68 research outputs found
Acute inactivation of the contralesional hemisphere for longer durations improves recovery after cortical injury
No full textAu cours des dernières années, des méthodes non-invasives de stimulations permettant de moduler l’excitabilité des neurones suivant des lésions du système nerveux central ont été développées. Ces méthodes sont maintenant couramment utilisées pour étudier l’effet de l’inhibition du cortex contralésionnel sur la récupération motrice à la suite d’un accident vasculocérébral (AVC). Bien que plusieurs de ces études rapportent des résultats prometteurs, les paramètres permettant une récupération optimale demeurent encore inconnus.
Chez les patients victimes d'un AVC, il est difficile de débuter les traitements rapidement et d'initier l’inhibition dans les heures suivant la lésion. L'impact de ce délai est toujours inconnu. De plus, aucune étude n’a jusqu’à maintenant évalué l’effet de la durée de l’inhibition sur la récupération du membre parétique. Dans le laboratoire du Dr Numa Dancause, nous avons utilisé un modèle bien établi de lésion ischémique chez le rat pour explorer ces questions. Nos objectifs étaient d’évaluer 1) si une inactivation de l’hémisphère contralésionnel initiée dans les heures qui suivent la lésion peut favoriser la récupération et 2) l’effet de la durée de l’inactivation sur la récupération du membre parétique.
Suite à une lésion dans le cortex moteur induite par injections d’un vasoconstricteur, nous avons inactivé l’hémisphère contralésionnel à l’aide d’une pompe osmotique assurant l’infusion continue d’un agoniste du GABA (Muscimol). Dans différents groupes expérimentaux, nous avons inactivé l’hémisphère contralésionnel pour une durée de 3, 7 et 14 jours suivant la lésion. Dans un autre groupe, le Muscimol a été infusé pour 14 jours mais à un débit moindre de façon à pouvoir étudier le lien entre la fonction du membre non-parétique et la récupération du membre parétique. Les données comportementales de ces groupes ont été comparées à celles d’animaux ayant récupéré de façon spontanée d'une lésion similaire.
Nos résultats indiquent que l’augmentation de la durée de l’inactivation (de 3 à 14 jours) accélère la récupération du membre parétique. De plus, les deux groupes ayant reçu une inactivation d'une durée de 14 jours ont montré une plus grande récupération fonctionnelle que le groupe n’ayant pas reçu d’inactivation de l’hémisphère contralésionnel, le groupe contrôle. Nos résultats suggèrent donc que l’inactivation de l’hémisphère contralésionnel initiée dans les heures suivant la lésion favorise la récupération du membre parétique.
La durée d’inhibition la plus efficace (14 jours) dans notre modèle animal est beaucoup plus longues que celles utilisées jusqu’à maintenant chez l’homme. Bien qu’il soit difficile d’extrapoler la durée idéale à utiliser chez les patients à partir de nos données, nos résultats suggèrent que des traitements de plus longue durée pourraient être bénéfiques.
Finalement, un message clair ressort de nos études sur la récupération fonctionnelle après un AVC: dans le développement de traitements basés sur l’inhibition de l’hémisphère contralésionnel, la durée de l’inactivation est un facteur clef à considérer.With the introduction of non-invasive brain stimulation methods aimed at modulating the excitability of cortical areas after stroke, many groups are intensively investigating the effects of inhibition of the contralesional hemisphere on functional recovery. Although the reported results of these studies are very promising, limitations of enrolling acute stroke patients as well as technical difficult of establishing continuous inhibition protocols have left several open ended questions regarding the treatment parameters and patient selection. For example, the efficacy of inhibition treatment in acute setting after stroke and the effect of treatment duration are two questions that are virtually unexplored.
Therefore, in the laboratory of Prof. Numa Dancause, we took advantage of a well established rodent model of cortical ischemic lesion to gain direct and objective insight about the importance of contralesional inactivation on motor recovery of the paretic limb. Using an Endothelin-1 rodent model of ischemic cortical lesion, we pharmacologically inactivated the contralesional hemisphere with a GABA agonist (Muscimol). By doing so we were interested in the effect of early treatment when contralesional inactivation is initiated rapidly after the lesion.
Early after induction of cortical ischemic lesion, the contralesional hemisphere was inactivated with continuous infusion of the Muscimol for 3, 7 or 14 days in three different groups of animals. In a fourth group, Muscimol was infused at slower rate for 14 days to provide additional insights on the relation between the effects of inactivation on the non-paretic forelimb behavior and the recovery of the paretic forelimb. We included a group of animals with spontaneous recovery that received no inactivation after lesion.
