongée de puissance de la mante (sa réponse à une menace de haut niveau) se produit et prédit les paramètres au sein de la séquence d'écholocation qui sont importants pour susciter la réponse. Pour les séquences avec une transition rapide de taux de répétition des impulsions faibles à élevés (PRR), la réponse d'évitement s'est produite près du point au cours de la séquence simulée où la chauve-souris aurait contacté la mante. Cependant, la réponse évasive se produisait plus tôt si la transition était progressive. Quel que soit le type de transition, les données de prédiction montrent que les séquences déclenchent la réponse lorsque les PRR atteignent 20 à 40 impulsions s-1. Ces résultats suggèrent qu'une chauve-souris augmentant progressivement son PRR pourrait "détecter" la mante, lui permettant de s'échapper. Les séquences d'attaque contiennent des transitions graduelles lorsque les chauves-souris adoptent un comportement stroboscopique, un phénomène d'écholocation qui peut aider la chauve-souris à percevoir la scène auditive. Inversement, les séquences d'attaques de chauves-souris qui contiennent des augmentations rapides de PRR près du point de capture pourraient contourner la défense auditive de la mantide. Sur la base de ces résultats, les mantes ainsi que d'autres insectes pourraient bénéficier d'une réponse de défense de secours pour compenser tout avantage que la chauve-souris gagne en passant rapidement d'un PRR faible à élevé.

De nombreux animaux présentent des réactions d'évasion rapides qui les protègent des attaques des prédateurs (Eaton, 1984). Bien que la vitesse soit un facteur primordial pour des évasions réussies, la décision d'initier ces comportements peut également être critique. Cette décision inclut à la fois l'opportunité d'initier une réponse et, dans l'affirmative, quand la réponse doit commencer. La décision d'initier une réponse est particulièrement cruciale dans les cas où la proie détecte le prédateur en premier. Les réponses d'évasion effectuées avant que le prédateur ne représente une menace sérieuse (c'est-à-dire que le prédateur est loin) gaspilleront de l'énergie et entraveront peut-être les réponses aux menaces futures. Les fausses alarmes pourraient coûter encore plus cher à l'animal en interrompant inutilement un comportement en cours, tel que le suivi d'une proie ou d'un partenaire. De telles réponses inappropriées peuvent également rendre un animal non détecté très visible pour les prédateurs à proximité. Le moment d'une réponse d'évasion peut également être crucial pour son succès. Une réponse d'évitement effectuée trop tôt pourrait permettre au prédateur d'ajuster son propre comportement et de capturer la proie, tandis qu'une réponse survenant trop tard pourrait ne pas laisser suffisamment de temps pour terminer la manœuvre et réussir à s'échapper.

Certains insectes volants la nuit possèdent des systèmes auditifs sensibles aux cris d'écholocation des chauves-souris qui s'en nourrissent (Hoy, 1998 Yager, 1999). Ces insectes effectuent des manœuvres d'évitement efficaces pour échapper à leurs prédateurs de chauves-souris. Pour les papillons (Roeder, 1967), les chrysopes (Miller et Olesen, 1979) et les mantes (Yager et al., 1990), ces manœuvres varient selon que la chauve-souris représente une menace de faible niveau (c. loin) ou une menace de haut niveau (c'est-à-dire des boucles et des plongeons dramatiques lorsque la chauve-souris est très proche). Le système nerveux de l'insecte doit détecter la chauve-souris, déterminer le niveau de danger et initier la réponse appropriée au moment opportun pour que la manœuvre soit efficace. De plus, ces actions doivent se produire sur une échelle de dizaines de millisecondes pour réussir.

Les vocalisations de chauve-souris émises pendant une séquence d'attaque subissent une variété de changements stéréotypés dans le taux de répétition des impulsions (PRR), la durée d'impulsion (PD), la fréquence et l'intensité des impulsions pendant les séquences d'attaque (Griffin, 1958 Simmons et al., 1979 Kick, 1982 Surlykke et Mousse, 2000). Ces changements fournissent une variété d'indices que les insectes pourraient utiliser pour déterminer le niveau de danger posé par une chauve-souris et orienter les décisions telles que l'opportunité d'intervenir, le type d'intervention et le moment où amorcer l'intervention. C'est le cas du déclenchement de réponses de « dernière chance » chez deux insectes différents. Des PRR élevés [>100 impulsions s -1 (pps)] déclenchent la production de « clics » par ultrasons chez la pyrale du tigre (Fullard et al., 1994). Cette découverte a soutenu l'hypothèse que les « clics » peuvent être des tentatives pour effrayer (Möhl et Miller, 1976) ou confondre (Fullard et al., 1979) la chauve-souris quelques instants avant la capture. De même, les chrysopes vertes tombent passivement en réponse aux appels d'écholocation des chauves-souris et des PRR élevés provoquent en outre des «retournements d'ailes» chez les chrysopes qui tombent passivement. Les « flips d'aile » modifient la trajectoire balistique de la chute passive, ce qui fait que les chauves-souris ratent l'insecte (Miller et Olesen, 1979).

Les mantes religieuses possèdent un système auditif sensible aux vocalisations des chauves-souris, avec un réglage auditif le plus sensible entre 20 et 60 kHz chez la plupart des espèces (Yager et Hoy, 1989 Triblehorn et Yager, 2001). L'oreille unique, située ventralement entre les pattes métathoraciques, se compose de deux tympans dans une chambre médiane. Des tests physiologiques et comportementaux ont démontré que le système auditif est non directionnel. Les mantides réagissent aux menaces de bas niveau en se retournant progressivement et aux menaces de haut niveau en entrant dans une plongée puissante (Yager et al., 1990). Ces manœuvres sont très efficaces pour empêcher la capture (Yager et al., 1990 Triblehorn, 2003).

L'interneurone auditif Mantis 501-T3 est un interneurone susceptible de déclencher ces réponses car il est sensible aux ultrasons (meilleure sensibilité entre 25-45 kHz), répond avec une courte latence (8-12 ms minimum) et a une vitesse de conduction rapide de 4 ms -1 (Yager et Hoy, 1989). Des électrodes implantées enregistrant l'activité 501-T3 lors d'attaques de chauves-souris volantes (Triblehorn et Yager, 2002) ont démontré que cet interneurone suit très bien les vocalisations de chauves-souris lorsque la chauve-souris s'approche de la mante et commence à augmenter son PRR pendant son attaque (suivant des PRR jusqu'à 55 pps sur moyenne). Cependant, le 501-T3 a cessé de produire des rafales à pointes multiples pendant l'attaque alors que la chauve-souris a continué à augmenter son PRR avant de s'arrêter complètement pour le reste de l'attaque. Bien que les mantes aient d'autres interneurones auditifs, les réponses 501-T3 étaient la seule activité des interneurones auditifs observée pendant l'attaque de la chauve-souris. Si le 501-T3 est l'interneurone déclencheur, les résultats de cette étude suggèrent que les réponses évasives doivent être déclenchées avant l'arrêt du 501-T3.

Cette étude utilise un paradigme de vol captif pour répondre à deux questions pertinentes : (1) quand la mante initie-t-elle sa plongée en puissance pendant les séquences d'attaque de chauve-souris simulées et (2) quels paramètres dans la séquence de vocalisation d'attaque de chauve-souris sont importants pour déclencher la réponse de plongée en puissance ? Les résultats démontrent que les modèles d'émission des chauves-souris influencent le déclenchement de la réponse d'évitement de la mante d'une manière qui affecte potentiellement les chances de fuite de la mante.


L'hypothèse de la phase de contrôle critique

L'idée que le contrôle du placement du pied sur un terrain complexe sert à maintenir une exploitation énergétiquement efficace de la dynamique physique du corps motive une hypothèse sur le moment où les informations visuelles sur le terrain à venir sont les plus critiques. Cette hypothèse comporte deux volets et sera appelée la hypothèse de la phase de contrôle critique.

Le premier élément concerne la distance à laquelle les marcheurs doivent pouvoir prélever des informations visuelles sur le terrain à venir. Une stratégie de contrôle visuel basée sur la manipulation de la trajectoire balistique du COM pendant la seule phase d'appui obligerait les marcheurs à voir le terrain suffisamment à l'avance pour pouvoir faire les ajustements appropriés aux deux déterminants de cette trajectoire. C'est-à-dire qu'adapter l'état mécanique du corps de manière appropriée pour permettre à un marcheur de marcher sur un pied cible (disons, avec le pied droit) exige que le marcheur voit cette cible avant que la mécanique du pas pertinent n'ait été définie. Compte tenu de la dynamique du pendule inversé de la phase d'appui unique, cela signifie que le marcheur doit voir le pied droit avant que le pied gauche, qui définit la base du pendule inversé à venir, ait touché le sol et avant la force de poussée de la jambe d'appui a été adopté. En tant que tel, le marcheur doit voir le terrain pertinent pour un pied droit alors que le pied droit est toujours au sol (et vice versa pour le pied gauche). En d'autres termes, pour adapter la mécanique du corps pour permettre de marcher vers une prise de pied spécifique, un marcheur doit voir le terrain correspondant à cette prise de pied à peu près au milieu de la phase d'appui unique précédente - environ deux longueurs de pas de regard visuel vers l'avant (Fig. . 1). ‡

En effet, restreindre la capacité d'un marcheur à voir le terrain à venir à moins de deux longueurs de pas entraîne une diminution de la précision des pas et de la vitesse de marche (43). De plus, la trajectoire du COM ressemble moins à celle d'un pendule inversé se déplaçant passivement que lorsque les marcheurs peuvent voir deux longueurs de pas ou plus devant, ce qui suggère que les marcheurs ont besoin d'au moins deux longueurs de pas de vision en avant pour exploiter la dynamique de leur pendule inversé. en marchant sur un terrain complexe (44). Fait intéressant, ces résultats convergent avec des études sur le comportement du regard qui démontrent que les marcheurs ont tendance à regarder à environ deux pas en avant lorsqu'ils marchent sur un terrain complexe (32). De plus, Zaytsev et al. (45) ont récemment montré qu'un modèle de marche bipède dynamique avec des actionneurs réalistes pouvait atteindre presque n'importe quelle vitesse cible ou emplacement de prise de pied souhaité en utilisant une fenêtre de planification en deux étapes. Ces résultats suggèrent que la tendance des marcheurs humains à regarder environ deux longueurs de pas en avant pendant la locomotion sur un terrain complexe (31 ⇓ –33) peut être enracinée dans la dynamique physique du cycle de marche bipède.

La deuxième partie de l'hypothèse de la phase de contrôle critique concerne le moment où les informations visuelles sur le terrain à venir ne sont plus nécessaires. Les marcheurs ont-ils besoin d'informations visuelles sur l'emplacement d'un pied cible à venir tout au long de l'étape, ou peuvent-ils atteindre des niveaux de précision de pas comparables s'ils arrêtent d'échantillonner des informations à mi-chemin ou même avant que l'étape ne soit lancée ? Si, en fait, les marcheurs tentent d'initialiser chaque pas pour que le corps puisse suivre une trajectoire balistique jusqu'à la cible, alors le rôle des informations visuelles sur une cible est principalement de permettre au marcheur d'adapter les deux déterminants de la trajectoire balistique. Il est important de noter que cette stratégie repose sur le contrôle de l'anticipation : les marcheurs utilisent des informations sur le chemin à venir pour établir l'état mécanique du corps avant l'étape à venir afin que la dynamique naturelle de leur corps les porte dans la direction souhaitée (Fig. 1). Tout contrôle actif de la trajectoire de la jambe oscillante pendant la phase d'appui unique obligerait le marcheur à utiliser des forces musculaires pour interférer avec la trajectoire balistique du corps. En tant que tel, nous devrions nous attendre à ce que les informations visuelles sur la cible ne soient pas nécessaires une fois que l'étape vers cette cible est lancée.

En effet, les sujets marchant sur un chemin de petites prises de cible ont montré une diminution négligeable de la précision de pas lorsque les cibles sont devenues invisibles au pied du pas vers la cible (46). Cependant, la précision des pas diminuait considérablement si la cible devenait invisible à tout moment avant le coup de pied. En bref, il semble qu'une fois que le pied a quitté le sol vers un pied cible, aucune autre information visuelle sur cette cible n'est requise pour un placement précis du pied. Ce résultat implique que tout contrôle visuel de la trajectoire du pied lors d'un pas doit avoir lieu lors du pas précédent.

Pris ensemble, ces résultats suggèrent qu'il existe une phase critique dans le cycle de marche bipède pour le contrôle visuel du placement du pied lors de la marche sur un terrain complexe. Lors du guidage du placement d'une marche particulière, les informations visuelles sur le terrain correspondant à cette prise de pied deviennent d'une importance maximale après le milieu de la phase d'appui unique précédente, mais ne sont plus nécessaires une fois que le pied quitte le sol pour se diriger vers la prise de pied sélectionnée (Fig. . 1 et Film S1).


3 AMÉLIORATIONS CLINIQUES CHEZ LES PATIENTS MÉDICAUX CHRONIQUES

Quel que soit le niveau d'exhaustivité, la plupart de la récupération après une LME se produit dans les 6 mois suivant la blessure et le taux de changement atteint un plateau à 9 mois après la blessure (Oleson & Flanders, 2019). Bien qu'une certaine récupération motrice puisse se poursuivre pendant 2 ans ou plus, le degré est généralement faible et il est peu probable qu'il améliore de manière significative la fonction (Oleson & Flanders, 2019). Nous avons recruté des patients en phase chronique (1 à 15 ans après la blessure) pour étudier l'impact de 4 à 12 semaines de PAS élevé (jusqu'à plus d'un an chez un patient (Rodionov et al., 2019)) sur les performances motrices. et d'autres résultats. Comme une récupération spontanée étendue à ce stade est hautement improbable, les patients ont servi de leur propre contrôle. Nous avons maintenant rapporté au total 20 patients, qui ont tous bénéficié du PAS, comme décrit ci-dessous (Rodionov et al., 2019 , 2020 Shulga, Lioumis, et al., 2016 Shulga et al., 2020 Tolmacheva, Savolainen, et al. , 2019 Tolmacheva et al., 2017 Vaalto et al. , soumis). Les caractéristiques cliniques de ces patients sont résumées dans le tableau S1. Le PAS peut être appliqué en haut (Rodionov et al., 2019 Shulga, Lioumis, et al., 2016 Tolmacheva, Savolainen, et al., 2019 Tolmacheva et al., 2017 ) et en bas (Rodionov et al., 2020 Shulga, Lioumis , et al., 2016 Shulga et al., 2020 ) membres. Il augmente les scores du test musculaire manuel (MMT) à la fois traumatique (Rodionov et al., 2019 , 2020 Shulga, Lioumis, et al., 2016 Shulga et al., 2020 Tolmacheva et al., 2017 ) et neurologique (Rodionov et al. , 2020 Tolmacheva, Savolainen, et al., 2019 ) SCI et chez les patients paraplégiques (Shulga, Lioumis, et al., 2016 Shulga et al., 2020 ) et tétraplégiques (Rodionov et al., 2019 , 2020 ). Dans toutes les études, le PAS a été mené en parallèle avec une rééducation continue conventionnelle et personnalisée (tableau S1), qui est restée la même qu'avant le PAS et n'a pas été influencée par les chercheurs.

