La paralysie cérébrale (PC) regroupe un ensemble varié de troubles moteurs, sensoriels et cognitifs, liés à des lésions de la substance blanche (i.e. leucomalacie périventriculaire, PVL) survenant, le plus souvent, après un épisode hypoxo-ischémique autour de la naissance. Afin de reproduire la PVL chez l'animal, nous utilisons une ischémie prénatale (PI) qui induit des lésions des substances blanche et grise. Les rats ischémiés développent des déficits cognitifs visuo-spatiaux et une hyperactivité, également observés chez les patients atteints de PC, liés à des lésions du cortex entorhinal, préfrontal et cingulaire. La PI n'induit que des troubles locomoteurs modérés associés à des signes de spasticité, et une atteinte anatomique et fonctionnelle du cortex somesthésique primaire (S1), tandis que le cortex moteur (M1) reste intact. Ainsi, la PI reproduit les symptômes observés chez les enfants et adultes nés prématurément. La présence de mouvements spontanés anormaux au cours de la 1ère année conduisant à la PC suggère une implication de l'expérience sensorimotrice anormale dans le développement de cette pathologie. La combinaison d'une restriction sensorimotrice (SMR) durant le développement et de la PI induit des troubles cognitifs atténués mais une hyperactivité importante. Les rats combinant PI et SMR présentent des déficits posturo-moteurs drastiques et une spasticité, associés à une dégradation des tissus musculo-squelettiques, comparables à ceux observés chez les patients. Ces troubles moteurs, associés à une désorganisation importante des cartes corticales dans S1 et M1, suggèrent un dysfonctionnement important des boucles d'intégration sensorimotrice. / Cerebral palsy (CP) corresponds to various motor, sensory and cognitive disorders related to white matter damage (i.e. periventricular leucomalacia, PVL) often occurring after perinatal hypoxic-ischemic events. To reproduce PVL in rodents, we used a prenatal ischemia (PI) that induces white and gray matter damage. The ischemic rats exhibit visual-spatial cognitive deficits and hyperactivity, as observed in patients with CP, related to lesions of entorhinal, prefrontal and cingular cortices. Only mild locomotor disorders are induced by PI, associated to signs of spasticity, along with anatomical and functional degradation in the primary somatosensory cortex (S1), while the primary motor cortex (M1) remains unchanged. Thus, PI recapitulates the main symptoms found in children born preterm. Abnormal spontaneous movements (i.e. general movements) observed in infants who develop CP later on suggest that abnormal sensorimotor experience during maturation is key in the development of this catastrophic disease. The combination of a sensorimotor restriction (SMR) and PI in animal induces fewer cognitive deficits but still hyperactivity. Such a combination leads to severe postural and motor disorders, and spasticity, associated with musculoskeletal pathologies, as observed in patients with CP. In addition to motor disorders, drastic topographical disorganization of cortical maps in S1 and M1 suggest a major dysfunction of sensorimotor loops.

Introdução: Ativação exacerbada de processos excitatórios mediados por NMDA e excesso de inibição mediada por GABA são descritos, respectivamente, nas fases agudas e subagudas após o traumatismo cranioencefálico (TCE). No entanto, existem poucos estudos a respeito do funcionamento desses circuitos na fase crônica do TCE. Objetivo: Avaliar a excitabilidade cortical (EC) de pacientes em fase crônica que sofreram TCE, especificamente diagnosticados com lesão axonial difusa (LAD). Métodos: Todos os 31 pacientes adultos foram avaliados após 1 ano, pelo menos, do TCE moderado ou grave. Inicialmente, os pacientes foram submetidos à avaliação de funções executivas - atenção, memória, fluência verbal e velocidade de processamento de informação - por meio de bateria neuropsicológica. Em seguida, a avaliação da EC foi realizada utilizando-se uma bobina circular para aplicar pulsos simples e pareados de estimulação magnética transcraniana na região cortical