Our results indicated that increasing inactivation duration (from 3 to 14 days) accelerated the recovery of grasping function. Both groups with 14 days of inactivation had similar recovery profiles and performed better than animals that spontaneously recovered. In fact, the duration of inactivation, not the intensity, correlated with the better functional outcomes.
Our results support early contralesional inactivation to improve recovery of the paretic forelimb after cortical lesion. Moreover, based on our results, the duration of inactivation is the most important factor to correlate with the functional outcomes. Therefore, by providing precise temporal and behavioral evidence, our results provide a window of opportunity for the researchers in which the current gap in our understanding of the clinical efficacy of contralesional inhibition in acute phase after stroke can be approached with more confidence
Acute inactivation of the contralesional hemisphere for longer durations improves recovery after cortical injury
No full textAu cours des dernières années, des méthodes non-invasives de stimulations permettant de moduler l’excitabilité des neurones suivant des lésions du système nerveux central ont été développées. Ces méthodes sont maintenant couramment utilisées pour étudier l’effet de l’inhibition du cortex contralésionnel sur la récupération motrice à la suite d’un accident vasculocérébral (AVC). Bien que plusieurs de ces études rapportent des résultats prometteurs, les paramètres permettant une récupération optimale demeurent encore inconnus.
Chez les patients victimes d'un AVC, il est difficile de débuter les traitements rapidement et d'initier l’inhibition dans les heures suivant la lésion. L'impact de ce délai est toujours inconnu. De plus, aucune étude n’a jusqu’à maintenant évalué l’effet de la durée de l’inhibition sur la récupération du membre parétique. Dans le laboratoire du Dr Numa Dancause, nous avons utilisé un modèle bien établi de lésion ischémique chez le rat pour explorer ces questions. Nos objectifs étaient d’évaluer 1) si une inactivation de l’hémisphère contralésionnel initiée dans les heures qui suivent la lésion peut favoriser la récupération et 2) l’effet de la durée de l’inactivation sur la récupération du membre parétique.
Suite à une lésion dans le cortex moteur induite par injections d’un vasoconstricteur, nous avons inactivé l’hémisphère contralésionnel à l’aide d’une pompe osmotique assurant l’infusion continue d’un agoniste du GABA (Muscimol). Dans différents groupes expérimentaux, nous avons inactivé l’hémisphère contralésionnel pour une durée de 3, 7 et 14 jours suivant la lésion. Dans un autre groupe, le Muscimol a été infusé pour 14 jours mais à un débit moindre de façon à pouvoir étudier le lien entre la fonction du membre non-parétique et la récupération du membre parétique. Les données comportementales de ces groupes ont été comparées à celles d’animaux ayant récupéré de façon spontanée d'une lésion similaire.
Nos résultats indiquent que l’augmentation de la durée de l’inactivation (de 3 à 14 jours) accélère la récupération du membre parétique. De plus, les deux groupes ayant reçu une inactivation d'une durée de 14 jours ont montré une plus grande récupération fonctionnelle que le groupe n’ayant pas reçu d’inactivation de l’hémisphère contralésionnel, le groupe contrôle. Nos résultats suggèrent donc que l’inactivation de l’hémisphère contralésionnel initiée dans les heures suivant la lésion favorise la récupération du membre parétique.
La durée d’inhibition la plus efficace (14 jours) dans notre modèle animal est beaucoup plus longues que celles utilisées jusqu’à maintenant chez l’homme. Bien qu’il soit difficile d’extrapoler la durée idéale à utiliser chez les patients à partir de nos données, nos résultats suggèrent que des traitements de plus longue durée pourraient être bénéfiques.
Finalement, un message clair ressort de nos études sur la récupération fonctionnelle après un AVC: dans le développement de traitements basés sur l’inhibition de l’hémisphère contralésionnel, la durée de l’inactivation est un facteur clef à considérer.With the introduction of non-invasive brain stimulation methods aimed at modulating the excitability of cortical areas after stroke, many groups are intensively investigating the effects of inhibition of the contralesional hemisphere on functional recovery. Although the reported results of these studies are very promising, limitations of enrolling acute stroke patients as well as technical difficult of establishing continuous inhibition protocols have left several open ended questions regarding the treatment parameters and patient selection. For example, the efficacy of inhibition treatment in acute setting after stroke and the effect of treatment duration are two questions that are virtually unexplored.
Therefore, in the laboratory of Prof. Numa Dancause, we took advantage of a well established rodent model of cortical ischemic lesion to gain direct and objective insight about the importance of contralesional inactivation on motor recovery of the paretic limb. Using an Endothelin-1 rodent model of ischemic cortical lesion, we pharmacologically inactivated the contralesional hemisphere with a GABA agonist (Muscimol). By doing so we were interested in the effect of early treatment when contralesional inactivation is initiated rapidly after the lesion.
