L'exercice aérobique (AE) est associé à de nombreuses modifications fonctionnelles et anatomiques dans le cerveau humain. Par exemple, il a été démontré que l'EA modulait l'excitabilité corticale et la neurochimie immédiatement après l'exercice. Les effets d'une activité physique répétée et soutenue sur les fonctions cérébrales restent toutefois mal compris. En effet, peu de données sont disponibles permettant de déterminer si les personnes ayant une bonne condition physique présentent des modifications persistantes de l'excitabilité corticale et du métabolisme cérébral malgré les changements rapportés dans la matière grise et la matière blanche. Dans la présente étude, 20 personnes sédentaires en bonne santé (< 2 heures/semaine d'activité physique) ont été comparées à 20 personnes actives (> 6 heures/semaine d'activité physique) sur la base de mesures de l'excitabilité corticale (rMT, courbe I/O, SICI, ICF) et de la concentration de métabolites (GABA, Glx, NAA) dans la représentation corticale de la main droite. L'épaisseur corticale de la représentation du cortex moteur primaire de la main droite et la densité apparente des fibres de la voie corticospinale (CST) ont également été évaluées. L'aptitude cardiorespiratoire (VO2max) était significativement plus élevée chez les athlètes que chez les sédentaires, ce qui n'était pas le cas de l'indice de masse corporelle. Aucune différence entre les groupes n'a été constatée en ce qui concerne les mesures du rMT, du SICI et de l'ICF. Les valeurs de la courbe I/O étaient significativement plus élevées et la courbe I/O était plus prononcée chez les individus actifs. Aucune différence significative n'a été observée pour l'épaisseur corticale, la concentration de métabolites et les valeurs de diffusion de la CST. La pente de la courbe I/O était positivement corrélée à la VO2max. Les présentes données suggèrent que des niveaux élevés de capacité aérobique sont associés à une excitabilité corticale accrue dans la représentation de la main du cortex moteur primaire. / Aerobic exercise is associated with widespread functional and anatomical modifications in the human brain. For example, AE has been shown to modulate cortical excitability and neurochemistry immediately after exercise. The effects of repeated and sustained physical activity on brain function, however, remain poorly understood. Indeed, little is known about whether individuals with high levels of fitness display persistent modifications in cortical excitability and brain metabolism despite reported changes in grey and white matter. In the present study, 20 healthy sedentary individuals (< 2 hours/week AE) were compared to 20 active individuals (> 6 hours/week AE) on measures of cortical excitability (rMT, I/O curve, SICI, ICF) and metabolite concentration (GABA, Glx, NAA) in the cortical representation of the right hand. Cortical thickness of the primary motor cortex representation of the right hand and corticospinal tract (CST) apparent fiber density (AFD) were also assessed. Cardiorespiratory fitness (VO2max) was significantly higher in athletes compared to sedentary individuals whereas body mass index was not. No group differences were found on measures of rMT, SICI and ICF. I/O curve values were significantly higher, and the I/O curve was steeper in active individuals. No significant differences were observed between the groups for cortical thickness, metabolite concentration and CST diffusion values. I/O curve slope was positively correlated with VO2max. The present data suggest that high levels of aerobic fitness are associated with increased cortical excitability in the hand representation of the primary motor cortex.

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To investigate the roles of different dorsal spinal pathways in controlling movements in rats, I performed lesions of specific spinal pathways and measured the behaviour abilities of rats using different sensorimotor behavioural tests. The first experiment was designed to understand the contribution of sensory pathways traveling in the dorsal funiculus during locomotion and skilled movements using sensitive behavioural tests. I demonstrated that ascending sensory fibers play an important role during overground locomotion and contribute to skilled forelimb movements. The second experiment compared the differences in sensorimotor abilities caused by dorsal funicular lesions performed at two different levels of rat spinal cord. My results showed that the pathways present in the cervical and thoracic dorsal funiculus exert different functional effects over control of limb movement during locomotion. The third experiment investigated the compensatory potential of dorsal funicular pathways after dorsolateral funicular injuries in rats. My results showed that dorsal funicular pathways do not compensate for loss of dorsolateral pathways during the execution of locomotor tasks, though there is indirect evidence that rats with dorsolateral funicular lesions might rely more on ascending sensory pathways in the dorsolateral funiculus during skilled forelimb movements. Finally, the fourth experiment was designed to investigate the compensation from dorsolateral funicular pathways after injuries to pyramidal tract in rats. I demonstrated that pathways running in the spinal dorsolateral funiculus do provide compensatory input to spinal circuitry to maintain skilled reaching abilities after lesions of the pyramidal tract but these same pathways do not appear to compensate during either overground locomotion or skilled locomotion. Thus, this compensatory response is task-specific. These results highlight the fact that behavioural context determines the nature of compensation from spared pathways after spinal cord injuries.