representativa do abdutor curto do polegar (pollicis brevis) na área M1 de ambos hemisférios. Os parâmetros de EC medidos foram: Limiar Motor de Repouso (LMR), Potenciais Evocados Motores (PEM), Inibição Intracortical de Intervalo Curto (IICIC) e Facilitação Intracortical (FIC). Todos os dados foram comparados aos dados normativos de EC já descritos na literatura e também aos de um grupo controle de pessoas saudáveis. Resultados: Não houve diferença significativa entre os hemisférios direto e esquerdo. Desta forma, os dados foram analisados de forma agrupada (\"pooled data\"). Os valores de LMR e FIC dos pacientes com LAD estavam dentro dos valores de normalidade. No entanto, os valores de PEMs a 120% do LMR, a 140% do LMR e IICIC estavam aumentados (respectivamente p=0,013; p=0,012; p < 0,001): PEM-120% LAD 524,95 [365,42 ; 616,66] versus Controles 303,50 [241,49 ; 399,19]; PEM-140% LAD 1150,00 [960,56 ; 1700,00] vs Controles 670,5 [575,43 ; 1122,78] e IICIC LAD 1,09 [0,82 ; 1,35] vs Controles 0,34 [0,28 ; 0,51]; pp02-Rel LAD 0,85 [0,64 ; 1,36] vs Controles 0,28 [0,20 ; 0,37]; pp04-Rel LAD 1,03 [0,88 ; 1,34] vs Controles 0,38 [0,29 ; 0,62] - sugerindo um possível desarranjo no sistema inibitório (p < 0.001). Os achados neuropsicológicos mostraram alterações na memória, atenção e velocidade de processamento de informação, mas possuíam correlação fraca com os dados de EC. Conclusão: Como os processos inibitórios envolvem circuitos mediados por GABA, além de outros, existe a possível inferência de que a própria fisiopatologia do LAD (rompimento de axônios) possa depletar GABA contribuindo com a desinibição do sistema neural na fase crônica do LAD / Background: Overactivation of NMDA-mediated excitatory processes and excess of GABA-mediated inhibition are described after a brain injury on the acute and subacute phases, respectively. Nevertheless, there are few studies regarding the circuitry on the chronic phase of brain injury. Objective: To evaluate the cortical excitability (CE) on the chronic phase of Traumatic Brain Injury (TBI) victims, specifically diagnosed with Diffuse Axonal Injury (DAI). Method: All 31 adult patients were evaluated after one year, at least, from the moderate and severe TBI. First, all patients underwent a broad neuropsychological assessment to evaluate executive functions - attention, memory, verbal fluency and information processing speed. Then, subsequently, the CE assessment was performed with a circular coil applying single-pulse and paired-pulse transcranial magnetic stimulation over the cortical representation of the abductor pollicis brevis muscle on M1 of both hemispheres. The CE parameters measured were: Resting Motor Threshold (RMT), Motor-Evoked Potentials (MEP), Short Interval Intracortical Inhibition (SIICI), and Intracortical Facilitation (ICF). All data were compared to normative data previously described on literature and to a control group that consisted of healthy subjects. Results: No significant difference between Left and Right hemispheres were found on these DAI patients. Therefore, parameters were analyzed as pooled data. Values of RMT and ICF from DAI patients were found within the normality. However, MEPs and SIICI values were higher on DAI patients (respectively p=0,013; p=0,012; p < 0,001): MEP-120% DAI 524,95 [365,42 ; 616,66] versus Control 303,50 [241,49 ; 399,19]; MEP-140% DAI 1150,00 [960,56 ; 1700,00] vs Control 670,5 [575,43 ; 1122,78] and SIICI DAI 1,09 [0,82 ; 1,35] vs Control 0,34 [0,28 ; 0,51]; pp02-Rel DAI 0,85 [0,64 ; 1,36] vs Control 0,28 [0,20 ; 0,37]; pp04-Rel DAI 1,03 [0,88 ; 1,34] vs Control 0,38 [0,29 ; 0,62] - suggesting a disarranged inhibitory system (p < 0.001). The neuropsychological findings had weak correlation with CE data. Conclusion: As inhibition processes also involve GABA-mediated circuitry, it is likely to infer that DAI pathophysiology itself (disruption of axons) may deplete GABA contributing to a disinhibition of the neural system on the chronic phase of DAI