Early after induction of cortical ischemic lesion, the contralesional hemisphere was inactivated with continuous infusion of the Muscimol for 3, 7 or 14 days in three different groups of animals. In a fourth group, Muscimol was infused at slower rate for 14 days to provide additional insights on the relation between the effects of inactivation on the non-paretic forelimb behavior and the recovery of the paretic forelimb. We included a group of animals with spontaneous recovery that received no inactivation after lesion.
Our results indicated that increasing inactivation duration (from 3 to 14 days) accelerated the recovery of grasping function. Both groups with 14 days of inactivation had similar recovery profiles and performed better than animals that spontaneously recovered. In fact, the duration of inactivation, not the intensity, correlated with the better functional outcomes.
Our results support early contralesional inactivation to improve recovery of the paretic forelimb after cortical lesion. Moreover, based on our results, the duration of inactivation is the most important factor to correlate with the functional outcomes. Therefore, by providing precise temporal and behavioral evidence, our results provide a window of opportunity for the researchers in which the current gap in our understanding of the clinical efficacy of contralesional inhibition in acute phase after stroke can be approached with more confidence
Origine des projections sensorimotrices dans des sous-régions du cortex moteur primaire chez le singe capucin
No full textCertaines études ont démontrés que les connexions entre l’aire prémotrice ventrale (PMv) et la région de la main du cortex moteur primaire (M1) sont distribuées non-uniformément, ciblant des sous-régions spécifiques dans M1. Dans la présente étude nous avons voulu développer ces résultats en étudiant la distribution au sein de M1 des projections corticales issues de PMv, l’aire prémotrice dorsale (PMd), l’aire motrice supplémentaire (SMA) et les aires pariétales 1, 2 et 5. Pour se faire, nous avons combiné des approches électrophysiologiques et anatomiques chez trois singes naïfs du Nouveau Monde (Cebus apella) pour examiner l’organisation et la spécificité topographique des projections corticales dans M1. Nos résultats indiquent que quatre sous-régions à l’intérieur de la région dédiée à la main reçoivent des inputs prédominants de différentes aires sensorimotrices. Ces résultats suggèrent que des sous-régions de M1 puissent avoir des fonctions spécifiques pour le contrôle moteur de la main et des doigts.Previous studies have provided evidence that the ventral premotor cortex (PMv) is not uniformly interconnected with the hand area of the primary motor cortex (M1) but instead, only has connections with specific sub-regions. In the present study, we wanted to expand on these results and investigate the distribution of cortical inputs originating from PMv, the dorsal premotor cortex (PMd), supplementary motor area (SMA), and parietal areas 1, 2 and 5within the hand area of M1. To do so, we combined electrophysiological and anatomical approaches in three naïve New World monkeys (Cebus apella) and examined the organisation and topographic specificity of ipsilateral cortical inputs to M1. Our results indicate that four sub-regions within the hand area of M1 receive predominant cortical inputs from different sensorimotor areas. These results suggest that M1 sub-regions are parts of different cortical networks that may serve specific functions for the control of hand and digit movements
The impact of ischemic injury on behavioral outcomes and cortical interactions in rats
No full textL’accident vasculaire cérébral (AVC) est une maladie débilitante qui a rendu des centaines de milliers de personnes handicapées. Les lésions du cortex moteur entraînent des déficiences motrices dont certaines sont permanentes. Le rat est le modèle animal le plus populaire dans la recherche sur les AVC. Il est capable de mouvements adroits d'atteinte et de préhension malgré un système moteur cortical beaucoup plus simple qui se compose de deux régions motrices des membres antérieurs, une plus grande région, l’aire caudale de la patte antérieure (CFA), considérée comme un équivalent du M1; et une plus petite, l’aire rostrale de la patte antérieure (RFA), considérée comme prémoteur. Leur contribution exacte à la production de mouvement, et leurs effets modulateurs sur le cortex moteur controlatéral ne sont pas clairs. L'effet des AVC sur les différentes modalités de mouvement et sur la réorganisation ipsi- et contralésionnelle n'a pas non plus été quantifié chez le rat.
L'ensemble actuel d'expériences vise à établir l'impact de l'AVC ischémique sur les résultats comportementaux et les interactions corticales chez le rat. Dans le chapitre 1, le contexte scientifique et les connaissances actuelles de l’AVC comme trouble moteur du système nerveux central sont revus. Dans le chapitre 2, une relation entre les accidents vasculaires cérébraux de différentes tailles et les troubles du comportement et la récupération sur différentes modalités comportementales a été établie. Dans le chapitre 3, nous avons caractérisé les différences de retour moteur de deux régions corticales du membre antérieur et quantifié les effets modulateurs du cortex moteur du membre antérieur controlatéral sur ledit retour moteur. Enfin, nous avons quantifié la réorganisation du retour moteur et la modulation controlatérale suite à un accident vasculaire cérébral dans le cortex moteur des membres antérieurs au chapitre 4. Le chapitre 5 conclue la thèse avec une discussion générale et des orientations futures pour la recherche.