3.1 Essai manuel du moteur

Les patients ont été évalués par des tests musculaires manuels (MMT) (Hislop et al., 2014) sur une échelle de 0 à 5 et avec des tests fonctionnels. L'interprétation des valeurs MMT est répertoriée dans le tableau 1. Les scores MMT ≥3 sont considérés comme fonctionnels (Oleson & Flanders, 2019 ). Dans chaque étude, nous avons calculé la moyenne de la variation du score MMT pour chaque muscle. Seuls les muscles présentant des valeurs anormales lors de l'évaluation initiale ont été pris en compte.

Valeur Sens
0 Aucune contraction visible ou palpable.
1 Contraction visible ou palpable.
2 Pleine gravité ROM éliminée.
3 ROM complète contre la gravité.
4 ROM complète contre la gravité, résistance modérée.
5 ROM complète contre la gravité, résistance maximale.

Après avoir documenté l'augmentation du TMM chez deux patients pilotes, un para- et un tétraplégique (Shulga, Lioumis, et al., 2016), nous avons mené trois séries de cas (5 patients chacun) où le TMM a augmenté chez chaque patient individuel de chaque série ( Rodionov et al., 2020 Tolmacheva, Savolainen, et al., 2019 Tolmacheva et al., 2017 ). Nous avons observé que le PAS des membres supérieurs pendant 4 semaines augmentait le MMT en moyenne de 1 point, mesuré lors du suivi sur tous les muscles de la main chez les patients présentant une lésion traumatique (Tolmacheva et al., 2017). Par la suite, nous avons développé davantage les paramètres PNS (Tolmacheva, Makela et al., 2019) (voir « Paramètres PNS » ci-dessous). Avec ce nouveau protocole appliqué pendant 6 semaines, nous avons obtenu une augmentation moyenne de 1,7 point des muscles des membres supérieurs chez les patients atteints de LME non traumatique, mesurée au suivi (Tolmacheva, Savolainen, et al., 2019). Nous avons également appliqué 8 semaines de stimulation aux membres inférieurs de patients tétraplégiques (à la fois traumatiques et non traumatiques) et observé une augmentation moyenne du MMT de 1,2 point dans tous les muscles (Rodionov et al., 2020). Il est à noter que, comme les mesures du MMT fonctionnent contre la gravité, des changements de force plus importants dans les muscles des jambes sont nécessaires pour atteindre des résultats MMT similaires à ceux des muscles de la main. Dans une étude de cas où le PAS était administré tant que l'amélioration était en cours, nous avons obtenu une augmentation du MMT de 3,2/1,8 dans la main droite/gauche, ce qui a conduit à des scores MMT complets à la fin de l'expérience (Rodionov et al., 2019 ) (voir également le tableau 2).

AVANT, score et sens APRES, score et sens
1. A besoin d'une assistance partielle pour manger et/ou boire, ou pour porter des dispositifs adaptés 3. Manger et boire indépendamment ne nécessite pas d'assistance ou d'appareils adaptatifs
1. Nécessite une assistance partielle pour le bain du haut du corps (savonnage, lavage, séchage du corps et de la tête, manipulation de l'eau du robinet) 3. Les lavages indépendants ne nécessitent pas de dispositifs adaptatifs ou de réglages spécifiques
0. Nécessite une assistance totale pour habiller le haut du corps (vêtements, chaussures, orthèses permanentes : habillage, port, déshabillage) 3. Indépendant avec des vêtements sans boutons, fermetures éclair ou lacets ne nécessite pas de dispositifs adaptatifs ou de réglages spécifiques
0. Nécessite une assistance totale pour le transfert du lit au fauteuil roulant 2. Indépendant avec transfert du lit au fauteuil roulant
1. Nécessite une assistance partielle pour le toilettage (lavage des mains et du visage, brossage des dents, peignage des cheveux, rasage) 3. Toilettes indépendamment sans dispositifs adaptatifs

3.2 Gains fonctionnels

Outre le MMT, nous avons également observé des améliorations significatives dans les tests fonctionnels de la main. Dans une étude avec des patients tétraplégiques non traumatiques, à l'évaluation à 6 mois, nous avons documenté une augmentation de 35 % des résultats des tests Box et Block, une augmentation de 60 % du test de pincement de la paume et une augmentation de 110 % de la dynamométrie de préhension après une PAS du membre supérieur ( Tolmacheva, Savolainen, et al., 2019 ). Nous avons également observé une amélioration moyenne de 22% de la vitesse de marche chez les participants ambulatoires après une PAS des membres inférieurs (Rodionov et al., 2020). Des améliorations fonctionnelles subjectives ont également été rapportées par de nombreux patients ayant subi une PAS de 4 à 12 semaines. Par exemple, les patients ont signalé une meilleure utilisation de la main stimulée pour se laver les cheveux, trancher les aliments, s'habiller, manipuler un volant (Tolmacheva, Savolainen, et al., 2019), ouvrir des portes ou ouvrir des bouteilles (Tolmacheva et al., 2017) . Les patients ont également signalé une utilisation généralement plus polyvalente des mains (Tolmacheva, Savolainen, et al., 2019 Tolmacheva et al., 2017 ). Huit semaines de PAS pour les membres inférieurs ont amélioré la mesure de l'indépendance de la moelle épinière (SCIM) chez deux patients de cinq de 15 et 9 points, principalement dans les sous-échelles de mobilité (Rodionov et al., 2020). Chez un patient, 12 semaines de PAS 1 an après la blessure ont permis la participation à une rééducation à la marche jugée futile avant le PAS, et amélioré la distance de marche de plus de 100 % lorsqu'elle est répétée pendant 12 semaines supplémentaires 2 ans après la blessure. Le patient était à l'origine non ambulatoire après toute l'intervention, il déambulait 50 % du temps à domicile (Shulga et al., 2020), c'est-à-dire que chez ce patient, le PAS était le principal facteur qui restaurait la capacité de marcher. Une augmentation remarquable de SCIM (en particulier dans les soins personnels, voir le tableau 2) a été obtenue dans une étude de cas (Rodionov et al., 2019) où le PAS a été appliqué sur les mains aussi longtemps qu'elles s'amélioraient (pendant plus d'un an). Avant le PAS, le sujet avait besoin d'une assistance totale ou partielle pour manger, se laver, s'habiller et se toiletter. Au cours du suivi, il a pu effectuer ces tâches de manière autonome et sans dispositifs adaptatifs. Chez tous les patients qui ont pu utiliser l'activité musculaire améliorée dans la vie quotidienne, les scores obtenus ont soit persisté, soit même souvent améliorés au cours du suivi de 1 à 4 mois. Voir les liens supplémentaires pour des exemples de vidéos de patients.

3.3 Autres effets

Chez tous nos patients, les résultats des tests sensoriels effectués selon la classification de l'échelle de déficience (AIS) de l'American Spinal Injury Association n'ont pas changé de manière significative. La spasticité mesurée par l'échelle d'Ashworth modifiée n'a pas non plus été affectée.

Huit des 20 patients présentaient des douleurs neuropathiques, qui étaient légères à modérées chez 7 patients (Rodionov et al., 2019 , 2020 Shulga, Lioumis, et al., 2016 Shulga et al., 2020 Tolmacheva et al., 2017 ) et sévères chez 1 ( Vaalto et al. , soumis). Les douleurs neuropathiques ont diminué ou les sensations désagréables ont disparu chez sept patients. Un résumé plus détaillé des résultats de la douleur neuropathique est présenté dans Vaalto et al. (soumis).


Résumé

Pour élucider le mécanisme de l'épileptogenèse, des crises ont été étudiées chez la souris EL, qui est un excellent modèle pour l'épilepsie. Chez ces souris, les crises d'épilepsie commencent dans le cortex pariétal, où les marqueurs de l'inhibition médiée par le GABA sont réduits par rapport au cortex pariétal des souris DDY (la souche parentale). Il s'agit du premier rapport sur les unités d'activité neuronale dans le cortex pariétal de souris EL et DDY (14 chacune) en utilisant une microélectrode extracellulaire in vivo sous anesthésie modérée au pentobarbital. Les neurones du cortex pariétal des souris EL étaient moins actifs au repos que ceux des souris DDY, mais ils ont répondu plus activement à l'apport afférent proprioceptif de la stimulation musculaire que les neurones DDY. Trois types de décharge spontanée ont été classés dans les neurones corticaux EL et DDY : décharge périodique, décharge continue de type A, décharge de type B et décharge aléatoire, type C. Les proportions de ces trois types de neurones étaient presque les mêmes chez les souris EL que chez les souris EL. les souris DDY. La fréquence maximale du cycle périodique des neurones de type A chez les souris EL (375 ms) était plus longue que celle des neurones de type A chez les souris DDY (225 ms). Quatre modèles de réponses à la stimulation ont été observés dans les neurones du cortex pariétal. Plus de modèles excitateurs ont été observés chez les souris EL que chez les souris DDY. La distribution translaminaire des cellules avec différents schémas de réponse était également différente entre les souris EL et DDY. Ces caractéristiques des neurones du cortex pariétal peuvent aider à déterminer la susceptibilité aux crises ou l'ictogénèse chez les souris EL, car les mécanismes sous-jacents à ces schémas pourraient fournir la base des décharges hypersynchronisées dans les crises d'épilepsie.

Points forts

► Neurones CX pariétaux d'EL : plus paresseux au repos, réponse plus active à l'apport proprioceptif des stimuli musculaires que les neurones DDY. ► Trois types de tirs spontanés ont été classés à la fois en EL et en DDY. ► La fréquence maximale du cycle périodique des neurones de type A de EL (375 ms) était plus longue que DDY (225 ms). ► Ces caractéristiques des neurones du cortex pariétal indiquent une susceptibilité aux crises en EL.


Méthodes

Animaux

Toutes les expériences avec des poissons ont été approuvées par le Comité institutionnel de protection et d'utilisation des animaux de l'Université Ben Gourion du Néguev et étaient conformes aux réglementations gouvernementales de l'État d'Israël. Poisson archer (Toxotes chatareus), 6-13 cm de longueur, 10-15 g de poids corporel ont été utilisés dans cette étude. Les poissons ont été conservés dans un réservoir d'eau rempli d'eau saumâtre (2 à 2,5 g de sels rouges mélangés pour 1 litre d'eau) à 26-28 °C. La pièce était éclairée par une lumière artificielle avec un cycle jour-nuit de 16/8 h.

Entraînement des poissons

Au total, huit poissons ont été progressivement entraînés, dans différentes expériences, à répondre à une barre noire mobile sur fond blanc présentée sur un écran LCD (E177FP, 17′′, Dell, USA) placé au-dessus d'une plaque de verre transparente à 40 cm au-dessus niveau d'eau. Dans ce réglage, 1 cm sur l'écran correspond à 1,43° au zénith de chaque point d'eau. Chacun des poissons était logé dans un réservoir d'eau séparé de 30 × 50 × 40 cm. Les poissons ont d'abord été entraînés à tirer sur des images d'insectes et ont été récompensés par une boulette de nourriture pour chaque tir réussi. Cette partie de la formation a duré environ 1 à 3 sessions de formation, de 10 à 20 essais chacune. Après cet apprentissage, l'image a été remplacée par une barre statique noire (0,25 cm × 1 cm) présentée à des emplacements arbitraires. Plus tard, la barre statique a été remplacée par une barre mobile (0,25 cm × 1 cm). La vitesse de la barre mobile était de 4 cm s -1 . Cette partie de la formation a duré environ 1 à 2 sessions de formation, de 10 à 20 essais chacune. Certains poissons sont morts au cours des travaux, ils n'apparaissent donc pas dans toutes les figures. Les poissons sont classés selon l'ordre des chiffres.

Expériences comportementales

Les stimuli ont été présentés à l'aide de présentations PowerPoint (Microsoft, Seatle, WA, USA). Toutes les expériences ont été enregistrées à l'aide d'une caméra HD (Handycam HDR-SR11E, Sony, Tokyo, Japon) à 25 images par seconde et stockées hors ligne pour une analyse plus approfondie.

Il y avait six types d'expériences comportementales, les cinq premières expériences utilisaient des écrans avec 4, 6 ou 8 barres de distraction, et une barre mobile impaire qui a été choisie au hasard. Dans toutes les expériences, les barres se sont déplacées dans la direction orthogonale à leur orientation. Dans les expériences 1, 2, 3, 5 et 6, les poissons ont été récompensés pour avoir tiré sur l'une des cibles. Dans l'expérience 4, les poissons n'étaient récompensés que pour avoir tiré sur une barre mobile étrange. Dans ces expériences, des barres noires de 0,25 cm × 1 cm étaient affichées sur un fond blanc. La distance entre les centres des barres variait entre 5 et 7 cm. La sixième expérience consistait en trois conditions avec des affichages contenant 7, 10 ou 14 patchs Gabor et un patch Gabor en mouvement impair. Dans cette expérience, des patchs Gabor de 2 cm × 2 cm ont été affichés sur un fond blanc. La distance entre les centres de Gabor variait entre 5 et 7 cm. Les différentes expériences étaient :

(1) Expérience de vitesse : la cible s'est déplacée deux fois plus vite que les distracteurs (Fig. 1b). La vitesse de la cible et des distracteurs étaient respectivement de 4 et 2 cm s -1 . Chaque essai consistait en quatre cycles de mouvement de va-et-vient, pour un total de 4 s. Pour contrôler la préférence de vitesse, nous avons mené deux expériences supplémentaires. Dans la première expérience de contrôle, la vitesse de la cible et des distracteurs étaient respectivement de 8 et 4 cm s -1. Dans la deuxième expérience de contrôle, la vitesse de la cible et des distracteurs étaient respectivement de 2 et 4 cm s -1 . (2) Expérience de direction : la cible et les distracteurs se sont déplacés en sens inverse (Fig. 1c). La vitesse de la cible et des distracteurs était de 4 cm s -1 . Chaque essai consistait en quatre cycles de mouvement de va-et-vient, pour un total de quatre secondes. (3) Expérience de taille : la barre mobile impaire était deux fois moins large que les barres de distraction (Fig. 2a). La vitesse de la cible et des distracteurs était de 4 cm s -1 . Chaque essai consistait en 10 cycles de mouvement de va-et-vient, pour un total de 10 s. Pour contrôler la préférence de taille, nous avons eu une expérience dans laquelle la taille de la cible était deux fois plus large que les barres de distracteur. (4) Expérience de recherche de conjonction : la moitié des barres de distraction avaient la même vitesse que la barre mobile étrange mais étaient deux fois plus larges. L'autre moitié des barres de distraction avait la même largeur que l'étrange barre mobile, mais la moitié de sa vitesse (Fig. 2d).La vitesse de la cible était de 4 cm s -1 et sa largeur était de 0,25 cm. Chaque essai consistait en 10 cycles de mouvement de va-et-vient, pour un total de 10 s. (5) Expérience additive : la cible s'est déplacée à la fois deux fois plus vite que les distracteurs et en sens inverse (Fig. 4a). La vitesse de la cible et des distracteurs étaient respectivement de 4 et 2 cm s -1 . Chaque essai consistait en quatre cycles de mouvement de va-et-vient, pour un total de 4 s. (6) Expérience de Gabor : la vitesse de tous les patchs était de 1,5 cm s -1 avec une période spatiale de 0,6 cm. le patch impair et les distracteurs se déplaçaient dans des directions opposées (Fig. 1 supplémentaire).