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La douleur neuropathique centrale est une séquelle fréquente après une atteinte du système nerveux centrale. L’impact négatif de ces douleurs sur la qualité de vie des patients ainsi que l’efficacité modérée (40% de répondeurs) des traitements de 1ère intention font de la recherche de thérapies alternatives un enjeu clinique majeur. Depuis plusieurs années, la technique de stimulation magnétique transcrânienne répétée (rTMS) est présentée comme un outil intéressant pour soulager ce type de douleur sans pour autant que son efficacité clinique n’ait été clairement démontrée. Ce travail de thèse s’attache donc à investiguer l’efficacité de la rTMS pour traiter les douleurs neuropathiques centrales. Nous avons dans un premier temps mis en évidence, dans une étude observationnelle, qu’un minimum de 4-5 séances sur deux mois de rTMS à 20HZ sur le cortex moteur primaire (M1) produit un soulagement de la douleur pouvant se maintenir même après une année de stimulation. Afin d’écarter un possible effet placebo, nous avons objectivé l’efficacité antalgique en répliquant ce protocole dans une étude clinique randomisée, contrôlée, en groupes croisés. Les résultats obtenus confirment ceux de l’étude observationnelle puisque que l’effet antalgique de la rTMS active était significativement supérieure à la stimulation placebo pour le critère principal (% de soulagement, +33%) ou l’intensité douloureuse (EVA, -19%), avec 47% de répondeurs. Pour les patients non-répondeurs à la stimulation de M1, nous avons également testé contre placebo, dans une étude randomisée, l’efficacité d’une cible alternative : le cortex somesthésique secondaire (S2). Aucun des patients n’a été soulagé par cette stimulation mais le faible effectif de cette étude ne nous permet pas de conclure définitivement à l’absence d’effet antalgique. Enfin, compte tenu de l’utilisation croissante de nouvelles cibles corticales plus profondes, nous avons à partir de l’enregistrement du champ-magnétique produit par la rTMS dans différents milieux (l’air et modèle ex-vivo), proposé un modèle de distribution de ce champ selon la profondeur de la cible et le type de sonde de stimulation utilisé. Pour conclure, ces travaux objectivent l’effet antalgique de 4 séances de rTMS à 20Hz de M1 sur les douleurs neuropathiques centrales, validant ainsi son utilisation lorsque les traitements de 1ère intention ont échoué. Les résultats obtenus par la stimulation de S2 ainsi que par la modélisation du champ magnétique doivent permettre à de futures études d’explorer de nouvelles cibles corticales pour les patients qui restent encore en échec de traitement. / Central neuropathic pain is a common sequelae after central nervous system injury. Its negative consequences on the quality of life and the moderate efficacy (40% of responders) of first-line treatments make the search for alternative therapies a major clinical challenge. For several years, the technique of repeated transcranial magnetic stimulation (rTMS) is presented as an interesting tool to relieve this sort of pain even though its clinical efficacy has not been clearly demonstrated. The aim of this thesis was to investigate the effectiveness of rTMS to relieve central neuropathic pain.We first demonstrated, in an observational study, that a minimum of 4-5 sessions over two months of rTMS at 20HZ on the primary motor cortex (M1) produces pain relief that can be maintained even after a year of stimulation. In order to rule out a possible placebo effect, we objectified the analgesic efficacy by replicating this protocol in a randomized, controlled, cross-over clinical study. The results obtained confirm those of the observational study since the analgesic effect of the active rTMS was significantly greater than the placebo stimulation for the main criterion (% of pain relief, +33%) or pain intensity (VAS, -19%), with 47% of responders. For patients who did not respond to M1 stimulation, we also tested the efficacy of an alternative target in a randomized study: the secondary somatosensory cortex (S2). None of the patients were relieved by this stimulation, but the small size of this study