To investigate the roles of different dorsal spinal pathways in controlling movements in rats, I performed lesions of specific spinal pathways and measured the behaviour abilities of rats using different sensorimotor behavioural tests. The first experiment was designed to understand the contribution of sensory pathways traveling in the dorsal funiculus during locomotion and skilled movements using sensitive behavioural tests. I demonstrated that ascending sensory fibers play an important role during overground locomotion and contribute to skilled forelimb movements. The second experiment compared the differences in sensorimotor abilities caused by dorsal funicular lesions performed at two different levels of rat spinal cord. My results showed that the pathways present in the cervical and thoracic dorsal funiculus exert different functional effects over control of limb movement during locomotion. The third experiment investigated the compensatory potential of dorsal funicular pathways after dorsolateral funicular injuries in rats. My results showed that dorsal funicular pathways do not compensate for loss of dorsolateral pathways during the execution of locomotor tasks, though there is indirect evidence that rats with dorsolateral funicular lesions might rely more on ascending sensory pathways in the dorsolateral funiculus during skilled forelimb movements. Finally, the fourth experiment was designed to investigate the compensation from dorsolateral funicular pathways after injuries to pyramidal tract in rats. I demonstrated that pathways running in the spinal dorsolateral funiculus do provide compensatory input to spinal circuitry to maintain skilled reaching abilities after lesions of the pyramidal tract but these same pathways do not appear to compensate during either overground locomotion or skilled locomotion. Thus, this compensatory response is task-specific. These results highlight the fact that behavioural context determines the nature of compensation from spared pathways after spinal cord injuries.

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L’exécution d’un mouvement purement unilatéral nécessite le recrutement d’un vaste réseau de régions corticales et sous-corticales, qu’il est possible de regrouper sous le terme de réseau de transformation non-miroir. Ce réseau doit contrer la tendance naturelle du cerveau à exécuter des mouvements de manière bilatérale et synchronisée, en miroir. Malgré l’efficacité de ce réseau, une activité miroir subtile est observée au niveau de la main qui doit demeurer inactive lors de mouvements unilatéraux chez l'humain en santé. Ce débordement moteur doit être inhibé grâce aux interactions interhémisphériques transitant par le corps calleux (CC), la plus grande commissure du cerveau servant de pont entre les hémisphères. Ainsi, la commande motrice peut être acheminée efficacement du cortex moteur primaire (M1) controlatéral à la main devant exécuter une l’action par l’entremise de la voie corticospianle (VCS). En plus du CC, le cortex prémoteur (CPM) joue un rôle important dans ce réseau puisque son interférence via la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) entraîne une augmentation de l’activité miroir dans la main devant normalement demeurer inactive lors d’un mouvement unilatéral. Ainsi, toute modification dans ce réseau ou dans les processus interhémisphériques peut provoquer l’augmentation des mouvements miroirs (MM). À ce jour, aucune étude n’a tenté de moduler ces interactions pour réduire la présence de MM. Ainsi, les études cliniques et méthodologiques qui composent la présente thèse comportent deux objectifs principaux : (1) déterminer si la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SÉTcd) permet l'étude du réseau de transformation non-miroir, et si cette technique est en mesure de diminuer l’intensité des MM chez des individus en santé; (2) caractériser l'anatomie et le fonctionnement du cerveau dans deux populations d’individus porteurs de mutations génétiques affectant le développement de structures impliquées dans la latéralisation du mouvement, le CC et la VCS. L’article 1 décrit les assisses théoriques de la présente thèse grâce à une revue de la littérature portant sur les interactions interhémisphériques dans le mouvement unilatéral. L’article 2 suggère que la SÉTcd est un outil efficace dans l'étude du réseau de transformation non-miroir puisque le protocole de stimulation bilatérale a permis d’augmenter la présence et l’intensité des MM physiologiques (MMp) chez des individus en santé. Cependant, il n’a pas été possible de moduler à la baisse les MMp malgré différents protocoles de stimulation. Dans l’article 3, l'étude d’individus nés sans CC a mis en lumière une augmentation de l’épaisseur corticale au niveau des aires somatosensorielles (S1) et visuelles (V1) primaires, de même qu’au niveau de la représentation de la main dans M1. Ces différences demeurent toutefois légères considérant l’importance du CC. L’article 4 a démontré que les individus porteurs d’une mutation sur le gène DCC présentent un phénotype similaire à celui de porteurs d'une mutation sur le gène RAD51. Ces mutations affectent la migration de la VCS au niveau des pyramides. La VCS projette ainsi aux deux mains, causant des mouvements miroirs congénitaux (MMC). Cette pathologie est également accompagnée d’anomalies neurophysiologiques, telle qu’une inhibition interhémisphérique (IIH) réduite. En somme, les études composant cette thèse ont permis d’approfondir notre connaissance de certaines structures responsables de la latéralisation adéquate du mouvement, tout en décrivant de nouvelles méthodes pour en étudier le fonctionnement. / The execution of purely unilateral hand movements requires