Il est important de noter que les paramètres de mouvement phase, vitesse et amplitude sont des paramètres contraints. C'est-à-dire que si vous en corrigez un et en changez un autre, le troisième est déterminé. Dans l'expérience de vitesse, nous avons fixé la phase relative entre la cible et les distracteurs et choisi de changer la vitesse relative entre eux. Ce faisant, il y avait également une différence dans la distance à laquelle les barres se déplaçaient. Pour plus de simplicité, nous avons choisi d'appeler ce stimulus un stimulus de vitesse, en gardant à l'esprit que tout effet que nous voyons pourrait également être lié à l'amplitude du mouvement.

Analyse des données comportementales

Les taux de sélection des cibles et les temps de réaction ont été extraits des films par l'expérimentateur et enregistrés sous forme de fichiers Matlab pour des analyses ultérieures. Nous avons calculé la fonction de distribution cumulative binomiale pour les taux de sélection cibles et les avons comparés aux valeurs aléatoires, en utilisant le test binomial, pour déterminer si la vraie probabilité de choisir la cible est supérieure à la valeur aléatoire.

Pour calculer les intervalles de confiance à 95 % du temps de réaction individuel des poissons, nous avons utilisé les formules standard pour les intervalles de confiance pour la médiane 40 . Les limites de confiance inférieure et supérieure à 95 % sont données par des valeurs classées, où m est le nombre de tirs vers la cible.

Pour déterminer si le temps de réaction augmente linéairement en fonction du nombre de barres de distraction, nous avons d'abord calculé le temps de réaction médian pour chaque condition. Nous avons ensuite ajusté une ligne à ces médianes à l'aide d'une régression linéaire standard et avons trouvé la pente de la régression. Deuxièmement, nous avons utilisé un test de permutation avec 1 000 répétitions pour évaluer la probabilité de trouver une pente égale ou supérieure à la pente d'origine. La probabilité <0,05 a été considérée comme significative et impliquait donc que le temps de réaction augmente en fonction des barres de distraction.

Opération

Les poissons ont été anesthésiés avec du MS-222, (A-5040, Sigma-Aldrich, St Lewis, MO, USA) 100 mg l -1 d'eau du réservoir et retenus dans un dispositif spécial et ses branchies arrosées en continu avec de l'eau du réservoir contenant du MS-222 (50 mg par litre). L'arrosage des branchies était indispensable en raison d'une possible insuffisance respiratoire causée par l'exposition au MS-222. Une incision a été pratiquée sur le tectum optique, la peau et le tissu adipeux ont été retirés et de la lidocaïne (L-7757, Sigma-Aldrich, St Lewis, MO, USA) a été appliquée aux limites de l'incision. À ce stade, nous avons injecté au poisson 5 à 15 l de relaxant musculaire non dépolarisant, le trithiodide de galamine (17 gr par litre, G 8134, Sigma-Aldrich, St Lewis, MO, USA) dans la colonne vertébrale, vers la queue, pour empêcher les mouvements musculaires pendant l'expérience. Plus précisément, ce n'est qu'après avoir confirmé que les mouvements oculaires ont été éliminés que nous avons poursuivi le reste de la procédure. Une fraise dentaire (Micro drill #097883, avec une pointe de 2,7 mm de diamètre, trépans en acier inoxydable, #18004-27, Fine Science Tools, Foster City, CA, USA) a ensuite été utilisée pour ouvrir le crâne et les méninges sur le tectum optique. Un fil d'argent (76,2 de diamètre, pointe recouverte de chlorure d'argent) a été placé dans le liquide céphalo-rachidien près du tectum optique et utilisé comme électrode de référence.

In vivo électrophysiologie

Le poisson et le dispositif de retenue ont été placés ensemble dans un réservoir d'eau plus petit (longueur 25 cm, largeur 6 cm, hauteur 6 cm) rempli d'eau saumâtre (2 à 2,5 g par litre de sel de mer rouge) jusqu'à 0,5 cm au-dessus du niveau des yeux. (pas de MS-222 à ce stade, voir Fig. 3a). Les branchies du poisson étaient continuellement arrosées à travers un tube inséré dans sa bouche pour compenser une éventuelle dégradation respiratoire. Le poisson a été placé de sorte que son œil droit se trouve à 0,3 cm de la paroi de verre (parallèle au plan sagittal du poisson) au centre du bac. Ce mur de verre était plus haut que les autres murs (12 cm de hauteur) et permettait ainsi au poisson un champ visuel large (environ 110° dans les deux axes vertical et horizontal). Le poisson a été maintenu dans l'appareil pendant 10 à 20 minutes pour s'assurer que l'effet de l'anesthésique s'estompe et qu'il respire tout seul. À l'aide d'une seule électrode (tungstène, revêtue de verre, 250 de diamètre, 2 MΩ d'impédance, 60 mm de long, cat # 366-060620-11, Alpha-Omega, Israël) montée sur un manipulateur calibré (Narishige, Japon) des enregistrements ont été réalisés à partir de les couches superficielles (jusqu'à 500 m de profondeur) du tectum optique. Le signal obtenu a été amplifié (× 10 4 ) et filtré (filtre passe-bande, gamme 300 Hz-10 kHz) par un amplificateur (DAM 50, WPI, USA) puis transmis par deux canaux parallèles : (1) le signal a été échantillonné et enregistré avec un ordinateur à 20 kHz et (2) le signal est passé par un filtre coupe-bande analogique, supprimant 50 Hz, puis vers un moniteur audio et un oscilloscope. De cette façon, la réponse neuronale pourrait être à la fois entendue et vue en temps réel pendant l'expérience. Le premier enregistrement d'une session a eu lieu environ 30 minutes après la fin de la chirurgie. La durée moyenne d'une session d'enregistrement typique était ∼ 5 h, et nous avons pu maintenir des unités individuelles jusqu'à 30-40 min, pour obtenir environ sept neurones par poisson. Le tri des pointes a été effectué hors ligne à l'aide de routines Matlab personnalisées 31 . Nous avons enregistré un total de 86 neurones de 12 poissons archers différents dans toutes les séries d'expériences.

Estimation de la localisation du champ récepteur

Pour estimer l'emplacement du champ récepteur du neurone, une barre a été déplacée de manière interactive par l'expérimentateur à travers l'écran avec différentes orientations et directions de déplacement pour détecter les limites du champ récepteur. La barre a été déplacée à travers l'écran jusqu'à ce qu'une forte réaction se fasse entendre. Ce point a été marqué comme l'un des bords du champ récepteur. De la même manière, la barre a été déplacée dans différentes directions pour déterminer les limites du champ récepteur. Cette méthode nous permet de marquer la limite du champ récepteur assez rapidement pour que la cartographie de nombreux neurones de chaque animal soit possible. L'erreur dans la détermination de l'emplacement exact des bords est ∼ 1,5°.

Stimulations visuelles

Pour déterminer la direction de mouvement préférée du neurone, une barre avec une longueur et une largeur ajustées pour correspondre à la taille du champ récepteur a d'abord été déplacée à travers le champ récepteur avec une direction de mouvement orthogonale à l'orientation de la barre. La direction préférée du neurone a été déterminée en utilisant la sortie auditive du système d'enregistrement. Ensuite, une barre d'une largeur de 1 cm (correspond à 3 à 6°, selon la distance de l'écran à l'œil du poisson) et d'une longueur ajustée pour correspondre à la longueur du champ récepteur a été configurée pour se déplacer en fonction de la largeur du champ récepteur. La vitesse de déplacement était d'une largeur de champ récepteur par seconde. Huit barres étaient affichées dans une matrice autour du champ récepteur (Fig. 3b). La distance entre la barre centrale et les barres environnantes était de deux champs récepteurs dans l'axe du mouvement et d'un champ récepteur dans l'axe perpendiculaire au mouvement. Le stimulus consistait en 15 à 25 répétitions de trois cycles de mouvement, 2 s chacun, pour un total de 6 s par répétition, suivis de 2 s d'écran noir, pour éviter tout effet d'adaptation.

Il y avait cinq types de stimulus dans l'expérience électrophysiologique : (1) Barre unique : une barre se déplaçant à l'intérieur du champ récepteur avec une vitesse d'une largeur de champ récepteur par seconde. (2) Contraste de vitesse : la barre intérieure s'est déplacée deux fois plus vite que les barres extérieures. C'est-à-dire que la barre a commencé son mouvement à une demi-largeur du champ récepteur avant le bord du champ récepteur et a terminé le mouvement à la moitié de la largeur d'un champ récepteur après le bord du champ récepteur de l'autre côté, avec une vitesse de deux largeurs de champ réceptif par seconde. Les barres extérieures se déplaçaient à une vitesse d'une largeur de champ récepteur par seconde. (3) Contraste de direction : la barre intérieure et la barre extérieure se sont déplacées dans des directions opposées. Toutes les barres se sont déplacées à une vitesse d'une largeur de champ récepteur par seconde. (4). Pas de contraste : la barre intérieure s'est déplacée en coïncidence avec les barres extérieures à une vitesse d'une largeur de champ récepteur par seconde. (5) Contraste additif : la barre intérieure s'est déplacée à la fois deux fois plus vite, c'est-à-dire deux largeurs de champ récepteur par seconde, et dans la direction opposée aux barres en dehors du champ récepteur.

De plus, nous avons mené trois expériences de contrôle. La motivation pour le premier contrôle était que dans l'expérience comportementale, la vitesse angulaire observée des barres mobiles peut changer d'un essai à l'autre en raison du mouvement du poisson (c'est-à-dire de la nage) dans l'aquarium et du manque d'œil de poursuite en douceur. mouvements. Pour contrôler un tel effet, nous avons changé la vitesse de mouvement dans la condition de contraste de vitesse à une largeur de champ réceptif par seconde pour la barre intérieure et la moitié d'une largeur de champ réceptif par seconde pour les barres extérieures. Nous avons enregistré 21 neurones de 3 poissons différents pour le sous-ensemble de données de cette expérience. Nous avons constaté que les ratios de neurones de contraste de vitesse et de neurones neutres de vitesse dans les deux conditions étaient respectivement de 48 % (10/21) et 52 % (11/21). Nous avons conclu que la population de neurones à contraste de vitesse n'était pas modifiée de manière significative à la suite de cette manipulation. Dans la deuxième expérience de contrôle, nous avons modifié l'espacement entre la barre intérieure et les barres extérieures. Dans cette expérience, la distance entre la barre centrale et les barres environnantes était de trois champs récepteurs dans l'axe du mouvement et d'un et demi champ récepteur dans l'axe perpendiculaire au mouvement (Fig. 3a supplémentaire). Nous avons enregistré 14 neurones de 2 poissons différents dans cette expérience. Nous avons constaté que le ratio de neurones modulés contextuellement dans cette expérience était de 57 % (8/14). Nous avons conclu que la population de neurones modulés contextuellement n'avait pas changé de manière significative à la suite de cette manipulation (?? 2 -test, P=0,68). Dans la troisième expérience de contrôle, nous avons changé la polarité du stimulus. C'est-à-dire que nous avons utilisé des barres mobiles noires sur un fond blanc (Fig. 3b supplémentaire). Ici, nous avons enregistré 21 neurones de 3 poissons différents. Nous avons constaté que le ratio de neurones modulés contextuellement dans cette expérience était de 52 % (11/21). Nous avons conclu que la population de neurones modulés contextuellement n'avait pas changé de manière significative à la suite de cette manipulation (?? 2 -test, P=0.38).

De plus, nous avons effectué deux analyses de puissance. Dans la première analyse, nous avons constaté qu'avec le nombre de neurones que nous avions réellement, nous pouvons atteindre une signification au P<0,05 niveau pour une proportion modulée contextuellement de 29 % ou moins. Dans la deuxième analyse, nous avons constaté que pour trouver une différence significative de 0,05% dans 90% des cas, avec une estimation de la variance dérivée des données réelles collectées, nous avons besoin de >200 neurones dans chacune des expériences de contrôle. Par conséquent, nous sommes convaincus que tout effet qui peut exister doit être faible. Nous concluons que la population de neurones modulés contextuellement est un phénomène robuste et ne dépend pas de manière critique des détails exacts des paramètres de stimulus.

Classification des neurones

Pour quantifier l'effet des barres environnantes sur la réponse de chaque neurone, nous avons d'abord mesuré le taux de décharge du neurone dans chaque cycle du stimulus, en comptant les pointes dans l'ensemble du cycle de six secondes de l'affichage du stimulus, dans chaque condition. Ensuite, nous avons utilisé un t-test pour évaluer la signification statistique de la différence entre les taux de tir pour les différentes conditions. Nous avons utilisé la méthode Holm-Bonferroni pour ajuster les comparaisons multiples. Pour plus de commodité, nous désignons les taux de tir dans la condition de contraste de vitesse, la condition de contraste de direction, l'absence de contraste et la condition de contraste additif comme S, , N et UNE, respectivement. De plus, on note des augmentations significatives de >> et augmentation non significative de =. Neurones avec S>>N et =N ont été classés comme des neurones à contraste de vitesse. Neurones avec D>>N et S=N ont été classés comme des neurones à contraste de direction. Neurones avec S>>N et D>>N ont été classés comme des neurones à deux contrastes. Neurones avec S=N et =N ont été classés comme des neurones sans contraste. Neurones avec N>>S ou N>>D ont été classés comme neurones contextuellement inhibés. Enfin, les neurones avec A>>S et A>>D et A>>N ont été classés comme des neurones additifs.


Notes de bas de page

Ce travail a été soutenu par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (Grants Le1030/10-1/2 à HL et SFB 1089 à HB), le Bundesministerium für Bildung und Forschung (National Genome Research Network/Epilepsy and Migraine integrated network Grants 01GS08123 et 01GS08122 to HL et HB EuroTransBio/ESSENCE Grant FKZ0315641A à MD, ST et JS), la Commission européenne (Subvention EPICURE, LSHM-CT-2006-037315 à HL, MM et HB), Laboratoire d'excellence Ion Channel Science and Therapeutics (à MM), et la Fondation Recherche Médicale (à MM). La recherche pour cette publication a été financée par le National Institute of Neurological Disorders and Stroke des National Institutes of Health en vertu de la subvention R01-NS072221 (à A.E.). Nous remercions les Drs. Olga Garaschuk, Henner Koch, Snezana Maljevic et Thomas Wuttke pour les discussions utiles sur le manuscrit et Snezana Maljevic pour la gestion et la coordination du transfert de souris et la préparation des cultures neuronales.

Le contenu de cet article relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les opinions officielles des National Institutes of Health.