does not allow us to definitively conclude that there is no analgesic effect. Finally, given the increasing use of new deeper cortical targets in rTMS for pain treatment, we have from the recording of the magnetic field produced by the rTMS in different media (air and ex-vivo model), proposed a magnetic-field distribution model according to the depth of the target and the type of stimulation coils used.To conclude, this work objectify the analgesic effect of 4 rTMS sessions at 20 Hz of M1 to relieve central neuropathic pain, validating its use when first-line treatments have failed. The results obtained by S2 stimulation as well as magnetic field modeling should allow future studies to explore new cortical targets for patients who are still failing treatment

L’excès de synchronisation dans le réseau cortico-sous-cortical est une caractéristique majeure de la maladie de Parkinson. La stimulation cérébrale profonde (DBS) à haute fréquence (HF) des ganglions de la base modifie ces synchronies et améliore significativement les troubles moteurs. Il n’était pas encore connu si l’excès de synchronisation dans le cortex moteur primaire (M1) est présent avant les signes moteurs et si la modulation antidromique des réseaux corticaux via la stimulation HF de la voie hyperdirecte cortico-subthalamique suffit à le désynchroniser. Nous avons étudié la synchronisation des activités spontanées dans M1 de souris juvéniles PINK1 -/-, modèle génétique de Parkinson (PARK6) par imagerie calcique bi-photonique in vitro et l’avons comparée à celle de souris contrôle (P14-P16). Nous avons testé l’impact de la stimulation HF des fibres cortico-subthalamiques (région subthalamique) sur ces synchronies corticales. A un stade précoce, les réseaux M1 présentent un excès de synchronisation et, dans notre modèle de tranche, la DBS HF normalise le patron de synchronisation, plaidant pour un rôle primordial de la modulation antidromique de l’activité corticale via la voie hyperdirecte. En conclusion, nous proposons, grâce à ce modèle génétique progressif, que (1) des activités de réseau pathologiques sont présentes dans M1 bien avant les premiers signes moteurs et (2) que la modulation par voie antidromique de ces réseaux corticaux est un mécanisme essentiel d’action de la DBS HF. Ces résultats montrent qu’une pathologie dégénérative est détectable très tôt dans le développement (neuroarchéologie) mais ne s’exprimer somatiquement que tardivement. / The excess of synchronization of neuronal activities within the cortico-basal ganglia network is a hallmark of the pathophysiology of Parkinson’s disease. High frequency deep brain stimulation (DBS) applied to various basal ganglia nuclei dampens the synchronized activity in the whole network, and brings about a significant motor improvement. However it is not to date established whether an early presymptomatic abnormal pattern of synchronization is present in the primary motor cortex long before motor signs, nor whether its antidromic modulation via the hyperdirect cortico-subthalamic pathway is sufficient to remove its excess of synchronization. To answer these questions we studied the synchronization of spontaneous activities in the primary motor cortex of PINK-/- mice (genetic rodent model of Parkinson’s (PARK6), a progressive model) and compared it with age-matched control mice (P14-16 (wild-type)) by means of two-photon calcium imaging. Secondly, we analyzed in vitro the impact of the high frequency stimulation of cortico-subthalamic fibers on the pattern of synchronization of cortical networks. We show that, (1) at an early stage of development, there is an excess of synchronized activity in primary motor cortical networks and that, (2) antidromic modulation of cortical activity is a key mechanism to account for the normalization of hyper synchronized activity. These results show that a neurodegenerative adult pathology may begin early during development (neuroarcheology) though clinical signs appear late in adulthood. Moreover, antidromic invasion of a network seems to be a key mechanism of deep brain stimulation.