Les résultats présentés ici établissent un lien clair entre les dommages aux sous-régions corticales et l'altération de domaines moteurs spécifiques. La caractérisation des différences dans les retours moteurs du CFA et du RFA ainsi que leurs interactions interhémisphériques ont confirmé leurs rôles distincts dans le contrôle moteur et établit une base pour des comparaisons avec les primates. Enfin, des preuves nouvelles et surprenantes de réorganisation bilatérale après un AVC ont été définies et caractérisées.Stroke is a debilitating condition that has left hundreds of thousands of people disabled. Injury to the motor cortex leads to motor impairments, some of which are permanent. The rat is the most popular animal model in stroke research. It is capable of dexterous reach and grasp movements, despite having a much simpler cortical motor system, which consists of two forelimb motor regions; the larger area is the caudal forelimb area (CFA), thought to be an M1 equivalent, and the smaller one is rostral forelimb area (RFA), considered to be premotor. Neither their exact contribution to movement production nor modulatory effects on the contralateral motor cortex are clear. The effect of strokes on different movement modalities and the ipsi- and contralesional reorganization has not been quantified in the rat either.
The current set of experiments set out to establish the impact of ischemic stroke on behavioral outcomes and cortical interactions in the rat. Chapter 1 introduces the scientific background and the present understanding of stroke as a motor disorder of the central nervous system. In Chapter 2, a relationship between strokes of various sizes and behavioral impairment and recovery on different behavioral modalities was established. In Chapter 3, we characterized the differences in motor outputs from two cortical forelimb regions and quantified the modulatory effects of the contralateral forelimb motor cortex on said motor outputs. Lastly, we quantified the reorganization of motor outputs and contralateral modulation following a stroke in the forelimb motor cortex in Chapter 4. Chapter 5 concludes the thesis with the general discussion and future directions.
The results presented here establish a clear link between damage to cortical subregions and impairment to specific motor domains. Characterization of differences in motor outputs of the CFA and RFA as well as their interhemispheric interactions confirmed their distinct roles in motor control and lay the groundwork for comparisons to primates. Lastly, novel and surprising evidence of bilateral reorganization after stroke was defined and characterized
The effect of lesion size on cortical reorganization in the ipsi and contralesional hemispheres
No full textBien que la plasticité ipsilesionnelle suite à un accident vasculo-cérébral (AVC) soit bien établie, la réorganisation du cortex contralésionnel et son effet sur la récupération fonctionnelle restent toujours non élucidés. Les études publiées présentent des points de vue contradictoires sur le rôle du cortex contralésionnel dans la récupération fonctionnelle. La taille de lésion pourrait être le facteur déterminant la réorganisation de ce dernier. Le but principal de cette étude fut donc d’évaluer l’effet des AVC de tailles différentes dans la région caudal forelimb area (CFA) du rat sur la réorganisation physiologique et la récupération comportementale de la main. Suite à une période de récupération spontanée pendant laquelle la performance motrice des deux membres antérieurs fut observée, les cartes motrices bilatérales du CFA et du rostral forelimb area (RFA) furent obtenues. Nous avons trouvé que le volume de lésion était en corrélation avec le niveau de récupération comportementale et l’étendue de la réorganisation des RFA bilatéraux. Aussi, les rats ayant de grandes lésions avaient des plus grandes représentations de la main dans le RFA de l’hémisphère ipsilésionnel et un déficit de fonctionnement plus persistant de la main parétique. Dans l’hémisphère contralésionnel nous avons trouvé que les rats avec des plus grandes représentations de la main dans le RFA avaient des lésions plus grandes et une récupération incomplète de la main parétique. Nos résultats confirment l’effet du volume de lésion sur la réorganisation du cortex contralésionnel et soulignent que le RFA est l’aire motrice la plus influencée dans le cortex contralésionnel.While our understanding of ipsilesional plasticity and its role in recovery of hand function following ischemic stroke has increased dramatically, the reorganization of the contralesional motor cortex and its effect on recovery remain unclear. Currently published studies offer contradictory views on the role of contralesional motor cortex in recovery. Lesion extent has been suggested as the factor determining the type of reorganization of the contralesional motor cortex. The primary goal of this study was thus to evaluate the effect of unilateral strokes of different sizes in caudal forelimb area (CFA) of the rat on both physiological reorganization and behavioral recovery. At the end of a period of spontaneous recovery during which we monitored motor performance of both limbs, we obtained bilateral maps of the CFA and the putative premotor area of the rat – rostral forelimb area (RFA). We found that lesion volume in the CFA correlates with both the extent of behavioral recovery of the paretic hand and the extent of both ipsi and contralesional cortical reorganization. We found that rats with bigger lesions had larger hand representations in the ipsilesional hemisphere and more persistent deficits of the paretic hand. In the contralesional hemisphere we found that rats with larger hand representation in the RFA had bigger lesions and incomplete recovery of the paretic hand. Our results confirm the effect of lesion volume on the reorganization of the contralesional motor cortex and highlight contralesional RFA as the motor cortical area most influenced by lesion volume for future investigations