Résumé

Pour élucider le mécanisme de l'épileptogenèse, des crises ont été étudiées chez la souris EL, qui est un excellent modèle pour l'épilepsie. Chez ces souris, les crises d'épilepsie commencent dans le cortex pariétal, où les marqueurs de l'inhibition médiée par le GABA sont réduits par rapport au cortex pariétal des souris DDY (la souche parentale). Il s'agit du premier rapport sur les unités d'activité neuronale dans le cortex pariétal de souris EL et DDY (14 chacune) en utilisant une microélectrode extracellulaire in vivo sous anesthésie modérée au pentobarbital. Les neurones du cortex pariétal des souris EL étaient moins actifs au repos que ceux des souris DDY, mais ils ont répondu plus activement à l'apport afférent proprioceptif de la stimulation musculaire que les neurones DDY. Trois types de décharge spontanée ont été classés dans les neurones corticaux EL et DDY : décharge périodique, décharge continue de type A, décharge de type B et décharge aléatoire, type C. Les proportions de ces trois types de neurones étaient presque les mêmes chez les souris EL que chez les souris EL. les souris DDY. La fréquence maximale du cycle périodique des neurones de type A chez les souris EL (375 ms) était plus longue que celle des neurones de type A chez les souris DDY (225 ms). Quatre modèles de réponses à la stimulation ont été observés dans les neurones du cortex pariétal. Plus de modèles excitateurs ont été observés chez les souris EL que chez les souris DDY. La distribution translaminaire des cellules avec différents schémas de réponse était également différente entre les souris EL et DDY. Ces caractéristiques des neurones du cortex pariétal peuvent aider à déterminer la susceptibilité aux crises ou l'ictogénèse chez les souris EL, car les mécanismes sous-jacents à ces schémas pourraient fournir la base des décharges hypersynchronisées dans les crises d'épilepsie.

Points forts

► Neurones CX pariétaux d'EL : plus paresseux au repos, réponse plus active à l'apport proprioceptif des stimuli musculaires que les neurones DDY. ► Trois types de tirs spontanés ont été classés à la fois en EL et en DDY. ► La fréquence maximale du cycle périodique des neurones de type A de EL (375 ms) était plus longue que DDY (225 ms). ► Ces caractéristiques des neurones du cortex pariétal indiquent une susceptibilité aux crises en EL.


Les mantes religieuses effectuent des manœuvres d'évitement qui varient selon le niveau de danger posé par leurs prédateurs de chauves-souris. Le modèle de vocalisation des chauves-souris attaquantes fournit des indices que les mantes peuvent potentiellement utiliser pour décider comment et quand réagir. À l'aide de trains d'impulsions simulant des séquences d'écholocation d'attaque de chauve-souris, cette étude détermine à quel moment dans la séquence d'attaque la plongée de puissance de la mante (sa réponse à une menace de haut niveau) se produit et prédit les paramètres au sein de la séquence d'écholocation qui sont importants pour susciter la réponse. Pour les séquences avec une transition rapide de taux de répétition des impulsions faibles à élevés (PRR), la réponse d'évitement s'est produite près du point au cours de la séquence simulée où la chauve-souris aurait contacté la mante. Cependant, la réponse évasive se produisait plus tôt si la transition était progressive. Quel que soit le type de transition, les données de prédiction montrent que les séquences déclenchent la réponse lorsque les PRR atteignent 20 à 40 impulsions s-1. Ces résultats suggèrent qu'une chauve-souris augmentant progressivement son PRR pourrait "détecter" la mante, lui permettant de s'échapper. Les séquences d'attaque contiennent des transitions graduelles lorsque les chauves-souris adoptent un comportement stroboscopique, un phénomène d'écholocation qui peut aider la chauve-souris à percevoir la scène auditive. Inversement, les séquences d'attaques de chauves-souris qui contiennent des augmentations rapides de PRR près du point de capture pourraient contourner la défense auditive de la mantide. Sur la base de ces résultats, les mantes ainsi que d'autres insectes pourraient bénéficier d'une réponse de défense de secours pour compenser tout avantage que la chauve-souris gagne en passant rapidement d'un PRR faible à élevé.

De nombreux animaux présentent des réactions d'évasion rapides qui les protègent des attaques des prédateurs (Eaton, 1984). Bien que la vitesse soit un facteur primordial pour des évasions réussies, la décision d'initier ces comportements peut également être critique. Cette décision inclut à la fois l'opportunité d'initier une réponse et, dans l'affirmative, quand la réponse doit commencer. La décision d'initier une réponse est particulièrement cruciale dans les cas où la proie détecte le prédateur en premier. Les réponses d'évasion effectuées avant que le prédateur ne représente une menace sérieuse (c'est-à-dire que le prédateur est loin) gaspilleront de l'énergie et entraveront peut-être les réponses aux menaces futures. Les fausses alarmes pourraient coûter encore plus cher à l'animal en interrompant inutilement un comportement en cours, tel que le suivi d'une proie ou d'un partenaire. De telles réponses inappropriées peuvent également rendre un animal non détecté très visible pour les prédateurs à proximité. Le moment d'une réponse d'évasion peut également être crucial pour son succès. Une réponse d'évitement effectuée trop tôt pourrait permettre au prédateur d'ajuster son propre comportement et de capturer la proie, tandis qu'une réponse survenant trop tard pourrait ne pas laisser suffisamment de temps pour terminer la manœuvre et réussir à s'échapper.

Certains insectes volants la nuit possèdent des systèmes auditifs sensibles aux cris d'écholocation des chauves-souris qui s'en nourrissent (Hoy, 1998 Yager, 1999). Ces insectes effectuent des manœuvres d'évitement efficaces pour échapper à leurs prédateurs de chauves-souris. Pour les papillons (Roeder, 1967), les chrysopes (Miller et Olesen, 1979) et les mantes (Yager et al., 1990), ces manœuvres varient selon que la chauve-souris représente ou non une menace de faible niveau (c.virages graduels lorsque la chauve-souris est loin) ou une menace de haut niveau (c. Le système nerveux de l'insecte doit détecter la chauve-souris, déterminer le niveau de danger et initier la réponse appropriée au moment opportun pour que la manœuvre soit efficace. De plus, ces actions doivent se produire sur une échelle de dizaines de millisecondes pour réussir.

Les vocalisations de chauve-souris émises pendant une séquence d'attaque subissent une variété de changements stéréotypés dans le taux de répétition des impulsions (PRR), la durée d'impulsion (PD), la fréquence et l'intensité des impulsions pendant les séquences d'attaque (Griffin, 1958 Simmons et al., 1979 Kick, 1982 Surlykke et Mousse, 2000). Ces changements fournissent une variété d'indices que les insectes pourraient utiliser pour déterminer le niveau de danger posé par une chauve-souris et orienter les décisions telles que l'opportunité d'intervenir, le type d'intervention et le moment où amorcer l'intervention. C'est le cas du déclenchement de réponses de « dernière chance » chez deux insectes différents. Des PRR élevés [>100 impulsions s -1 (pps)] déclenchent la production de « clics » par ultrasons chez la pyrale du tigre (Fullard et al., 1994). Cette découverte a soutenu l'hypothèse que les « clics » peuvent être des tentatives pour effrayer (Möhl et Miller, 1976) ou confondre (Fullard et al., 1979) la chauve-souris quelques instants avant la capture. De même, les chrysopes vertes tombent passivement en réponse aux appels d'écholocation des chauves-souris et des PRR élevés provoquent en outre des «retournements d'ailes» chez les chrysopes qui tombent passivement. Les « flips d'aile » modifient la trajectoire balistique de la chute passive, ce qui fait que les chauves-souris ratent l'insecte (Miller et Olesen, 1979).

Les mantes religieuses possèdent un système auditif sensible aux vocalisations des chauves-souris, avec un réglage auditif le plus sensible entre 20 et 60 kHz chez la plupart des espèces (Yager et Hoy, 1989 Triblehorn et Yager, 2001). L'oreille unique, située ventralement entre les pattes métathoraciques, se compose de deux tympans dans une chambre médiane. Des tests physiologiques et comportementaux ont démontré que le système auditif est non directionnel. Les mantides réagissent aux menaces de bas niveau en se retournant progressivement et aux menaces de haut niveau en entrant dans une plongée puissante (Yager et al., 1990). Ces manœuvres sont très efficaces pour empêcher la capture (Yager et al., 1990 Triblehorn, 2003).

L'interneurone auditif Mantis 501-T3 est un interneurone susceptible de déclencher ces réponses car il est sensible aux ultrasons (meilleure sensibilité entre 25-45 kHz), répond avec une courte latence (8-12 ms minimum) et a une vitesse de conduction rapide de 4 ms -1 (Yager et Hoy, 1989). Des électrodes implantées enregistrant l'activité 501-T3 lors d'attaques de chauves-souris volantes (Triblehorn et Yager, 2002) ont démontré que cet interneurone suit très bien les vocalisations de chauves-souris lorsque la chauve-souris s'approche de la mante et commence à augmenter son PRR pendant son attaque (suivant des PRR jusqu'à 55 pps sur moyenne). Cependant, le 501-T3 a cessé de produire des rafales à pointes multiples pendant l'attaque alors que la chauve-souris a continué à augmenter son PRR avant de s'arrêter complètement pour le reste de l'attaque. Bien que les mantes aient d'autres interneurones auditifs, les réponses 501-T3 étaient la seule activité des interneurones auditifs observée pendant l'attaque de la chauve-souris. Si le 501-T3 est l'interneurone déclencheur, les résultats de cette étude suggèrent que les réponses évasives doivent être déclenchées avant l'arrêt du 501-T3.

Cette étude utilise un paradigme de vol captif pour répondre à deux questions pertinentes : (1) quand la mante initie-t-elle sa plongée en puissance pendant les séquences d'attaque de chauve-souris simulées et (2) quels paramètres dans la séquence de vocalisation d'attaque de chauve-souris sont importants pour déclencher la réponse de plongée en puissance ? Les résultats démontrent que les modèles d'émission des chauves-souris influencent le déclenchement de la réponse d'évitement de la mante d'une manière qui affecte potentiellement les chances de fuite de la mante.


Pour chaque singe, une première intervention chirurgicale a été réalisée sous anesthésie à l'isoflurane et dans des conditions d'asepsie strictes, au cours de laquelle une calotte en acrylique a été fixée au crâne avec des vis à os. Un boulon en acier pour maintenir la tête et une chambre en acier de 2,5 cm de diamètre pour l'enregistrement neuronal et la stimulation électrique ont également été intégrés dans l'acrylique. La chambre d'enregistrement a été positionnée pour une approche verticale du gyrus précentral dans l'hémisphère droit. Le puits était centré à 20 mm en avant et 15 mm en dehors de la barre auriculaire zéro. Une antenne sclérale standard a été implantée dans un œil. Les fils de la bobine oculaire ont été enfilés sous la peau et attachés à un connecteur électrique intégré à l'implant en acrylique, pour permettre l'enregistrement des mouvements oculaires. Chaque animal a récupéré de la chirurgie en 1 semaine, mais a reçu 2 semaines supplémentaires pour permettre au crâne de se développer étroitement autour des vis crâniennes. Dans une procédure ultérieure, également sous anesthésie profonde et conditions aseptiques, la chambre d'enregistrement a été ouverte et un trou d'environ 5 mm de diamètre a été percé à travers la couche d'acrylique et l'os, exposant la dure-mère.

Pendant les sessions d'enregistrement quotidiennes, le singe était assis sur une chaise de primate en Lexan avec la tête retenue par le boulon de la tête. Un microdrive hydraulique (Narishige) a été monté au sommet de la chambre d'enregistrement. Une canule de guidage en acier (une aiguille de seringue de calibre 18) a été abaissée à travers le trou dans le crâne et dans la dure-mère. Ensuite, la microélectrode de tungstène recouverte de vernis (Frederick Haer, impédance de 0,5 à 5 MΩ) a été avancée de la canule de guidage dans le cerveau.

L'activité neuronale a été initialement étudiée en surveillant le signal sur un oscilloscope et sur un haut-parleur. La réactivité somatosensorielle a été étudiée en utilisant la palpation manuelle, la manipulation des articulations, une légère pression et des caresses avec des cotons-tiges. Les champs récepteurs somatosensoriels ont été tracés par présentation répétée du plus efficace de ces stimuli. La plupart des neurones multimodaux de la ZP ne répondent pas aux stimuli visuels projetés sur un écran tangent, même lorsque l'écran est placé près du visage, à moins de 20 cm (Graziano et al. 1997). Au lieu de cela, ils répondent mieux aux objets proches de l'animal. C'est pourquoi nous avons utilisé des objets réels, comme une balle de ping-pong montée au bout d'une tige, pour étudier les champs réceptifs visuels. Pour s'assurer que les réponses aux stimuli proches du corps n'étaient pas causées par une stimulation tactile involontaire, par exemple par l'électricité statique ou le mouvement de l'air, les stimuli visuels ont également été présentés alors que les yeux étaient couverts, tandis que l'animal était protégé avec un morceau de transparent Lexan, ou dans les deux conditions.


Pertinence pour la neuroréhabilitation et l'interface cerveau-machine

Neuroréadaptation

Le conditionnement opérant neuronal peut élucider le potentiel de plasticité neuronale (Dobkin, 2007) induite par le conditionnement de l'activité neuronale, y compris les activités synchrones et oscillatoires. Une telle élucidation contribue aux progrès dans le développement de méthodes de neuroréadaptation (Raskin, 2011), dont la majorité tentent d'améliorer artificiellement l'activité neuronale pour compenser la perte des fonctions motrices cérébrales. Un point tournant du conditionnement neuronal opérant peut être le fait qu'il ne nécessite pas la sélection de neurones fonctionnellement spécifiques pour le conditionnement. Il ne serait pas possible de conditionner et d'améliorer les motoneurones inhérents pour la compensation des fonctions motrices car la plupart des pertes de fonction motrice s'accompagnent d'une perte de motoneurones inhérents. Par conséquent, le conditionnement opérant neuronal devrait avoir le potentiel d'améliorer n'importe quel neurone et, espérons-le, n'importe quelle région du cerveau sans rapport avec les fonctions cibles à compenser. Cela pourrait être lié à la théorie de la multipotentialité du cerveau (John, 1980). Cette théorie suggère que n'importe quel neurone et région peuvent contribuer à la médiation d'une diversité de fonctions et que de nombreux neurones et régions contribuent à chaque fonction, mais cela n'implique pas que différents neurones et régions soient fonctionnellement équivalents ou que différentes fonctions dépendent également de diverses neurones et régions.

En fait, dans notre étude (Sakurai et Takahashi, 2013), les neurones montrant une amélioration rapide des taux de décharge et de la synchronie pendant le conditionnement neuronal opérant avaient été sélectionnés au hasard et ne manifestaient à l'origine aucune activité liée au comportement responsable des réponses motrices. Cette découverte indique que les neurones qui ne sont pas initialement impliqués dans les performances comportementales peuvent être améliorés par le conditionnement et ensuite utilisés pour compenser la perte des fonctions motrices responsables du comportement. Une telle indication avait déjà émergé des résultats de Moritz et al. (2008), qui ont observé que les singes pouvaient apprendre à utiliser des neurones indépendants des tâches pour contrôler un appareil externe s'ils recevaient une formation au contrôle opérant.