Les ganglions de la base (GB) forment une boucle complexe avec le cortex et le thalamus qui est impliquée dans la sélection de l’action et le contrôle du mouvement. Les activités oscillatoires synchronisées dans le réseau des GB ont été proposées comme pouvant jouer un rôle essentiel dans la coordination du flux de l’information au sein de ces circuits neuronaux. Ainsi, leur dérégulation dans le temps et l’espace pourrait devenir pathologique. Dans la maladie de Parkinson (MP), l’expression anormalement élevée d’oscillations neuronales comprises dans les gammes de fréquences beta (β, 10-30 Hz) serait la cause des déficits moteurs (akinétique et bradykinétique) de cette maladie. Cependant, les réseaux neuronaux à l’origine des oscillations β et l’implication physiopathologique de celles-ci restent encore inconnus. Le noyau sous-thalamique (NST) est un carrefour anatomique des GB situé au centre de réseaux potentiellement impliqués dans l’émergence de ces états hyper-synchronisés. L’objectif de cette thèse était de déterminer le rôle causal des principales entrées du NST (i.e. le cortex moteur, le globus pallidus, et le noyau parafasciculaire du thalamus) dans le maintien et la propagation des oscillations β. Pour cela, nous avons développé des approches de manipulation optogénétique combinées à des enregistrements électrophysiologiques in vivo dans un modèle rongeur de la MP. L’ensemble de nos travaux démontre la contribution respective des différents circuits neuronaux interrogés et souligne l’importance du globus pallidus dans le contrôle de la propagation et du maintien des oscillations β dans l’ensemble de la boucle des GB. / The basal-ganglia (BG) form a complex loop with the cortex and the thalamus that is involved in action selection and movement control. Synchronized oscillatory activities in basal-ganglia neuronal circuits have been proposed to play a key role in coordinating information flow within this neuronal network. If synchronized oscillatory activities are important for normal motor function, their dysregulation in space and time could be pathological. Indeed, in Parkinson’s disease (PD), many studies have reported an abnormal increase in the expression level of neuronal oscillations contain in the beta (β) frequency range (15-30 Hz). These abnormal β oscillations have been correlated with two mains symptoms of PD: akinesia/bradykinesia. However, which BG neuronal circuits generate those abnormal β oscillations, and whether they play a causal role in PD motor dysfunction is not known. The subthalamic nucleus (STN) is a key nucleus in BG that receives converging inputs from the motor cortex, the parafascicular thalamic nucleus and the globus pallidus. Here, we used a rat model of PD combined with in vivo electrophysiological recordings and optogenetic silencing to investigate how selective manipulation of STN inputs causally influence BG network dynamic. Our data highlight the causal role of the globus pallidus in the generation and propagation mechanisms of abnormal β-oscillations.

Introdução: Apesar do grande impacto da ressonância magnética funcional em neurociências, a sua aplicabilidade clínica ainda é pequena. Um dos principais motivos é a falta de dados populacionais para dar suporte à decisão clínica. Esta tese teve por objetivo formar um banco de dados normais, representativo de pacientes do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HCFMUSP). Métodos: Foram estudados 64 acompanhantes normais dos pacientes do HCFMUSP. Cada indivíduo realizou tarefas quem envolviam função de linguagem, somatossensorial, motor, audiovisual e de memória em aparelho de 1,5 T. Foram colhidos dados demográficos, de desempenho e neuropsicológicos dos sujeitos e de controle de qualidade do magneto de RM. As imagens funcionais foram analisadas através do software XBAM para cada indivíduo, para os grupos e para análise de correlação comportamental. Resultados: A amostra teve uma distribução demográfica variada. Os resultados das análises de grupo mostraram padrões de acordo com a literatura. O paradigma motor mostrou efeito BOLD positivo nos giros pré e pós-centrais estendendo-se para regiões pré-motoras e parietais, área motora suplementar, áreas somatosensoriais secundárias, núcleos da base e tálamo contralaterais à mão avaliada e hemisférios cerebelares ipsilaterais. O paradigma somatossensorial das mãos demonstrou efeito BOLD positivo nos giros pré e pós-centrais, núcleos da base e tálamos contralaterais à mão estimulada, cerebelo ipsilateral à mão estimulada e o córtex somatossensorial secundário bilateralmente e o da face mostrou os giros pré e pós-centrais, o córtex parietal, regiões pré-motoras, regiões temporais posteriores e inferiores e área somatosensorial secundária bilateralmente. A análise de grupo dos paradigmas de linguagem mostrou efeito BOLD positivo no giro frontal inferior e ínsula bilateralmente, maiores à esquerda, giro frontal médio esquerdo, cíngulo anterior, área motora suplementar, cerebelo à direita e vermis cerebelar, núcleos da base e tálamos à esquerda e em particular na fluência verbal falada com apresentação de letras diferentes, lobo parietal esquerdo. No paradigma audiovisual a condição visual mostrou