the recruitment of vast cortical and subcortical brain areas known as the non-mirroring network. This network counteracts the natural tendency of the brain, which tends to execute movements in a bilateral and synchronized manner. Despite the efficacy of the non-mirroring network in restricting motor output to contralateral limbs, subtle mirroring can be observed in the inactive hand of healthy individuals when performing a unilateral task. This motor overflow needs to be inhibited through interhemispheric projections coursing through the corpus callosum (CC), the biggest white matter tract of the brain. This mechanism makes it possible for motor commands originating from the primary motor cortex (M1) to reach the contralateral hand performing an action via the corticospinal tract (CST). It has been suggested that the premotor cortex (PMC) is an important component of the non-mirroring network since its interference with transcranial magnetic stimulation (TMS) enhances mirror activity in the inactive, mirror hand when a unilateral hand movement is performed. Indeed, modulation of parts of the non-mirroring network and interhemispheric projections can result in enhanced mirror movements (MM). It is not known whether specific interventions can decrease MM. The clinical and methodological studies that compose the present thesis have two main objectives: (1) Determine whether transcranial direct-current stimulation (tDCS) can be used to assess non-mirroring network function and reduce MM intensity in healthy individuals; (2) Characterize brain function and anatomy in two clinical populations presenting specific genetic mutations that affect the development of structures involved in the lateralization of movement (the CC and CST). Article 1 provides a theoretical basis for the present essay through a review of the literature pertaining to interhemispheric interactions in the production of unilateral movements. Article 2 shows that tDCS can be used to study the non-mirroring network since a bilateral stimulation protocol significantly increased the intensity of physiological MM (pMM) in healthy individuals. However, despite different stimulation protocols, it was not possible to reduce pMM. In article 3, anatomical MRIs performed in individuals born without a CC revealed increases in cortical thickness in primary somatosensory (S1) and visual (V1) cortex, as well as in the hand representation of M1. Taken together, however, the data suggest that anatomical differences between acallosal patients and healthy participants are relatively subtle considering the size and function of the CC. Article 4 showed that individuals presenting a mutation on the DCC gene display a phenotype similar to that of individuals presenting a mutation on the RAD51 gene. DCC mutations affect the crossing of the CST at the pyramidal level, resulting in a CST that projects to both hands simultaneously, causing congenital mirror movements (CMM). This pathological condition is accompanied by neurophysiological anomalies that include reduced interhemispheric inhibition (IHI). In summary, the studies comprised in the present thesis significantly increase our knowledge of the specific brain structures that enable the proper lateralization of movements. It also describes novel methods that can be used to investigate the non-mirroring network.

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein nichtinvasives Hirnstimulationsverfahren, mit welchem sowohl die funktionelle Untersuchung umschriebener kortikaler Regionen als auch die Modulation der Erregbarkeit ebendieser sowie die Induktion neuroplastischer Phänomene möglich ist. Sie wurde in der Vergangenheit insbesondere bei der Erforschung des humanen zentralmotorischen Systems angewandt. Dabei zeigte sich, dass ein einzelner über dem primärmotorischen Areal (M1) applizierter TMS-Puls multiple deszendierende Erregungswellen im Kortikospinaltrakt induzieren kann. Von diesen Undulationen besitzt die D-Welle (direkte Welle) die kürzeste Latenz und sie rekurriert auf eine direkte Aktivierung kortikospinaler Neurone, wohingegen I-Wellen (indirekte Wellen) längere Latenzen besitzen und durch transsynaptische Aktivierung dieser Zellen entstehen. Bemerkenswert ist das periodische Auftreten der letztgenannten Erregungswellen mit einer Periodendauer von etwa 1,5 ms. Zwar sind die genauen Mechanismen noch unbekannt, welche der Entstehung dieser I-Wellen sowie dem Phänomen der I-Wellen-Fazilitierung, das sich in geeigneten TMS-Doppelpulsprotokollen offenbart, zugrunde liegen, jedoch existieren hierzu verschiedene Erklärungsmodelle. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die repetitive Anwendung eines TMS-Doppelpulsprotokolls, bei dem das Interpulsintervall (IPI) im Bereich der I-Wellen-Periodizität liegt (iTMS) und das gleichsam durch eine Implementierung der I-Wellen-Fazilitierung in der repetitiven TMS charakterisiert ist. Da gezeigt werden konnte, dass iTMS mit einem IPI von 1,5 ms (iTMS_1,5ms) die kortikospinale Erregbarkeit signifikant intra- und postinterventionell zu steigern vermag, und die I-Wellen-Periodizität interindividuellen Schwankungen unterliegt, wurde in der hier vorgestellten Studie an Normalprobanden der Einfluss einer individuellen Anpassung des IPIs (resultierend in der iTMS_adj) auf die intrainterventionelle kortikospinale Erregbarkeit untersucht. In der Tat stellte sich heraus, dass die iTMS_adj der iTMS_1,5ms diesbezüglich überlegen ist. Dieses Ergebnis unterstreicht das Potential einer Individualisierung der interventionellen TMS für erregbarkeitsmodulierende Effekte und macht dasjenige der ohnehin auf physiologische Prozesse abgestimmten iTMS explizit, was insbesondere für klinische Anwendungen relevant sein mag.