Outre la notion de non-sélectivité des neurones, il est à nouveau noté que le conditionnement des activités oscillatoires et synchrones devrait conduire à une neuroréhabilitation plus efficace. Des oscillations synchrones dans les neurones moteurs corticaux ont été observées dans de nombreuses expériences comportementales, conduisant à des hypothèses sur sa fonction possible. Par exemple, il a été rapporté qu'il se produisait pendant une période de retard instruit avant le mouvement, puis disparaissait pendant le mouvement manifeste, suggérant un rôle dans la préparation motrice (Donoghue et al., 1998). Des oscillations ont également été observées lors d'une préhension de précision maintenue (Baker et al., 1999) et de mouvements exploratoires libres de la main (Murthy et Fetz, 1996). Il convient de souligner que ces oscillations ont entraîné de manière égale les neurones liés à la tâche et non liés, et que des oscillations cohérentes se sont produites sur des zones corticales étendues, y compris les deux hémisphères, mais les corrélations entre les différents sites corticaux ne dépendaient pas de la relation du site avec la tâche (Fetz , 2013). Par conséquent, induire une telle activité oscillatoire par conditionnement opérant pourrait ainsi améliorer plusieurs fonctions motrices.

En plus des fonctions motrices, la synchronie et les oscillations sont considérées comme étant associées à l'attention, la perception, la cognition et le calcul (Fries, 2009 Herrmann et al., 2010) et actives à la fois au sein (Salinas et Sejnowski, 2001) et entre (Siegel et al., 2012 Terada et al., 2013) emplacements du cerveau, comme décrit précédemment. Ceux-ci indiquent la possibilité d'améliorer ces fonctions supérieures en conditionnant la synchronie et les oscillations de tir. Une question à résoudre est de savoir si un neurone peut être disponible pour le conditionnement afin d'améliorer les fonctions supérieures dans les régions sensorielles et supérieures du cerveau, en tant que fonctions motrices dans les régions motrices. Aborder cette question implique de tester la validité de la vision de la multipotentialité du cerveau (John, 1980) brièvement présentée ci-dessus.

Interface cerveau-machine

Comme Fetz (2007) l'a suggéré, le paradigme de base du conditionnement opérant neuronal (biofeedback neuronal) est essentiellement identique au paradigme de l'interface cerveau-machine (IMC) (Figure 7). L'IMC est destiné au contrôle neuroprothétique des dispositifs externes par l'activité neuronale plutôt que par le comportement (Berger et al., 2008 Hatsopoulos et Donoghue, 2009 Nicolelis et Lebedev, 2009 Andersen et al., 2010 Green et Kalaska, 2011). L'apprentissage opérant neuronal peut élucider la possibilité d'un contrôle volontaire de l'activité neuronale et contribuer au développement de l'IMC. Une différence est l'algorithme de transformation qui convertit l'activité neuronale en signaux de contrôle faisant fonctionner le périphérique externe pour obtenir une récompense. Bien que cela interpose une étape intermédiaire qui peut compliquer la relation entre l'activité neuronale et le contrôle de l'appareil, le résultat final est identique à celui du conditionnement opérant neuronal, c'est-à-dire l'obtention d'une récompense. Le contrôle de l'appareil dans l'IMC aboutit finalement à l'obtention d'une récompense et parfois, en particulier chez l'homme, la capacité de contrôler l'appareil lui-même fonctionne comme une récompense. Cela conduit à la conclusion que la stratégie de base de l'activité volontaire associée à l'obtention d'une récompense est améliorée par la rétroaction de renforcement est identique entre l'IMC et le conditionnement opérant neuronal. La figure 8 résume les étapes communes et différentes de l'IMC et du conditionnement neuronal opérant.

Figure 7. (A) Composants de base du paradigme du conditionnement neuronal opérant (biofeedback). La rétroaction et la récompense dépendent de l'activité renforcée et sont fournies au cerveau du 𠇌ontrôleur volontaire”. L'activité corrélée consiste en une activité neuronale ou physiologique supplémentaire associée de manière causale ou fortuite à l'activité renforcée. (Extrait de Fetz, 2007, avec permission). (B) Composants de base des paradigmes de l'interface cerveau-ordinateur (BCI) ou de l'interface cerveau-machine (BMI). Les composants essentiels sont identiques à ceux du conditionnement opérant neuronal, sauf que la rétroaction (généralement visuelle) est fournie par le dispositif ou le curseur contrôlé, et un algorithme de transformation plus sophistiqué est généralement utilisé pour convertir l'activité neuronale en signaux de contrôle requis. (Extrait de Fetz, 2007, avec permission).

Figure 8. Une vue intégrée des composants de base des paradigmes du conditionnement neuronal opérant (Figure 7A) et de l'IMC (Figure 7B). Les différentes étapes sont représentées en bleu et en vert, la première pour l'IMC et la seconde pour le conditionnement neuronal opérant, et les étapes communes sont représentées en rouge. Voir le texte pour plus de détails.

Bien que le développement d'IMC invasifs soit prometteur (Lebedev et Nicolelis, 2006), les IMC actuellement disponibles sont limités en termes de précision et de facilité de contrôle. Le facteur le plus important auquel ces limites peuvent être attribuées peut être les changements dans la plasticité des activités et des fonctions neuronales induits par l'utilisation de l'IMC (Zacksenhouse et al., 2007 Ganguly et al., 2011). Dans la plupart des expériences BMI basées sur l'approche de décodage, la conversion des signaux neuronaux est facilitée par des algorithmes de transformation appropriés pour générer les paramètres de contrôle adéquats. Cependant, les paramètres de conversion obtenus pour une série d'essais ont fourni des prédictions de plus en plus faibles des réponses futures, indiquant une source de dérive sur des dizaines de minutes. Par conséquent, un contrôle précis de l'appareil dans des conditions d'IMC dépend de manière significative du degré auquel l'activité neuronale peut être modulée volontairement, même pour des expériences non basées sur le conditionnement opérant neuronal. La recherche sur une telle modulation volontaire de l'activité neuronale peut être menée en étudiant le conditionnement opérant neuronal, qui contribue à la réalisation d'un IMC plus performant. L'autre facteur important affectant les performances limitées des IMC actuels peut être le biais sur le taux de décharge ou l'amplitude de l'activité neuronale en tant que signaux sources. Comme souligné dans le présent article, les activités synchrones et oscillatoires ont le potentiel d'être des signaux neuronaux représentant constamment des informations valides dans le cerveau. La recherche sur la modulation volontaire de la synchronie et de l'oscillation neuronale par le conditionnement neuronal opérant peut contribuer beaucoup au développement d'un IMC plus performant.

La question de la sélectivité et de la multipotentialité des neurones dans l'étude du conditionnement opérant neuronal est également un problème important dans les études de l'IMC. De nombreuses études sur l'IMC obtiennent d'abord une base optimale pour le contrôle du cerveau en enregistrant l'activité neuronale associée au mouvement réel des membres à partir du cortex moteur précentral et en dérivant des algorithmes de transformation appropriés (Chapin et al., 1999 Taylor et al., 2002 Carmena et al., 2003 Hochberg et al., 2006 Koike et al., 2006 Choi et al., 2009). Cependant, plusieurs autres études ont démontré la capacité d'extraire des prédictions de mouvement des neurones dans les zones corticales postcentrales et précentrales (Wessberg et al., 2000 Carmena et al., 2003). Les motoneurones précentraux pourraient fournir des prédictions précises de la force et du déplacement même en petit nombre (Koike et al., 2006 Choi et al., 2009), mais de nombreux neurones d'autres domaines avaient également le potentiel de fournir des prédictions significatives (Wessberg et al., 2000 Carmena et al., 2003). La précision de la prédiction augmentait avec le nombre de neurones inclus, même lorsque les neurones inclus étaient sélectionnés au hasard et non liés au mouvement moteur dans la nature (Wessberg et al., 2000 Carmena et al., 2003).

La plasticité neuronale, qui est inhérente aux expériences d'IMC, n'est pas toujours un obstacle mais peut être activement appliquée pour induire des changements dans les connexions neuronales pour une compensation fonctionnelle. Par exemple, Mavoori et al. (2005) ont étudié le fonctionnement d'une petite puce informatique en conjonction avec des fils-électrodes implantés dans le cortex moteur du singe. Cette puce neuronale, utile pour l'IMC invasif, peut convertir les décharges d'un neurone cortical non pas pour contrôler les signaux des appareils externes mais en stimuli directement délivrés à d'autres neurones et régions pour modifier de manière appropriée l'activité neuronale dans ces régions. Jackson et al. (2006) ont configuré la neuropuce en tant que potentiels d'action enregistrés sur un site déclenchant une stimulation synchrone sur le site voisin dans le cortex moteur du singe. Un fonctionnement continu pendant un jour ou plus a entraîné des changements à long terme dans les effets de sortie évoqués par le site d'enregistrement et les changements sont restés stables pendant plus d'une semaine de test après la fin du conditionnement. De tels effets de conditionnement étaient liés à la plasticité dépendante du temps et obtenus uniquement lorsque les délais entre les décharges neuronales et les stimuli étaient inférieurs à 50 ms, ce qui indique que la synchronisation des décharges pourrait être impliquée en tant que facteur efficace dans de tels changements plastiques.

Enfin, nous présentons les découvertes récentes selon lesquelles l'apprentissage du fonctionnement de l'IMC induit une activité synchrone et oscillatoire dans d'autres régions du cerveau liées à des fonctions spécifiques. Koralek et al. (2012) ont étudié le rôle de la plasticité corticostriatale, généralement impliquée dans l'apprentissage des compétences physiques, dans l'apprentissage abstrait des compétences à l'aide de l'IMC. Les auteurs ont entraîné des rats à apprendre à contrôler la hauteur d'un curseur auditif pour atteindre l'une des deux cibles en modulant l'activité de tir dans le cortex moteur indépendamment du mouvement physique. Au cours de l'apprentissage de l'IMC, une altération de l'activité a été observée dans les neurones striataux, avec davantage de neurones modulant l'activité en fonction de la progression de l'apprentissage pour atteindre les cibles. Parallèlement, de fortes corrélations, reflétées dans le couplage oscillatoire, entre l'activité neuronale dans le cortex moteur et le striatum ont émergé. Cela suggère que la plasticité corticostriatale et l'interaction oscillatoire sous-jacente à l'apprentissage des compétences physiques sont également nécessaires pour l'apprentissage abstrait des compétences à l'aide de l'IMC et que les mouvements neuroprothétiques capitalisent sur les circuits neuronaux impliqués dans l'apprentissage moteur naturel. Plus récemment, Koralek et al. (2013) ont également signalé que la cohérence de l'activité entre le cortex moteur et le striatum pendant l'apprentissage de la tâche IMC est sélectivement augmentée dans les neurones contrôlant la sortie comportementale par rapport aux neurones adjacents. Le décalage temporel de ces interactions oscillatoires s'alignait étroitement sur les retards de conduction corticostriée, démontrant une synchronisation très précise. Les tirs de l'une ou l'autre région ont été suivis d'une phase cohérente dans l'autre région, suggérant que la rétroaction du réseau renforce l'activité cohérente. Les auteurs concluent qu'une cohérence temporellement précise se développe au cours de l'apprentissage spécifiquement dans les populations neuronales liées à la sortie motrice et que l'activité oscillatoire sert à synchroniser les réseaux cérébraux étendus pour produire un comportement adéquat.Cela confirme que la coordination temporelle sélective entre les neurones conduisant au développement d'assemblages cellulaires est fondamentale pour apprendre à contrôler le comportement. Koralek et al. (2012, 2013) indiquent de manière fiable que la recherche utilisant l'IMC peut être une recherche en neurosciences systémiques et peut fournir des données importantes pour révéler les fonctions cérébrales normales et leurs mécanismes.

En conclusion, la recherche sur le conditionnement opérant neuronal, la neuroréadaptation, l'IMC et les neurosciences systémiques produiront des résultats applicables à tous ces domaines interdépendants, et la synchronie et l'oscillation de l'activité neuronale peuvent être un pont clé commun entre ces disciplines.


3 AMÉLIORATIONS CLINIQUES CHEZ LES PATIENTS MÉDICAUX CHRONIQUES

Quel que soit le niveau d'exhaustivité, la plupart de la récupération après une LME se produit dans les 6 mois suivant la blessure et le taux de changement atteint un plateau à 9 mois après la blessure (Oleson & Flanders, 2019). Bien qu'une certaine récupération motrice puisse se poursuivre pendant 2 ans ou plus, le degré est généralement faible et il est peu probable qu'il améliore de manière significative la fonction (Oleson & Flanders, 2019). Nous avons recruté des patients en phase chronique (1 à 15 ans après la blessure) pour étudier l'impact de 4 à 12 semaines de PAS élevé (jusqu'à plus d'un an chez un patient (Rodionov et al., 2019)) sur les performances motrices. et d'autres résultats. Comme une récupération spontanée étendue à ce stade est hautement improbable, les patients ont servi de leur propre contrôle. Nous avons maintenant rapporté au total 20 patients, qui ont tous bénéficié du PAS, comme décrit ci-dessous (Rodionov et al., 2019 , 2020 Shulga, Lioumis, et al., 2016 Shulga et al., 2020 Tolmacheva, Savolainen, et al. , 2019 Tolmacheva et al., 2017 Vaalto et al. , soumis). Les caractéristiques cliniques de ces patients sont résumées dans le tableau S1. Le PAS peut être appliqué en haut (Rodionov et al., 2019 Shulga, Lioumis, et al., 2016 Tolmacheva, Savolainen, et al., 2019 Tolmacheva et al., 2017 ) et en bas (Rodionov et al., 2020 Shulga, Lioumis , et al., 2016 Shulga et al., 2020 ) membres. Il augmente les scores du test musculaire manuel (MMT) à la fois traumatique (Rodionov et al., 2019 , 2020 Shulga, Lioumis, et al., 2016 Shulga et al., 2020 Tolmacheva et al., 2017 ) et neurologique (Rodionov et al. , 2020 Tolmacheva, Savolainen, et al., 2019 ) SCI et chez les patients paraplégiques (Shulga, Lioumis, et al., 2016 Shulga et al., 2020 ) et tétraplégiques (Rodionov et al., 2019 , 2020 ). Dans toutes les études, le PAS a été mené en parallèle avec une rééducation continue conventionnelle et personnalisée (tableau S1), qui est restée la même qu'avant le PAS et n'a pas été influencée par les chercheurs.

3.1 Essai manuel du moteur

Les patients ont été évalués par des tests musculaires manuels (MMT) (Hislop et al., 2014) sur une échelle de 0 à 5 et avec des tests fonctionnels. L'interprétation des valeurs MMT est répertoriée dans le tableau 1. Les scores MMT ≥3 sont considérés comme fonctionnels (Oleson & Flanders, 2019 ). Dans chaque étude, nous avons calculé la moyenne de la variation du score MMT pour chaque muscle. Seuls les muscles présentant des valeurs anormales lors de l'évaluation initiale ont été pris en compte.

Valeur Sens
0 Aucune contraction visible ou palpable.
1 Contraction visible ou palpable.
2 Pleine gravité ROM éliminée.
3 ROM complète contre la gravité.
4 ROM complète contre la gravité, résistance modérée.
5 ROM complète contre la gravité, résistance maximale.