Interactions corticales impliquées dans la production des mouvements de la main chez le singe capucin
No full textChez les primates, le raffinement des mouvements de la main est associé à l’apparition d’aires prémotrices corticales additionnelles. Chacune de ces aires prémotrices semble avoir une fonction spécialisée dans le contrôle moteur de la main, appuyant l’idée qu’elles sont apparues au cours de l’évolution afin de soutenir un répertoire comportemental accru. Afin de participer à l’exécution de ce vaste répertoire, il est suggéré que les aires prémotrices modulent les efférences du cortex moteur primaire (M1), une aire corticale jouant un rôle clé dans la production des mouvements volontaires. En effet, grâce à leurs nombreuses projections cortico-corticales vers M1 ainsi que leurs projections vers des structures sous-corticales qui sont également innervées par M1, les aires prémotrices se trouvent dans une position idéale pour moduler les efférences motrices de M1. Néanmoins, la contribution de ces projections anatomiques à la production des mouvements de la main demeure peu comprise. La fonction de ces projections est toutefois importante à investiguer afin de mieux comprendre les interactions corticales qui sous-tendent l’augmentation du répertoire des mouvements de la main chez les primates. S’intégrant dans ce contexte de recherche, les expériences présentées dans cette thèse visent à caractériser les interactions corticales entre les aires prémotrices et M1 qui sont impliquées dans les mouvements de la main chez le singe capucin. Dans une première étude, les effets modulateurs du cortex prémoteur ventral (PMv) sur les efférences de M1 ont été investigués (Chapitre I). Dans une seconde étude, les effets modulateurs du cortex prémoteur dorsal (PMd) ont été étudiés et comparés à ceux de PMv (Chapitre II). Finalement, dans une troisième étude, les effets modulateurs de l’aire supplémentaire motrice (SMA) ont été examinés et comparés à ceux de PMv et de PMd (Chapitre III). En résumé, les résultats présentés dans cette thèse offrent une nouvelle perspective quant aux interactions corticales liant les aires prémotrices à M1. Il est démontré que chaque aire prémotrice influence les efférences de M1 de manière unique. Ceci appuie l’idée que chaque aire prémotrice joue un rôle spécialisé dans le contrôle moteur de la main et est en mesure d’accomplir cette fonction, entre autres, à travers sa modulation des efférences motrices de M1. Ces résultats contribuent à une meilleure compréhension des interactions corticales qui sous-tendent le raffinement des mouvements de la main accompagnant l’évolution du système moteur.In primates, the refinement of hand movements is associated with the appearance of additional cortical premotor areas. Each of these premotor areas appears to have a specialized function in the motor control of the hand, supporting the idea that they have appeared during evolution to support an increased behavioral repertoire. In order to participate in the execution of this vast repertoire, it is suggested that the premotor areas modulate the motor outputs of the primary motor cortex (M1), a cortical area that plays a key role in the production of voluntary movements. Indeed, thanks to their numerous cortico-cortical projections to M1 as well as their projections to sub-cortical structures also innervated by M1, premotor areas are in an ideal position to modulate the motor outputs of M1. Nevertheless, the contribution of these anatomical projections to the production of hand movements is still unclear. The function of these projections, however, is important to investigate in order to better understand the cortical interactions that underlie the increased motor repertoire of primates. As an integral part of this research context, the experiments presented in this thesis aim to characterize the cortical interactions between the premotor areas and M1 involved in hand movements in the capuchin monkey. In a first study, the modulatory effects of ventral premotor cortex (PMv) on M1 outputs were investigated (Chapter I). In a second study, the modulatory effects of the dorsal premotor cortex (PMd) were studied and compared to those of PMv (Chapter II). Lastly, in a third study, the modulatory effects of the supplementary motor area (SMA) were examined and compared to those of PMv and PMd (Chapter III). In summary, the results presented in this thesis offer a new perspective on the cortical interactions linking the premotor areas to M1. It is shown that each premotor area influences the outputs of M1 in a unique way. This supports the idea that each premotor area plays a specialized role in the motor control of the hand and is able to accomplish this function, in part, through its modulation of M1 outputs. These results contribute to a better understanding of the cortical interactions that underlie the refinement of hand movements accompanying the evolution of the motor system
Behavioral and muscular deficits induced by Muscimol injection into the primate primary motor cortex during a reach-to-grasp task
