Soutenance de thèse de Julie ALAYRANGUES

Ecole Doctorale
Sciences de la Vie et de la Santé
Spécialité
Biologie-Santé - Spécialité Neurosciences
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
activité bêta,erreurs cinématiques,bimanuelle,unimanuelle,
Keywords
beta activity,kinematic errors,bimanual,unimanual,
Titre de thèse
Étude des réponses oscillatoires bêta aux erreurs de mouvements : dissociation fonctionnelle et spatiale des modulations de puissance bêta observées pendant la période de préparation et après le mouvement.
Study of beta oscillatory responses to movement errors: Functional and spatial dissociation of beta power modulations observed during the preparation period and after movement.
Date
Vendredi 2 février 2018 à 14:00
Adresse
Institut de Neurosciences de la Timone Faculté de Médecine 27, boulevard Jean Moulin 13005 Marseille - France
salle de thèse n°2
Jury
Directeur de these Nicole MALFAIT Institut de Neurosciences de la Timone
Rapporteur Christina SCHMITZ Lyon Neuroscience Research Center
Rapporteur Marco DAVARE University College London, Institute of Neurology
Examinateur Jean BLOUIN Laboratoire de Neurosciences Cognitives

Résumé de la thèse

Le rôle des oscillations bêta est actuellement sujet de débat. En effet, elles sont impliquées non seulement dans le contrôle du mouvement, mais également dans les processus sensoriels, perceptifs et cognitifs. De surcroit, au sein même des fonctions de contrôle du mouvement, elles présentent une diversité fonctionnelle. Des études récentes (Tan et al. 2014 ; Torrecillos et al.2015) ont en effet mis à jour des activités bêta distinctes présentant des sensibilités différentes aux erreurs de mouvements. Dans le cadre de tâches d’adaptation sensorimotrice, nous avons examiné les modulations de la puissance bêta en réponse à des erreurs cinématiques induites par des perturbations visuelles ou mécaniques, appliquées pendant des mouvements d’atteinte vers des cibles visuelles. La synchronisation dans la bande bêta typiquement observée à la fin du mouvement (rebond bêta)est diminuée en fonction de la saillance des erreurs cinématiques provoquées (Tan et al. 2014), indépendamment des ajustements de la commande motrice visibles dans le mouvement suivant. En contraste, la modulation de l’activité bêta observée pendant la période de préparation du mouvement semble,quant à elle, refléter des processus impliqués dans l’ajustement adaptatif de la commande motrice, activés à la suite d’une erreur d’exécution d’un mouvement (Torrecillos et al. 2015). Ces observations suggèrent que les activités bêta observées pendant les périodes précédant et suivant le mouvement ont des rôles fonctionnels distincts, liés respectivement à des mécanismes génériques de détection d’erreurs et à des processus d’adaptation sensorimotrice. Toutefois, cette première distinction fonctionnelle entre les modulations de la puissance bêta pendant la période de préparation et à la fin du mouvement, laisse ouvertes des questions importantes. Ces différentes réponses oscillatoires aux erreurs cinématiques sont-elles sous-tendues par des substrats neuronaux distincts ? Reflètent-elles le traitement de signaux de nature efférente ou afférente ?L’objectif de ces travaux de thèse a donc été double. D’une part, pour déterminer si les activités bêta pré- et post-mouvement sont sous-tendues par des substrats communs ou si, à l’inverse, elles recrutent des structures cérébrales différentes, nous avons adopté une approche par analyse en composantes indépendantes (ICA). D’autre part, pour mieux cerner la nature des processus neuronaux reflétés, nous avons exploité des tâches bimanuelles nécessitant la production de mouvements physiquement similaires, mais impliquant des modes de coordination intermanuelle différents. Premièrement, nos résultats suggèrent fortement que les activités bêta pré- et post-mouvement impliquent des substrats neuronaux distincts. En effet, tandis que la modulation du rebond bêta est capturée par des composantes indépendantes présentant des topographies médiales, des composantes indépendantes clairement latéralisées rendent compte des modulations de l’activité bêta pendant la période de préparation du mouvement.Deuxièmement, nous démontrons que la modulation du rebond bêta, par les erreurs cinématiques, n’est pas sensible à la nature de la tâche motrice et semble donc bien refléter des mécanismes génériques de détection d’erreurs. Par contre, l’activité bêta pendant la période de préparation présente une claire sensibilité au mode de coordination intermanuelle. De manière critique, nous mettons ici en lumière un découplage entre les réponses comportementales et les réponses électrophysiologiques qui démontre que l’activité bêta pendant la période de préparation ne reflète pas des processus directement liés à la sortie motrice,mais plutôt des mécanismes de traitement des afférences sensorielles sous-tendant la mise à jour adaptative de la commande motrice.

Thesis resume

The functional significance of the beta oscillations is still a matter of debate. They are involved in the control of movement, but also in sensory, perceptual and cognitive processes. Even considering only the movement-control functions, they present a functional diversity. Recent studies (Tan et al. 2014, Torrecillos et al.2015) have dissociated distinct beta activities exhibiting different sensitivities to movement errors. Using sensorimotor adaptation tasks, we have examined the modulation of beta power in response to kinematic errors induced by visual or mechanical perturbations, applied during reaching movements to visual targets. The beta-band synchronization typically observed at the end of the movement (beta rebound) is decreased as a function of the saliency of the kinematic errors (Tan et al., 2014), independently of the motor command adjustments visible in the following movement. In contrast, the modulation of the beta activity recorded during the movement preparation period reflects processes involved in the adaptive adjustment of the motor command, induced after a movement execution error is experienced (Torrecillos et al., 2015). These observations suggest that the beta activities observed during the pre- and post-movement periods have distinct functional roles, related respectively to generic mechanisms of error detection and sensorimotor adaptation processes. Still, this first functional distinction, between the beta modulations observed during the preparation period and at the end of the movement, does not allow answering several important questions. Are these different oscillatory responses to kinematic errors underpinned by distinct neural substrates? Do they reflect the processing of efferent or afferent signals? The objective of this thesis was twofold. First, in order to determine whether the pre- and post-movement beta power modulations arise from common neural substrates or whether, conversely, they recruit different cerebral structures, we used an approach employing independent component analysis (ICA). Second, by exploiting bimanual tasks that required physically similar movements, but involved different modes of intermanual coordination, we could define more closely the nature of the reflected processes. First, our results strongly suggest that the pre-and post-movement beta activities involve distinct neural substrates. While the modulation of the beta rebound is captured by independent components having medial topographies, clearly lateralized independent components account for the modulation of beta activity during the period of movement preparation. Second, we show that the modulation of the beta rebound is not sensitive to the nature of the motor task, and therefore appears to reflect generic error-detection mechanisms. In contrast, the beta activity during the preparation period is clearly sensitive to the mode of intermanual coordination. In addition, we unravel a decoupling between the behavioral and the electrophysiological responses, demonstrating that the beta activity during the preparation phase does not reflect neural processes that shape the motor output, but more likely relates to the processing of somatosensory information, critical for the adaptive update of the motor command.