Après avoir documenté l'augmentation du TMM chez deux patients pilotes, un para- et un tétraplégique (Shulga, Lioumis, et al., 2016), nous avons mené trois séries de cas (5 patients chacun) où le TMM a augmenté chez chaque patient individuel de chaque série ( Rodionov et al., 2020 Tolmacheva, Savolainen, et al., 2019 Tolmacheva et al., 2017 ). Nous avons observé que le PAS des membres supérieurs pendant 4 semaines augmentait le MMT en moyenne de 1 point, mesuré lors du suivi sur tous les muscles de la main chez les patients présentant une lésion traumatique (Tolmacheva et al., 2017). Par la suite, nous avons développé davantage les paramètres PNS (Tolmacheva, Makela et al., 2019) (voir « Paramètres PNS » ci-dessous). Avec ce nouveau protocole appliqué pendant 6 semaines, nous avons obtenu une augmentation moyenne de 1,7 point des muscles des membres supérieurs chez les patients atteints de LME non traumatique, mesurée au suivi (Tolmacheva, Savolainen, et al., 2019). Nous avons également appliqué 8 semaines de stimulation aux membres inférieurs de patients tétraplégiques (à la fois traumatiques et non traumatiques) et observé une augmentation moyenne du MMT de 1,2 point dans tous les muscles (Rodionov et al., 2020). Il est à noter que, comme les mesures du MMT fonctionnent contre la gravité, des changements de force plus importants dans les muscles des jambes sont nécessaires pour atteindre des résultats MMT similaires à ceux des muscles de la main. Dans une étude de cas où le PAS était administré tant que l'amélioration était en cours, nous avons obtenu une augmentation du MMT de 3,2/1,8 dans la main droite/gauche, ce qui a conduit à des scores MMT complets à la fin de l'expérience (Rodionov et al., 2019 ) (voir également le tableau 2).

AVANT, score et sens APRES, score et sens
1. A besoin d'une assistance partielle pour manger et/ou boire, ou pour porter des dispositifs adaptés 3. Manger et boire indépendamment ne nécessite pas d'assistance ou d'appareils adaptatifs
1. Nécessite une assistance partielle pour le bain du haut du corps (savonnage, lavage, séchage du corps et de la tête, manipulation de l'eau du robinet) 3. Les lavages indépendants ne nécessitent pas de dispositifs adaptatifs ou de réglages spécifiques
0. Nécessite une assistance totale pour habiller le haut du corps (vêtements, chaussures, orthèses permanentes : habillage, port, déshabillage) 3. Indépendant avec des vêtements sans boutons, fermetures éclair ou lacets ne nécessite pas de dispositifs adaptatifs ou de réglages spécifiques
0. Nécessite une assistance totale pour le transfert du lit au fauteuil roulant 2. Indépendant avec transfert du lit au fauteuil roulant
1. Nécessite une assistance partielle pour le toilettage (lavage des mains et du visage, brossage des dents, peignage des cheveux, rasage) 3. Toilettes indépendamment sans dispositifs adaptatifs

3.2 Gains fonctionnels

Outre le MMT, nous avons également observé des améliorations significatives dans les tests fonctionnels de la main. Dans une étude avec des patients tétraplégiques non traumatiques, à l'évaluation à 6 mois, nous avons documenté une augmentation de 35 % des résultats des tests Box et Block, une augmentation de 60 % du test de pincement de la paume et une augmentation de 110 % de la dynamométrie de préhension après une PAS du membre supérieur ( Tolmacheva, Savolainen, et al., 2019 ). Nous avons également observé une amélioration moyenne de 22% de la vitesse de marche chez les participants ambulatoires après une PAS des membres inférieurs (Rodionov et al., 2020). Des améliorations fonctionnelles subjectives ont également été rapportées par de nombreux patients ayant subi une PAS de 4 à 12 semaines. Par exemple, les patients ont signalé une meilleure utilisation de la main stimulée pour se laver les cheveux, trancher les aliments, s'habiller, manipuler un volant (Tolmacheva, Savolainen, et al., 2019), ouvrir des portes ou ouvrir des bouteilles (Tolmacheva et al., 2017) . Les patients ont également signalé une utilisation généralement plus polyvalente des mains (Tolmacheva, Savolainen, et al., 2019 Tolmacheva et al., 2017 ). Huit semaines de PAS pour les membres inférieurs ont amélioré la mesure de l'indépendance de la moelle épinière (SCIM) chez deux patients de cinq de 15 et 9 points, principalement dans les sous-échelles de mobilité (Rodionov et al., 2020). Chez un patient, 12 semaines de PAS 1 an après la blessure ont permis la participation à une rééducation à la marche jugée futile avant le PAS, et amélioré la distance de marche de plus de 100 % lorsqu'elle est répétée pendant 12 semaines supplémentaires 2 ans après la blessure. Le patient était à l'origine non ambulatoire après toute l'intervention, il déambulait 50 % du temps à domicile (Shulga et al., 2020), c'est-à-dire que chez ce patient, le PAS était le principal facteur qui restaurait la capacité de marcher. Une augmentation remarquable de SCIM (en particulier dans les soins personnels, voir le tableau 2) a été obtenue dans une étude de cas (Rodionov et al., 2019) où le PAS a été appliqué sur les mains aussi longtemps qu'elles s'amélioraient (pendant plus d'un an). Avant le PAS, le sujet avait besoin d'une assistance totale ou partielle pour manger, se laver, s'habiller et se toiletter. Au cours du suivi, il a pu effectuer ces tâches de manière autonome et sans dispositifs adaptatifs. Chez tous les patients qui ont pu utiliser l'activité musculaire améliorée dans la vie quotidienne, les scores obtenus ont soit persisté, soit même souvent améliorés au cours du suivi de 1 à 4 mois. Voir les liens supplémentaires pour des exemples de vidéos de patients.

3.3 Autres effets

Chez tous nos patients, les résultats des tests sensoriels effectués selon la classification de l'échelle de déficience (AIS) de l'American Spinal Injury Association n'ont pas changé de manière significative. La spasticité mesurée par l'échelle d'Ashworth modifiée n'a pas non plus été affectée.

Huit des 20 patients présentaient des douleurs neuropathiques, qui étaient légères à modérées chez 7 patients (Rodionov et al., 2019 , 2020 Shulga, Lioumis, et al., 2016 Shulga et al., 2020 Tolmacheva et al., 2017 ) et sévères chez 1 ( Vaalto et al. , soumis). Les douleurs neuropathiques ont diminué ou les sensations désagréables ont disparu chez sept patients. Un résumé plus détaillé des résultats de la douleur neuropathique est présenté dans Vaalto et al. (soumis).


Méthodes

Animaux

Toutes les expériences avec des poissons ont été approuvées par le Comité institutionnel de protection et d'utilisation des animaux de l'Université Ben Gourion du Néguev et étaient conformes aux réglementations gouvernementales de l'État d'Israël. Poisson archer (Toxotes chatareus), 6-13 cm de longueur, 10-15 g de poids corporel ont été utilisés dans cette étude. Les poissons ont été conservés dans un réservoir d'eau rempli d'eau saumâtre (2 à 2,5 g de sels rouges mélangés pour 1 litre d'eau) à 26-28 °C. La pièce était éclairée par une lumière artificielle avec un cycle jour-nuit de 16/8 h.

Entraînement des poissons

Au total, huit poissons ont été progressivement entraînés, dans différentes expériences, à répondre à une barre noire mobile sur fond blanc présentée sur un écran LCD (E177FP, 17′′, Dell, USA) placé au-dessus d'une plaque de verre transparente à 40 cm au-dessus niveau d'eau. Dans ce réglage, 1 cm sur l'écran correspond à 1,43° au zénith de chaque point d'eau. Chacun des poissons était logé dans un réservoir d'eau séparé de 30 × 50 × 40 cm. Les poissons ont d'abord été entraînés à tirer sur des images d'insectes et ont été récompensés par une boulette de nourriture pour chaque tir réussi. Cette partie de la formation a duré environ 1 à 3 sessions de formation, de 10 à 20 essais chacune. Après cet apprentissage, l'image a été remplacée par une barre statique noire (0,25 cm × 1 cm) présentée à des emplacements arbitraires. Plus tard, la barre statique a été remplacée par une barre mobile (0,25 cm × 1 cm). La vitesse de la barre mobile était de 4 cm s -1 . Cette partie de la formation a duré environ 1 à 2 sessions de formation, de 10 à 20 essais chacune. Certains poissons sont morts au cours des travaux, ils n'apparaissent donc pas dans toutes les figures. Les poissons sont classés selon l'ordre des chiffres.

Expériences comportementales

Les stimuli ont été présentés à l'aide de présentations PowerPoint (Microsoft, Seatle, WA, USA). Toutes les expériences ont été enregistrées à l'aide d'une caméra HD (Handycam HDR-SR11E, Sony, Tokyo, Japon) à 25 images par seconde et stockées hors ligne pour une analyse plus approfondie.

Il y avait six types d'expériences comportementales, les cinq premières expériences utilisaient des écrans avec 4, 6 ou 8 barres de distraction, et une barre mobile impaire qui a été choisie au hasard. Dans toutes les expériences, les barres se sont déplacées dans la direction orthogonale à leur orientation. Dans les expériences 1, 2, 3, 5 et 6, les poissons ont été récompensés pour avoir tiré sur l'une des cibles. Dans l'expérience 4, les poissons n'étaient récompensés que pour avoir tiré sur une barre mobile étrange. Dans ces expériences, des barres noires de 0,25 cm × 1 cm étaient affichées sur un fond blanc. La distance entre les centres des barres variait entre 5 et 7 cm. La sixième expérience consistait en trois conditions avec des affichages contenant 7, 10 ou 14 patchs Gabor et un patch Gabor en mouvement impair. Dans cette expérience, des patchs Gabor de 2 cm × 2 cm ont été affichés sur un fond blanc. La distance entre les centres de Gabor variait entre 5 et 7 cm. Les différentes expériences étaient :

(1) Expérience de vitesse : la cible s'est déplacée deux fois plus vite que les distracteurs (Fig. 1b). La vitesse de la cible et des distracteurs étaient respectivement de 4 et 2 cm s -1 . Chaque essai consistait en quatre cycles de mouvement de va-et-vient, pour un total de 4 s. Pour contrôler la préférence de vitesse, nous avons mené deux expériences supplémentaires. Dans la première expérience de contrôle, la vitesse de la cible et des distracteurs étaient respectivement de 8 et 4 cm s -1. Dans la deuxième expérience de contrôle, la vitesse de la cible et des distracteurs étaient respectivement de 2 et 4 cm s -1 . (2) Expérience de direction : la cible et les distracteurs se sont déplacés en sens inverse (Fig. 1c). La vitesse de la cible et des distracteurs était de 4 cm s -1 . Chaque essai consistait en quatre cycles de mouvement de va-et-vient, pour un total de quatre secondes. (3) Expérience de taille : la barre mobile impaire était deux fois moins large que les barres de distraction (Fig. 2a). La vitesse de la cible et des distracteurs était de 4 cm s -1 . Chaque essai consistait en 10 cycles de mouvement de va-et-vient, pour un total de 10 s. Pour contrôler la préférence de taille, nous avons eu une expérience dans laquelle la taille de la cible était deux fois plus large que les barres de distracteur. (4) Expérience de recherche de conjonction : la moitié des barres de distraction avaient la même vitesse que la barre mobile étrange mais étaient deux fois plus larges. L'autre moitié des barres de distraction avait la même largeur que l'étrange barre mobile, mais la moitié de sa vitesse (Fig. 2d). La vitesse de la cible était de 4 cm s -1 et sa largeur était de 0,25 cm. Chaque essai consistait en 10 cycles de mouvement de va-et-vient, pour un total de 10 s. (5) Expérience additive : la cible s'est déplacée à la fois deux fois plus vite que les distracteurs et en sens inverse (Fig. 4a). La vitesse de la cible et des distracteurs étaient respectivement de 4 et 2 cm s -1 . Chaque essai consistait en quatre cycles de mouvement de va-et-vient, pour un total de 4 s. (6) Expérience de Gabor : la vitesse de tous les patchs était de 1,5 cm s -1 avec une période spatiale de 0,6 cm. le patch impair et les distracteurs se déplaçaient dans des directions opposées (Fig. 1 supplémentaire).

Il est important de noter que les paramètres de mouvement phase, vitesse et amplitude sont des paramètres contraints. C'est-à-dire que si vous en corrigez un et en changez un autre, le troisième est déterminé. Dans l'expérience de vitesse, nous avons fixé la phase relative entre la cible et les distracteurs et choisi de changer la vitesse relative entre eux. Ce faisant, il y avait également une différence dans la distance à laquelle les barres se déplaçaient. Pour plus de simplicité, nous avons choisi d'appeler ce stimulus un stimulus de vitesse, en gardant à l'esprit que tout effet que nous voyons pourrait également être lié à l'amplitude du mouvement.

Analyse des données comportementales

Les taux de sélection des cibles et les temps de réaction ont été extraits des films par l'expérimentateur et enregistrés sous forme de fichiers Matlab pour des analyses ultérieures. Nous avons calculé la fonction de distribution cumulative binomiale pour les taux de sélection cibles et les avons comparés aux valeurs aléatoires, en utilisant le test binomial, pour déterminer si la vraie probabilité de choisir la cible est supérieure à la valeur aléatoire.

Pour calculer les intervalles de confiance à 95 % du temps de réaction individuel des poissons, nous avons utilisé les formules standard pour les intervalles de confiance pour la médiane 40 . Les limites de confiance inférieure et supérieure à 95 % sont données par des valeurs classées, où m est le nombre de tirs vers la cible.

Pour déterminer si le temps de réaction augmente linéairement en fonction du nombre de barres de distraction, nous avons d'abord calculé le temps de réaction médian pour chaque condition. Nous avons ensuite ajusté une ligne à ces médianes à l'aide d'une régression linéaire standard et avons trouvé la pente de la régression. Deuxièmement, nous avons utilisé un test de permutation avec 1 000 répétitions pour évaluer la probabilité de trouver une pente égale ou supérieure à la pente d'origine. La probabilité <0,05 a été considérée comme significative et impliquait donc que le temps de réaction augmente en fonction des barres de distraction.

Opération

Les poissons ont été anesthésiés avec du MS-222, (A-5040, Sigma-Aldrich, St Lewis, MO, USA) 100 mg l -1 d'eau du réservoir et retenus dans un dispositif spécial et ses branchies arrosées en continu avec de l'eau du réservoir contenant du MS-222 (50 mg par litre). L'arrosage des branchies était indispensable en raison d'une possible insuffisance respiratoire causée par l'exposition au MS-222. Une incision a été pratiquée sur le tectum optique, la peau et le tissu adipeux ont été retirés et de la lidocaïne (L-7757, Sigma-Aldrich, St Lewis, MO, USA) a été appliquée aux limites de l'incision. À ce stade, nous avons injecté au poisson 5 à 15 l de relaxant musculaire non dépolarisant, le trithiodide de galamine (17 gr par litre, G 8134, Sigma-Aldrich, St Lewis, MO, USA) dans la colonne vertébrale, vers la queue, pour empêcher les mouvements musculaires pendant l'expérience. Plus précisément, ce n'est qu'après avoir confirmé que les mouvements oculaires ont été éliminés que nous avons poursuivi le reste de la procédure. Une fraise dentaire (Micro drill #097883, avec une pointe de 2,7 mm de diamètre, trépans en acier inoxydable, #18004-27, Fine Science Tools, Foster City, CA, USA) a ensuite été utilisée pour ouvrir le crâne et les méninges sur le tectum optique. Un fil d'argent (76,2 de diamètre, pointe recouverte de chlorure d'argent) a été placé dans le liquide céphalo-rachidien près du tectum optique et utilisé comme électrode de référence.