No full textLe contrôle moteur fin et précis des doigts est une habileté importante dans la vie quotidienne pour écrire ou manger par exemple. Ce contrôle moteur est pris en charge par le cortex moteur primaire (M1) qui transmet le signal neuronal à la moelle épinière via la voie corticospinale. Le macaque rhésus est un excellent modèle pour étudier ce système moteur car, comme chez l’humain, il possède cette voie cortico-motoneuronale directe. Bien que les déficits du contrôle moteur de la main suite à des inactivations de M1 aient été étudiés sur des modèles de singes, peu d’études ont décrit les changements musculaires sous-tendant ces déficits. Le but de cette étude était d’évaluer les effets d’une inactivation partielle de M1 sur le comportement et l’activation du patron musculaire du membre supérieur chez le macaque rhésus. Pour ce faire, nous avons effectué des injections intra-corticales de Muscimol, un agoniste du GABA, pour inactiver temporairement l’aire de représentation de la main de M1. Des singes ont été entrainés à réaliser une tâche d’atteinte et de préhension qui requière l’utilisation du pouce et de l’index pour attraper une pastille de nourriture. En parallèle, les activités électromyographiques (EMG) des muscles proximaux et distaux du membre supérieur contralatéral aux sites d’injections ont été enregistrées. L’inactivation partielle de M1 entraine différents déficits moteurs comme une diminution du taux de succès, une perte des mouvements indépendants des doigts, une première flexion de l’index plus lente, et l’apparition de nouvelles stratégies de préhension pour attraper la pastille. Dans le cas de trouble sévère, les singes ont présentés tous ces déficits comportementaux. Ces troubles moteurs étaient sous-tendus par des activités musculaires anormales. En effet, les analyses EMG ont mis en évidence des changements dans les latences et les patrons d’activations musculaires des muscles proximaux et distaux au cours de la phase d’atteinte, d’ajustement et de préhension. Dans le cas de trouble modéré, les patrons d’activations musculaires étaient préservés malgré certain déficits visibles. Cependant, les patrons d’activations musculaires étaient altérés si la tâche demandait une rotation de l’avant-bras et de la main. Ces résultats montrent que les déficits comportementaux et les changements musculaires dépendent de la sévérité des troubles moteurs et/ou de la difficulté de la tâche (i.e. une rotation de l’avant-bras).Fine digit movements contribute to many different aspects of our daily life and require appropriate muscle coordination. The main pathway through which M1 sends motor commands to spinal motor neurons is via the corticospinal tract. The rhesus macaque, like humans, have this direct corticomotoneuronal pathway of M1, making it a useful model to study this system. Although the effect of M1 inactivation on the control of the hand in term of behavioral changes has been studied in monkeys, little is known of how muscle activation patterns of the upper limb during reaching and grasping in monkeys becomes altered. The goal of this study was to evaluate the effect of a partial inactivation of the primary motor cortex (M1) in rhesus macaques on both behavioral performance and muscle activations. To do so we performed intra-cortical injections of Muscimol, a GABA agonist, to inactivate the hand area of M1. Monkeys performed a reach-to-grasp task that required a precision grip to retrieve a food pellet from a well. Electromyographic (EMG) activity of the proximal and distal muscles of the contralateral upper limb were recorded and quantified relative to the behavioral performance. We found that depending on the severity of the impairment, the Muscimol injection could induce several different movement abnormalities, such as decrease in the success rate, loss of independent finger movements, longer duration of the first flexion of the index finger, and use of alternate types of grasp to retrieve the food pellet. In cases of severe impairment, monkeys displayed all these movement abnormalities concurrently. In addition, we observed that behavioral deficits were associated with muscle discoordination. Indeed, EMG analysis revealed that the latencies and the muscle activation patterns were altered during the reach, hand preshaping and the grasp phases of the movement. These inappropriate EMG activities were visible on both proximal and distal muscles of the upper limb. In cases of mild impairment, monkeys had fewer behavioral deficits, but still showed some changes in the temporal muscle activation patterns. In contrast to the severe cases, the muscle activation patterns were more preserved. Interestingly, in the mild cases, the muscle activation patterns were altered if a rotation of the forearm was required by the task. Thus, we found that behavioral and muscular activation changes were dependent on the severity of the impairment and/or the difficulty of the task (i.e. required a rotation of the forearm)
Bihemispheric reorganization of neuronal activity during hand movements after unilateral inactivation of the primary motor cortex
No full textLe cortex moteur primaire (M1) est souvent endommagé lors des lésions cérébrales telles que les accidents vasculaires cérébraux. Ceci entraîne des déficits moteurs tels qu'une perte de contrôle des membres controlatéraux. La récupération des lésions M1 s'accompagne d'une réorganisation hémodynamique dans les zones motrices intactes des deux hémisphères. Cette réorganisation est plus prononcée dans les premiers jours et semaines qui suivent la lésion. Toutefois, nous avons une compréhension limitée de la réorganisation neuronale rapide qui se produit dans ce réseau moteur cortical complexe. Ces changements neuronaux nous informent sur l’évolution possible de la plasticité subaiguë impliquée dans la récupération motrice. Par conséquent il était grand temps qu’une caractérisation de la réorganisation rapide de l'activité neuronale dans les régions motrices des deux hémisphères soit entreprise.