Il existe des projections corticospinales (CS) vers les motoneurones (MNs) aussi bien contra- (c) qu’ipsilatérales (i). Les influences CSc sur les MNs du poignet sont connues pour être modulées entre autres par la position du poignet et les afférences cutanées. Pour cette raison, notre objectif était de vérifier si ces caractéristiques sont aussi valides pour les influences CSi. En utilisant la stimulation transcrânienne magnétique au niveau du cortex primaire droit, nous avons tout d’abord comparé les influences CSi sur les MNs des fléchisseurs du poignet à des positions maintenues de flexion et d’extension durant une tâche uni-manuelle ainsi que deux tâches bimanuelles, ceci chez des sujets droitiers (n=23). Nous avons ensuite comparé les influences CSi dans cinq tâches bi-manuelles de tenue d’objet durant lesquelles les sujets avaient à tenir entre leurs mains un bloc à la surface soit lisse, soit rugueuse, dont le poids était supporté ou non, ceci en position de flexion (n=21). Dans une tâche, un poids était ajouté au bloc lisse en condition non supportée pour amplifier les forces de préhension requises. Une modulation positiondépendante était observée au niveau des potentiels évoqués moteurs (iPEM), mais seulement lors de la tâche bi-manuelle quand les deux mains interagissaient via un bloc (p= 0.01). Une modulation basée sur la texture était également présente, quel que soit le support de poids, et le bloc lisse était associé avec des iPEMs plus importants en comparaison avec le bloc rugueux (p= 0.001). Ainsi, les influences CSi sur les MNs n’étaient modulées que lors des tâches bi-manuelles et dépendaient de la manière dont les mains interagissaient. De plus, les afférences cutanées modulaient les influences CSi facilitatrices et pourraient ainsi participer à la prise en main des objets. Il en est conclu que les hémisphères droit et gauche coopèrent durant les tâches bimanuelles impliquant la tenue d’objet entre les mains, avec la participation potentielle de projections mono-, et poly-synaptiques, transcallosales inclues. La possibilité de la contribution de reflexes cutanés et d’étirement (spinaux et transcorticaux) est discutée sur la base de la notion que tout mouvement découle du contrôle indirect, de la « référence » (referent control). Ces résultats pourraient être essentiels à la compréhension du rôle des interactions interhémisphériques chez les sujets sains et cliniques. / There are both contra- (c) and ipsilateral (i) corticospinal (CS) projections to motoneurons (MNs). There is evidence that cCS influences on wrist MNs are modulated by wrist position and cutaneous afferents. Thus, we aimed to test whether these findings are valid for iCS influences as well. Using transcranial magnetic stimulation applied over the right primary motor cortex, we first compared iCS influences on wrist flexor MNs at actively maintained flexion and extension wrist positions in one uni- and two bimanual tasks in right-handed subjects (n=23). We further compared iCS influences in five bimanual holding tasks in which subjects had to hold a smooth or coarse block between their hands, with or without its weight being supported, in flexion position (n=21). In one task, a weight was added to the unsupported smooth block to increase load forces. A position-dependent modulation of the short-latency motor evoked potential (iMEP) was observed, but only in the bimanual task when the two hands interacted through a block (p=0.01). A texture-dependent modulation was present regardless of the weight supported, and the smooth block was associated with larger iMEPs in comparison to the coarse block (p=0.001). Hence, iCS influences on MNs were modulated only in bimanual tasks and depended on how the two hands interacted. Furthermore, cutaneous afferents modulated facilitatory iCS influences and thus may participate to grip forces scaling and maintaining. It is concluded that the left and right cortices cooperate in bimanual tasks involving holding an object between the hands, with possible participation of mono- and poly-synaptic, including transcallosal projections to MNs. The possible involvement of spinal and trans-cortical stretch and cutaneous reflexes in bimanual tasks when holding an object is discussed based on the notion that indirect, referent control underlies motor actions. Results might be essential for the understanding of the role of intercortical interaction in healthy and neurological subjects.