In vivo électrophysiologie

Le poisson et le dispositif de retenue ont été placés ensemble dans un réservoir d'eau plus petit (longueur 25 cm, largeur 6 cm, hauteur 6 cm) rempli d'eau saumâtre (2 à 2,5 g par litre de sel de mer rouge) jusqu'à 0,5 cm au-dessus du niveau des yeux. (pas de MS-222 à ce stade, voir Fig. 3a). Les branchies du poisson étaient continuellement arrosées à travers un tube inséré dans sa bouche pour compenser une éventuelle dégradation respiratoire. Le poisson a été placé de sorte que son œil droit se trouve à 0,3 cm de la paroi de verre (parallèle au plan sagittal du poisson) au centre du bac. Ce mur de verre était plus haut que les autres murs (12 cm de hauteur) et permettait ainsi au poisson un champ visuel large (environ 110° dans les deux axes vertical et horizontal). Le poisson a été maintenu dans l'appareil pendant 10 à 20 minutes pour s'assurer que l'effet de l'anesthésique s'estompe et qu'il respire tout seul. À l'aide d'une seule électrode (tungstène, revêtue de verre, 250 de diamètre, 2 MΩ d'impédance, 60 mm de long, cat # 366-060620-11, Alpha-Omega, Israël) montée sur un manipulateur calibré (Narishige, Japon) des enregistrements ont été réalisés à partir de les couches superficielles (jusqu'à 500 m de profondeur) du tectum optique. Le signal obtenu a été amplifié (× 10 4 ) et filtré (filtre passe-bande, gamme 300 Hz-10 kHz) par un amplificateur (DAM 50, WPI, USA) puis transmis par deux canaux parallèles : (1) le signal a été échantillonné et enregistré avec un ordinateur à 20 kHz et (2) le signal est passé par un filtre coupe-bande analogique, supprimant 50 Hz, puis vers un moniteur audio et un oscilloscope. De cette façon, la réponse neuronale pourrait être à la fois entendue et vue en temps réel pendant l'expérience. Le premier enregistrement d'une session a eu lieu environ 30 minutes après la fin de la chirurgie. La durée moyenne d'une session d'enregistrement typique était ∼ 5 h, et nous avons pu maintenir des unités individuelles jusqu'à 30-40 min, pour obtenir environ sept neurones par poisson. Le tri des pointes a été effectué hors ligne à l'aide de routines Matlab personnalisées 31 . Nous avons enregistré un total de 86 neurones de 12 poissons archers différents dans toutes les séries d'expériences.

Estimation de la localisation du champ récepteur

Pour estimer l'emplacement du champ récepteur du neurone, une barre a été déplacée de manière interactive par l'expérimentateur à travers l'écran avec différentes orientations et directions de déplacement pour détecter les limites du champ récepteur. La barre a été déplacée à travers l'écran jusqu'à ce qu'une forte réaction se fasse entendre. Ce point a été marqué comme l'un des bords du champ récepteur.De la même manière, la barre a été déplacée dans différentes directions pour déterminer les limites du champ récepteur. Cette méthode nous permet de marquer la limite du champ récepteur assez rapidement pour que la cartographie de nombreux neurones de chaque animal soit possible. L'erreur dans la détermination de l'emplacement exact des bords est ∼ 1,5°.

Stimulations visuelles

Pour déterminer la direction de mouvement préférée du neurone, une barre avec une longueur et une largeur ajustées pour correspondre à la taille du champ récepteur a d'abord été déplacée à travers le champ récepteur avec une direction de mouvement orthogonale à l'orientation de la barre. La direction préférée du neurone a été déterminée en utilisant la sortie auditive du système d'enregistrement. Ensuite, une barre d'une largeur de 1 cm (correspond à 3 à 6°, selon la distance de l'écran à l'œil du poisson) et d'une longueur ajustée pour correspondre à la longueur du champ récepteur a été configurée pour se déplacer en fonction de la largeur du champ récepteur. La vitesse de déplacement était d'une largeur de champ récepteur par seconde. Huit barres étaient affichées dans une matrice autour du champ récepteur (Fig. 3b). La distance entre la barre centrale et les barres environnantes était de deux champs récepteurs dans l'axe du mouvement et d'un champ récepteur dans l'axe perpendiculaire au mouvement. Le stimulus consistait en 15 à 25 répétitions de trois cycles de mouvement, 2 s chacun, pour un total de 6 s par répétition, suivis de 2 s d'écran noir, pour éviter tout effet d'adaptation.

Il y avait cinq types de stimulus dans l'expérience électrophysiologique : (1) Barre unique : une barre se déplaçant à l'intérieur du champ récepteur avec une vitesse d'une largeur de champ récepteur par seconde. (2) Contraste de vitesse : la barre intérieure s'est déplacée deux fois plus vite que les barres extérieures. C'est-à-dire que la barre a commencé son mouvement à une demi-largeur du champ récepteur avant le bord du champ récepteur et a terminé le mouvement à la moitié de la largeur d'un champ récepteur après le bord du champ récepteur de l'autre côté, avec une vitesse de deux largeurs de champ réceptif par seconde. Les barres extérieures se déplaçaient à une vitesse d'une largeur de champ récepteur par seconde. (3) Contraste de direction : la barre intérieure et la barre extérieure se sont déplacées dans des directions opposées. Toutes les barres se sont déplacées à une vitesse d'une largeur de champ récepteur par seconde. (4). Pas de contraste : la barre intérieure s'est déplacée en coïncidence avec les barres extérieures à une vitesse d'une largeur de champ récepteur par seconde. (5) Contraste additif : la barre intérieure s'est déplacée à la fois deux fois plus vite, c'est-à-dire deux largeurs de champ récepteur par seconde, et dans la direction opposée aux barres en dehors du champ récepteur.

De plus, nous avons mené trois expériences de contrôle. La motivation pour le premier contrôle était que dans l'expérience comportementale, la vitesse angulaire observée des barres mobiles peut changer d'un essai à l'autre en raison du mouvement du poisson (c'est-à-dire de la nage) dans l'aquarium et du manque d'œil de poursuite en douceur. mouvements. Pour contrôler un tel effet, nous avons changé la vitesse de mouvement dans la condition de contraste de vitesse à une largeur de champ réceptif par seconde pour la barre intérieure et la moitié d'une largeur de champ réceptif par seconde pour les barres extérieures. Nous avons enregistré 21 neurones de 3 poissons différents pour le sous-ensemble de données de cette expérience. Nous avons constaté que les ratios de neurones de contraste de vitesse et de neurones neutres de vitesse dans les deux conditions étaient respectivement de 48 % (10/21) et 52 % (11/21). Nous avons conclu que la population de neurones à contraste de vitesse n'était pas modifiée de manière significative à la suite de cette manipulation. Dans la deuxième expérience de contrôle, nous avons modifié l'espacement entre la barre intérieure et les barres extérieures. Dans cette expérience, la distance entre la barre centrale et les barres environnantes était de trois champs récepteurs dans l'axe du mouvement et d'un et demi champ récepteur dans l'axe perpendiculaire au mouvement (Fig. 3a supplémentaire). Nous avons enregistré 14 neurones de 2 poissons différents dans cette expérience. Nous avons constaté que le ratio de neurones modulés contextuellement dans cette expérience était de 57 % (8/14). Nous avons conclu que la population de neurones modulés contextuellement n'avait pas changé de manière significative à la suite de cette manipulation (?? 2 -test, P=0,68). Dans la troisième expérience de contrôle, nous avons changé la polarité du stimulus. C'est-à-dire que nous avons utilisé des barres mobiles noires sur un fond blanc (Fig. 3b supplémentaire). Ici, nous avons enregistré 21 neurones de 3 poissons différents. Nous avons constaté que le ratio de neurones modulés contextuellement dans cette expérience était de 52 % (11/21). Nous avons conclu que la population de neurones modulés contextuellement n'avait pas changé de manière significative à la suite de cette manipulation (?? 2 -test, P=0.38).

De plus, nous avons effectué deux analyses de puissance. Dans la première analyse, nous avons constaté qu'avec le nombre de neurones que nous avions réellement, nous pouvons atteindre une signification au P<0,05 niveau pour une proportion modulée contextuellement de 29 % ou moins. Dans la deuxième analyse, nous avons constaté que pour trouver une différence significative de 0,05% dans 90% des cas, avec une estimation de la variance dérivée des données réelles collectées, nous avons besoin de >200 neurones dans chacune des expériences de contrôle. Par conséquent, nous sommes convaincus que tout effet qui peut exister doit être faible. Nous concluons que la population de neurones modulés contextuellement est un phénomène robuste et ne dépend pas de manière critique des détails exacts des paramètres de stimulus.

Classification des neurones

Pour quantifier l'effet des barres environnantes sur la réponse de chaque neurone, nous avons d'abord mesuré le taux de décharge du neurone dans chaque cycle du stimulus, en comptant les pointes dans l'ensemble du cycle de six secondes de l'affichage du stimulus, dans chaque condition. Ensuite, nous avons utilisé un t-test pour évaluer la signification statistique de la différence entre les taux de tir pour les différentes conditions. Nous avons utilisé la méthode Holm-Bonferroni pour ajuster les comparaisons multiples. Pour plus de commodité, nous désignons les taux de tir dans la condition de contraste de vitesse, la condition de contraste de direction, l'absence de contraste et la condition de contraste additif comme S, , N et UNE, respectivement. De plus, on note des augmentations significatives de >> et augmentation non significative de =. Neurones avec S>>N et =N ont été classés comme des neurones à contraste de vitesse. Neurones avec D>>N et S=N ont été classés comme des neurones à contraste de direction. Neurones avec S>>N et D>>N ont été classés comme des neurones à deux contrastes. Neurones avec S=N et =N ont été classés comme des neurones sans contraste. Neurones avec N>>S ou N>>D ont été classés comme neurones contextuellement inhibés. Enfin, les neurones avec A>>S et A>>D et A>>N ont été classés comme des neurones additifs.


L'hypothèse de la phase de contrôle critique

L'idée que le contrôle du placement du pied sur un terrain complexe sert à maintenir une exploitation énergétiquement efficace de la dynamique physique du corps motive une hypothèse sur le moment où les informations visuelles sur le terrain à venir sont les plus critiques. Cette hypothèse comporte deux volets et sera appelée la hypothèse de la phase de contrôle critique.

Le premier élément concerne la distance à laquelle les marcheurs doivent pouvoir prélever des informations visuelles sur le terrain à venir. Une stratégie de contrôle visuel basée sur la manipulation de la trajectoire balistique du COM pendant la seule phase d'appui obligerait les marcheurs à voir le terrain suffisamment à l'avance pour pouvoir faire les ajustements appropriés aux deux déterminants de cette trajectoire. C'est-à-dire qu'adapter l'état mécanique du corps de manière appropriée pour permettre à un marcheur de marcher sur un pied cible (disons, avec le pied droit) exige que le marcheur voit cette cible avant que la mécanique du pas pertinent n'ait été définie. Compte tenu de la dynamique du pendule inversé de la phase d'appui unique, cela signifie que le marcheur doit voir le pied droit avant que le pied gauche, qui définit la base du pendule inversé à venir, ait touché le sol et avant la force de poussée de la jambe d'appui a été adopté. En tant que tel, le marcheur doit voir le terrain pertinent pour un pied droit alors que le pied droit est toujours au sol (et vice versa pour le pied gauche). En d'autres termes, pour adapter la mécanique du corps pour permettre de marcher vers une prise de pied spécifique, un marcheur doit voir le terrain correspondant à cette prise de pied à peu près au milieu de la phase d'appui unique précédente - environ deux longueurs de pas de regard visuel vers l'avant (Fig. . 1). ‡

En effet, restreindre la capacité d'un marcheur à voir le terrain à venir à moins de deux longueurs de pas entraîne une diminution de la précision des pas et de la vitesse de marche (43). De plus, la trajectoire du COM ressemble moins à celle d'un pendule inversé se déplaçant passivement que lorsque les marcheurs peuvent voir deux longueurs de pas ou plus devant, ce qui suggère que les marcheurs ont besoin d'au moins deux longueurs de pas de vision en avant pour exploiter la dynamique de leur pendule inversé. en marchant sur un terrain complexe (44). Fait intéressant, ces résultats convergent avec des études sur le comportement du regard qui démontrent que les marcheurs ont tendance à regarder à environ deux pas en avant lorsqu'ils marchent sur un terrain complexe (32). De plus, Zaytsev et al. (45) ont récemment montré qu'un modèle de marche bipède dynamique avec des actionneurs réalistes pouvait atteindre presque n'importe quelle vitesse cible ou emplacement de prise de pied souhaité en utilisant une fenêtre de planification en deux étapes. Ces résultats suggèrent que la tendance des marcheurs humains à regarder environ deux longueurs de pas en avant pendant la locomotion sur un terrain complexe (31 ⇓ –33) peut être enracinée dans la dynamique physique du cycle de marche bipède.

La deuxième partie de l'hypothèse de la phase de contrôle critique concerne le moment où les informations visuelles sur le terrain à venir ne sont plus nécessaires. Les marcheurs ont-ils besoin d'informations visuelles sur l'emplacement d'un pied cible à venir tout au long de l'étape, ou peuvent-ils atteindre des niveaux de précision de pas comparables s'ils arrêtent d'échantillonner des informations à mi-chemin ou même avant que l'étape ne soit lancée ? Si, en fait, les marcheurs tentent d'initialiser chaque pas pour que le corps puisse suivre une trajectoire balistique jusqu'à la cible, alors le rôle des informations visuelles sur une cible est principalement de permettre au marcheur d'adapter les deux déterminants de la trajectoire balistique. Il est important de noter que cette stratégie repose sur le contrôle de l'anticipation : les marcheurs utilisent des informations sur le chemin à venir pour établir l'état mécanique du corps avant l'étape à venir afin que la dynamique naturelle de leur corps les porte dans la direction souhaitée (Fig. 1). Tout contrôle actif de la trajectoire de la jambe oscillante pendant la phase d'appui unique obligerait le marcheur à utiliser des forces musculaires pour interférer avec la trajectoire balistique du corps. En tant que tel, nous devrions nous attendre à ce que les informations visuelles sur la cible ne soient pas nécessaires une fois que l'étape vers cette cible est lancée.

En effet, les sujets marchant sur un chemin de petites prises de cible ont montré une diminution négligeable de la précision de pas lorsque les cibles sont devenues invisibles au pied du pas vers la cible (46). Cependant, la précision des pas diminuait considérablement si la cible devenait invisible à tout moment avant le coup de pied. En bref, il semble qu'une fois que le pied a quitté le sol vers un pied cible, aucune autre information visuelle sur cette cible n'est requise pour un placement précis du pied. Ce résultat implique que tout contrôle visuel de la trajectoire du pied lors d'un pas doit avoir lieu lors du pas précédent.

Pris ensemble, ces résultats suggèrent qu'il existe une phase critique dans le cycle de marche bipède pour le contrôle visuel du placement du pied lors de la marche sur un terrain complexe. Lors du guidage du placement d'une marche particulière, les informations visuelles sur le terrain correspondant à cette prise de pied deviennent d'une importance maximale après le milieu de la phase d'appui unique précédente, mais ne sont plus nécessaires une fois que le pied quitte le sol pour se diriger vers la prise de pied sélectionnée (Fig. . 1 et Film S1).