Dans cette thèse nous avons exploré l'impact d'une lésion corticale localisée, unilatérale et réversible dans M1 sur l'activité neuronale des zones motrices des hémisphères ipsi et contralésionnel lorsque des primates non humains ont effectués des mouvements d’atteinte et de saisie. Notre modèle d'inactivation nous a permis d'enregistrer en continu des neurones isolés avant et après l'apparition des déficits moteurs. Dans une première étude, la réorganisation rapide qui se produit dans le cortex prémoteur ventral (PMv) des deux hémisphères a été étudiée (Chapitre 2). Le PMv est une zone connue pour être impliquée dans le contrôle moteur de la main et la récupération des lésions M1. Dans une seconde étude, la réorganisation rapide du M1 contralésionnel (cM1) a été étudiée et comparée à celles se produisant dans les PMv bilatérales (Chapitre 3). Le cM1 joue un rôle complexe dans la récupération des mouvements de précision de la main suite à une blessure à son homologue.
Nous révélons une réorganisation neuronale importante et beaucoup plus complexe que prévu dans les deux hémisphères lors de l’apparition initiale des déficiences motrices. Nos données démontrent que les changements neuronaux survenant quelques minutes après une lésion cérébrale sont hétérogènes à la fois dans et entre les zones du réseau moteur cortical. Ils se produisent dans les deux hémisphères lors des mouvements des bras parétiques et non parétiques, et ils varient au cours des différentes phases du mouvement. Ces découvertes constituent une première étape nécessaire pour démêler les corrélats neuronaux complexes de la réorganisation au travers du réseau moteur des deux hémisphères à la suite d’une lésion cérébrale.After brain injuries such as stroke, the primary motor cortex (M1) is often damaged leading to motor deficits that include a loss of fine motor skills of the contralateral limbs. Recovery from M1 lesions is accompanied by hemodynamic reorganization in motor areas distal to the site of injury in both hemispheres that are most pronounced early after injury. However, we have limited understanding of the rapid neuronal reorganization that occurs in this complex and distributed cortical motor network. As these neural changes reflect the landscape on which subacute plasticity involved in motor recovery will take place, an exploration of the rapid reorganization in neural activity that occurs in motor regions of both hemispheres is long overdue.
In the current thesis, we set out to explore the impact of a localized, unilateral and reversible cortical injury to the M1 hand area on neuronal activity in motor-related areas of both the ipsi and contralesional hemispheres as non-human primates performed a reach and grasp task. Our inactivation model allowed us to continuously record isolated neurons before and after the onset of motor deficits. In a first study, the rapid reorganization taking place in the ventral premotor cortex (PMv) of both hemispheres was investigated (Chapter 2). The PMv is an area well-known to be critically involved in hand motor control and recovery from M1 lesions. In a second study, the rapid reorganization taking place in the contralesional M1 (cM1) was studied and compared to those occurring in bilateral PMv (Chapter 3). The cM1 has a complex role in recovery of dexterous hand movements following injury to its homologue.