Notes de bas de page

Ce travail a été soutenu par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (Grants Le1030/10-1/2 à HL et SFB 1089 à HB), le Bundesministerium für Bildung und Forschung (National Genome Research Network/Epilepsy and Migraine integrated network Grants 01GS08123 et 01GS08122 to HL et HB EuroTransBio/ESSENCE Grant FKZ0315641A à MD, ST et JS), la Commission européenne (Subvention EPICURE, LSHM-CT-2006-037315 à HL, MM et HB), Laboratoire d'excellence Ion Channel Science and Therapeutics (à MM), et la Fondation Recherche Médicale (à MM). La recherche pour cette publication a été financée par le National Institute of Neurological Disorders and Stroke des National Institutes of Health en vertu de la subvention R01-NS072221 (à A.E.). Nous remercions les Drs. Olga Garaschuk, Henner Koch, Snezana Maljevic et Thomas Wuttke pour les discussions utiles sur le manuscrit et Snezana Maljevic pour la gestion et la coordination du transfert de souris et la préparation des cultures neuronales.

Le contenu de cet article relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les opinions officielles des National Institutes of Health.


Matériaux et méthodes

Participants et montage expérimental.

Quarante volontaires sains (âgés de 19 à 40 ans) sans antécédents personnels ou familiaux de maladie neurologique ou psychiatrique ont participé à une ou plusieurs des expériences (approuvées par le comité d'éthique de la recherche d'Oxfordshire et menées conformément à la déclaration d'Helsinki) : 11 participants (7 femmes) dans l'expérience de commutation, 10 (6) dans l'expérience de séjour, 6 (3) dans l'expérience de contrôle M1, 7 (5) dans l'expérience de contrôle PMd et 6 (3) dans l'intervalle entre les impulsions ( IPI). Tous les participants étaient droitiers et ont donné leur consentement éclairé par écrit. Les participants portaient des bonnets de bain bien ajustés, sur lesquels les sites TMS étaient marqués, et des bouchons d'oreille pour se protéger du bruit TMS. Une mentonnière a été utilisée pour minimiser les mouvements de la tête.

Tâche comportementale.

La tâche (Fig. 1une) exigeait que les participants répondent avec l'index gauche ou droit en réponse à des stimuli visuels présentés sur un écran ∼ 85 cm devant eux. Chaque essai a commencé par la présentation d'un carré blanc central (4,7° de largeur) suivi de la présentation de stimuli de flanc de chaque côté du carré central. Les flankers étaient toujours un carré (largeur 6°) de chaque côté, l'un rouge, l'autre vert, avec une affectation aléatoire de la couleur au côté de l'affichage. Après un délai variable (450-600 ms, distribution uniforme), le carré central est devenu vert ou rouge, demandant au participant de répondre avec l'index du côté correspondant au flanker de la même couleur.

une, Sur chaque essai de la tâche de reprogrammation d'action, les participants se sont vus présenter un carré blanc affiché au centre. Par la suite, deux flancs colorés (rouge et vert, côtés aléatoires) sont apparus de part et d'autre de la fixation. Quatre cent cinquante à six cents millisecondes après l'apparition du flanker, un signal de couleur centrale est apparu, auquel les participants ont répondu avec l'index de la main du côté de la couleur congruente. Les essais ont été regroupés en groupes avec la même couleur de signal, de sorte que dès que les flankers étaient présentés, les participants pouvaient anticiper et ainsi préparer une action basée sur la couleur de signal présentée dans l'essai précédent. La réponse préparée serait cependant incorrecte lorsque la couleur centrale de l'indice changeait d'un essai à l'autre (essais de commutation, lettres encadrées). Les actions correctes sont indiquées par « R » (à droite) et « L » (à gauche). b, L'impulsion de test M1 a été appliquée 75, 125 ou 175 ms après le début du signal de couleur central. Une impulsion de conditionnement pré-SMA a précédé l'impulsion de test M1 de 6 ms sur la moitié des essais TMS.

La manipulation critique intégrée dans la tâche était que la queue centrale prenait la même couleur pour les trains de 3 à 7 essais consécutifs (distribution uniforme). Cela a donné aux participants l'opportunité de préparer, dans la période entre le début des flankers et le début de l'indice de couleur central, la réponse qui était la plus susceptible d'être requise. La manipulation signifiait qu'il y avait deux types d'essais : les essais de maintien, sur lesquels la couleur de fixation était identique à celle de l'essai précédent, permettant ainsi aux participants d'exécuter la réponse préparée, et les essais de changement, sur lesquels la couleur de fixation était différente de la essai précédent, obligeant ainsi les participants à inhiber la réponse préparée et à reprogrammer une réponse avec l'autre main.

Les stimuli ont été générés de manière pseudo-aléatoire et un ordre de stimuli différent a été utilisé pour chaque bloc et pour chaque participant. Un logiciel personnalisé écrit en Turbo Pascal a contrôlé l'expérience. Avant la session expérimentale proprement dite, les participants se sont familiarisés avec la tâche pendant 30 essais. L'expérience principale consistait en 7 (expériences de commutation et de séjour) ou 5 (expériences de contrôle PMd et M1) de 180 essais chacune. Chaque bloc contenait 30 essais d'aiguillage et 150 essais d'étai. L'expérience IPI consistait en 5 blocs de 220 essais, chacun contenant 36 essais de commutation et 184 essais de séjour.

Changez et restez des expériences.

Au cours des expériences de commutation et de séjour, le TMS a été délivré via deux bobines en forme de huit, connectées à des stimulateurs monophasiques Magstim 200 (Magstim Company). L'intensité de la bobine d'essai était telle qu'un MEP de 1 à 1,5 mV a été obtenu dans le premier muscle interosseux dorsal controlatéral (FDI). L'intensité de la bobine de conditionnement a été fixée à 120% du seuil moteur au repos (RMT), qui à son tour a été défini comme l'intensité minimale, lorsque la bobine était au-dessus du point chaud M1, nécessaire pour obtenir un MEP de >50 μV dans le muscle FDI détendu sur 5/10 essais. L'IPI entre les impulsions de conditionnement et de test était de 6 ms, ce qui s'est avéré efficace dans une étude précédente des aires prémotrices médiales (Civardi et al., 2001). La fréquence relative des essais de commutation et de séjour est restée la même dans les deux expériences et, dans les deux cas, la TMS a été délivrée 75, 125 ou 175 ms après le début de l'indice de couleur central [stimulus-désynchronisation (SOA)] (Fig. . 1b). Ces moments ont été choisis pour couvrir la période pendant laquelle des changements d'activité neuronale pré-SMA se sont produits dans l'expérience réalisée par Isoda et Hikosaka (2007) et les moments où il a été démontré que d'autres aires prémotrices exercent une influence sur M1 (O'Shea et al. ., 2007).

La bobine d'essai a été placée sur la position qui a permis d'obtenir le MEP le plus grand pour une intensité donnée dans le muscle FDI de la main droite, avec la bobine tenue tangentiellement au crâne avec la poignée orientée vers l'arrière à ∼ 45 ° à partir de la mi- axe sagittal. La bobine de conditionnement a été placée avec la poignée pointant dans la direction antérieure, aussi près que possible d'une position 4 cm antérieure à la position de l'électrode Cz, précédemment démontrée être un emplacement approprié pour la stimulation de la pré-SMA (Rushworth et al., 2002) (Fig. 2une). Les positions des bobines ont été évaluées chez neuf participants à l'aide de la stéréotaxie sans cadre Brainsight (Rogue Research) (Fig. 2c). Les coordonnées moyennes de l'Institut neurologique de Montréal pour la bobine de conditionnement étaient [4 18 65] et donc clairement dans le pré-SMA (Picard et Strick, 1996). Les coordonnées moyennes de la bobine de test étaient [-40 -10 60], juste en avant du sillon central, conformément aux rapports précédents sur la zone de la main de M1.En outre, l'imagerie pondérée en diffusion (DWI) a été utilisée pour évaluer davantage les voies anatomiques médiant les effets observés (matériel supplémentaire II, disponible sur www.jneurosci.org en tant que matériel supplémentaire).

une, Dans les expériences de commutation et de séjour, la bobine de test (noire) a été placée sur le M1 gauche, tandis que la bobine de conditionnement (blanche) a été placée sur le pré-SMA. b, Exemple de députés enregistrés sur une impulsion unique (noir) et un essai à double impulsion (gris). L'impulsion de conditionnement peut moduler l'amplitude MEP crête à crête. c, Vues sagittales de l'image anatomique moyenne indiquant les sites TMS pré-SMA (à gauche) et M1 (à droite). Chaque cercle représente l'emplacement de la bobine chez un participant.

Nous avons d'abord collecté des données d'interaction pré-SMA/M1 dans deux expériences distinctes impliquant différents participants. Au cours de ces expériences de commutation et de séjour, les impulsions ont été délivrées presque exclusivement lors des essais de commutation et de séjour, respectivement. Pour ces deux expériences, un total de 14 essais d'impulsion par main, SOA et type d'impulsion (impulsions simples ou doubles) ont été livrés et utilisés pour les analyses sur les essais de commutation et de séjour, respectivement. La présence ou l'absence de TMS ne pouvait pas servir de repère indiquant l'identité de l'essai, car les impulsions n'étaient appliquées qu'après que le changement ou le repère de maintien s'était déjà produit. Cependant, six cas d'application d'impulsions sur l'essai opposé ont empêché les participants de détecter, comme évalué par un rapport ultérieur, toute relation entre le type d'essai et l'administration de TMS. Pour la même raison, chaque type d'essai a également été présenté en l'absence de TMS sur au moins 20 % des instances de ce type d'essai dans chaque bloc. Les essais TMS ont été présentés à au moins 7 (moyenne 10,5) secondes d'intervalle, pour s'assurer que les impulsions sur les essais adjacents ne s'influencent pas les unes les autres. Dans chaque bloc, les essais de TMS ont été répartis uniformément sur la main de réponse, la SOA et la TMS à une ou deux impulsions.

Pour l'analyse de l'effet du pré-SMA sur M1, nous nous sommes donc concentrés sur une conception entre les sessions : nous avons analysé les données TMS des essais de commutation en une session (appelée expérience de commutation) et les essais de séjour dans une session distincte (la rester expérimenter). Cela était nécessaire car le fait de sonder à la fois un nombre adéquat d'essais de commutation et de séjour dans trois SOA différents avec des impulsions simples et appariées aurait abouti (1) à ce que les participants reçoivent un très grand nombre d'impulsions TMS et (2) à une expérience extrêmement longue. .

Expériences de contrôle M1 et PMd.

Nous avons testé la spécificité anatomique des interactions pré-SMA/M1 dans deux expériences de contrôle. Dans l'expérience de contrôle M1, nous avons appliqué le TMS sur les essais de commutation et de séjour à une SOA de 125 ms via une seule bobine en forme de huit, connectée aux stimulateurs via un module BiStim, placé sur la zone de la main de M1. Il s'agit d'un contrôle critique car il teste si les changements observés dans les MEP sont causés par l'influence médiatrice de la pré-SMA ou simplement le résultat de processus internes à M1 (O'Shea et al., 2007).

Une deuxième expérience de contrôle a testé si les effets TMS pré-SMA étaient causés par la propagation de l'activation de la bobine pré-SMA dans le PMd adjacent. Au cours de cette expérience de contrôle PMd, la bobine de conditionnement a été placée sur l'hémisphère droit, car l'emplacement moyen pré-SMA était également juste dans l'hémisphère droit, à un emplacement de 2 cm en avant et 1 cm en dedans de l'emplacement dans l'hémisphère droit, ce qui a entraîné dans le plus grand MEP dans le FDI controlatéral pour une intensité de TMS donnée (« hotspot »), qui s'est précédemment avéré être un repère fiable pour le PMd et le sillon précentral dorsal (O'Shea et al., 2007). Les intensités de TMS étaient les mêmes que dans les expériences de commutation et de séjour. Dans ces deux expériences de contrôle, l'IPI était de 6 ms, comme dans les expériences de commutation et de séjour. Ces expériences de contrôle ne sont donc pas comparables aux précédentes expériences de TMS à impulsions appariées sondant la connectivité fonctionnelle PMd/M1, qui utilisaient un IPI de 8 ms (Koch et al., 2006 O'Shea et al., 2007).

Expérience IPI.

Dans une expérience de contrôle finale, nous avons testé les effets de différents IPI entre les impulsions de conditionnement sur pré-SMA et les impulsions de test sur M1. Des impulsions simples et doubles à des IPI de 3, 6, 9, 12 et 18 ms ont été délivrées lors d'essais de commutation à une SOA de 125 ms. Au total, 15 essais ont été présentés pour chaque combinaison de pouls et de main, répartis également sur cinq blocs expérimentaux. Les paramètres de stimulation étaient les mêmes que dans les autres expériences.

Enregistrement électrophysiologique et analyse des données.

Les MEP ont été enregistrés à partir du muscle FDI droit à l'aide d'électrodes Ag-AgCl dans un montage tendon-ventre. Les réponses EMG ont été filtrées en bande passante entre 10 et 1000 Hz, avec un filtre coupe-bande supplémentaire de 50 Hz, échantillonnées à 5000 Hz et enregistrées à l'aide d'un amplificateur CED 1902, d'un convertisseur A/N CED micro 1401 Mk.II et d'un PC exécutant Spike2 ( Conception électronique de Cambridge).

L'analyse des données électrophysiologiques s'est concentrée sur les amplitudes pic à pic des MEP mesurées sur les essais TMS. Essais avec des réponses incorrectes ou prématurées [temps de réaction (RT)<150 ms], ceux dans lesquels l'impulsion de test n'a pas réussi à obtenir un MEP fiable (amplitude <0.2 mV), et ceux dans lesquels les participants ont précontracté le muscle FDI avant l'application du conditionnement (amplitude EMG >0,1 mV dans les 80 ms avant l'impulsion) ont été écartés de l'analyse. Le test de Grubb a été utilisé pour détecter les valeurs aberrantes dans les valeurs obtenues d'un bloc et celles-ci ont été exclues de l'analyse. Après ce prétraitement, en moyenne 11,45 (SEM ± 0,62) et 11,65 (± 0,67) essais ont été inclus par condition dans les expériences de commutation et de séjour, respectivement.

Pour tenir compte des différences de placement des bobines entre les blocs, les tailles MEP ont été normalisées au sein de chaque bloc. Les analyses des MEP ont été effectuées sur la médiane des amplitudes MEP normalisées dans chaque condition. Les analyses des données comportementales et électrophysiologiques ont été menées à l'aide de tests ANOVA, en utilisant des mesures répétées lorsque cela était possible. Des effets significatifs ont été identifiés sur la base des valeurs ANOVA corrigées de Huynh-Feldt, en utilisant SPSS 15.0. Post-hoc Des tests t bilatéraux à échantillons appariés ont été utilisés pour étudier plus avant les effets significatifs dans les ANOVA. Post-hoc des tests sur les données électrophysiologiques ont été effectués sur les amplitudes MEP à double impulsion exprimées en pourcentage de l'amplitude MEP à essai unique respective (« changements MEP »).


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