We reveal extensive, and much more complex than expected, neuronal reorganization in both hemispheres at the very onset of motor impairments. Our data demonstrate that neuronal changes occurring within minutes after brain injury are heterogenous both within and across areas of the cortical motor network. They occur in the two hemispheres during movements of both the paretic and non-paretic arms, and they vary during different phases of movement. These findings constitute a first step in a much needed and timely effort to unravel the complex neuronal correlates of the reorganization that takes place across the distributed motor network after brain injury
The effect of lesion size on cortical reorganization in the ipsi and contralesional hemispheres
No full textBien que la plasticité ipsilesionnelle suite à un accident vasculo-cérébral (AVC) soit bien établie, la réorganisation du cortex contralésionnel et son effet sur la récupération fonctionnelle restent toujours non élucidés. Les études publiées présentent des points de vue contradictoires sur le rôle du cortex contralésionnel dans la récupération fonctionnelle. La taille de lésion pourrait être le facteur déterminant la réorganisation de ce dernier. Le but principal de cette étude fut donc d’évaluer l’effet des AVC de tailles différentes dans la région caudal forelimb area (CFA) du rat sur la réorganisation physiologique et la récupération comportementale de la main. Suite à une période de récupération spontanée pendant laquelle la performance motrice des deux membres antérieurs fut observée, les cartes motrices bilatérales du CFA et du rostral forelimb area (RFA) furent obtenues. Nous avons trouvé que le volume de lésion était en corrélation avec le niveau de récupération comportementale et l’étendue de la réorganisation des RFA bilatéraux. Aussi, les rats ayant de grandes lésions avaient des plus grandes représentations de la main dans le RFA de l’hémisphère ipsilésionnel et un déficit de fonctionnement plus persistant de la main parétique. Dans l’hémisphère contralésionnel nous avons trouvé que les rats avec des plus grandes représentations de la main dans le RFA avaient des lésions plus grandes et une récupération incomplète de la main parétique. Nos résultats confirment l’effet du volume de lésion sur la réorganisation du cortex contralésionnel et soulignent que le RFA est l’aire motrice la plus influencée dans le cortex contralésionnel.While our understanding of ipsilesional plasticity and its role in recovery of hand function following ischemic stroke has increased dramatically, the reorganization of the contralesional motor cortex and its effect on recovery remain unclear. Currently published studies offer contradictory views on the role of contralesional motor cortex in recovery. Lesion extent has been suggested as the factor determining the type of reorganization of the contralesional motor cortex. The primary goal of this study was thus to evaluate the effect of unilateral strokes of different sizes in caudal forelimb area (CFA) of the rat on both physiological reorganization and behavioral recovery. At the end of a period of spontaneous recovery during which we monitored motor performance of both limbs, we obtained bilateral maps of the CFA and the putative premotor area of the rat – rostral forelimb area (RFA). We found that lesion volume in the CFA correlates with both the extent of behavioral recovery of the paretic hand and the extent of both ipsi and contralesional cortical reorganization. We found that rats with bigger lesions had larger hand representations in the ipsilesional hemisphere and more persistent deficits of the paretic hand. In the contralesional hemisphere we found that rats with larger hand representation in the RFA had bigger lesions and incomplete recovery of the paretic hand. Our results confirm the effect of lesion volume on the reorganization of the contralesional motor cortex and highlight contralesional RFA as the motor cortical area most influenced by lesion volume for future investigations
Origine des projections sensorimotrices dans des sous-régions du cortex moteur primaire chez le singe capucin
No full textCertaines études ont démontrés que les connexions entre l’aire prémotrice ventrale (PMv) et la région de la main du cortex moteur primaire (M1) sont distribuées non-uniformément, ciblant des sous-régions spécifiques dans M1. Dans la présente étude nous avons voulu développer ces résultats en étudiant la distribution au sein de M1 des projections corticales issues de PMv, l’aire prémotrice dorsale (PMd), l’aire motrice supplémentaire (SMA) et les aires pariétales 1, 2 et 5. Pour se faire, nous avons combiné des approches électrophysiologiques et anatomiques chez trois singes naïfs du Nouveau Monde (Cebus apella) pour examiner l’organisation et la spécificité topographique des projections corticales dans M1. Nos résultats indiquent que quatre sous-régions à l’intérieur de la région dédiée à la main reçoivent des inputs prédominants de différentes aires sensorimotrices. Ces résultats suggèrent que des sous-régions de M1 puissent avoir des fonctions spécifiques pour le contrôle moteur de la main et des doigts.Previous studies have provided evidence that the ventral premotor cortex (PMv) is not uniformly interconnected with the hand area of the primary motor cortex (M1) but instead, only has connections with specific sub-regions. In the present study, we wanted to expand on these results and investigate the distribution of cortical inputs originating from PMv, the dorsal premotor cortex (PMd), supplementary motor area (SMA), and parietal areas 1, 2 and 5within the hand area of M1. To do so, we combined electrophysiological and anatomical approaches in three naïve New World monkeys (Cebus apella) and examined the organisation and topographic specificity of ipsilateral cortical inputs to M1. Our results indicate that four sub-regions within the hand area of M1 receive predominant cortical inputs from different sensorimotor areas. These results suggest that M1 sub-regions are parts of different cortical networks that may serve specific functions for the control of hand and digit movements
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