efeito BOLD positivo no córtex occipital, parietal e cerebelo bilateralmente e a condição auditiva, nos lobos temporais bilaterais, com extensão fronto-parietal à esquerda. A análise de grupo do paradigma memória mostrou áreas no cerebelo, córtex occipital, giro frontal médio, região frontal mesial anterior e lobo parietal, com predomínio à direita. Nos mapas individuais foram detectadas muitas regiões em cada paradigma e houve grande variabilidade, sendo as regiões cerebrais que apresentaram efeito BOLD positivo com maior frequência ( 85%): giro pré-central esquerdo (95%) e cerebelo superior direito (87%) no movimento da mão direita; giro pré-central direito (88%) no movimento da mão esquerda; giro pós-central esquerdo (88%) no estímulo somatosensorial da mão direita; giro pós-central direito (89%) no estímulo somatosensorial da mão esquerda; giro lingual direito (90%) e esquerdo (88%) no estímulo visual; e giro temporal médio direito (93%) e esquerdo (91%) na condição auditiva. As tarefas de memória e fluência verbal não tiveram nenhuma região com frequência acima de 80%. Conclusões: Os padrões de ativação cerebral obtidos nas imagens de RMf do grupo de participantes são semelhantes à literatura. A freqüência das regiões com efeito BOLD positivo foi maior nos córtices primários sensoriais e motores. As informações colhidas no trabalho constituem uma base de dados que pode ser utilizada para suporte à decisão clínica. / Introduction: Functional magnetic resonance imaging has had a great impact on neuroscience, but its clinical applicability is still small. One of the main reasons is the lack of populational databases to support clinical decision. The aim of this work was to constitute a local normal database, representative of the patients from the Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HC-FMUSP). Methods: The sample included 64 normal subjects who, at some point, accompanied patients from the HCFMUSP. They all performed motor, somatosensory, language, audiovisual and memory paradigms in a 1,5 T magnet. Demographic, neuropsychological and behavioral data were collected. Scanner quality control was also verified. Data was analyzed through XBAM software on individual and group basis, and for behavioral correlation. Results: The sample had a variable demographic distribution. Group analysis showed results in agreement with the literature. The motor paradigm elicited positive BOLD effect in the pre and postcentral gyri, extending to premotor and parietal regions, supplementary motor area, secondary somatosensory areas, basal ganglia and thalamus contralateral to the hand in question, and ipsilateral cerebellum. Group analysis of the hand somatosensory paradigm showed pre and postcentral gyri, basal ganglia and thalamus contralateral to the stimulated hand, ipsilateral cerebellum and bilateral secondary somatosensory areas. The group analysis of the somatosensory paradigm of the face showed pre and postcentral gyri, parietal cortex, premotor areas, inferior-posterior temporal cortex and secondary somatosensory areas bilaterally. Language paradigms showed positive BOLD effect in the inferior frontal gyrus and insula bilaterally, bigger on the left, left middle frontal gyrus, anterior cingulate, supplementary motor area, right cerebellum, cerebellar vermis, left basal ganglia and thalamus, and in particular, overt verbal fluency with presentation of different letters also showed the left parietal lobe. The audiovisual paradigm group analysis showed positive BOLD effect in the occipital and parietal cortex and cerebellum bilaterally during the visual condition, and bilateral temporal with left frontal and parietal extension during the auditory condition. Finally, working memory task showed activation in the occipital cortex, cerebellum, middle frontal gyri, parietal association cortex and mesial frontal region bilaterally, with right predominance. On individual basis we detected a multitude of brain areas in each paradigm with great variability, and those with the higher frequency ( 85%) were: left precentral gyrus (95%) and superior right cerebellum (87%) during the right hand movement; right precentral gyrus (88%) during the left hand movement; left postcentral gyrus (88%) for the somatosensory stimulus of the right hand; right postcentral gyrus (89%) for the somatosensory stimulus of the left hand; right (90%) and left (88%) lingual gyri during the visual stimulus; and right (93%) and left (91%) middle temporal gyrus for the auditory stimulus. Working memory and verbal fluency had no region with a frequency above 80%. Conclusions: The patterns of cerebral activations obtained in group analysis are in agreement with the literature. Individual analysis showed a higher frequency of positive BOLD effect in the primary and sensory cortices. The data collected during this work constitute a database that can be used to support clinical decision.

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La progression d’un individu au travers d’un environnement diversifié dépend des informations visuelles qui lui permettent d’évaluer la taille, la forme ou même la distance et le temps de contact avec les obstacles dans son chemin. Il peut ainsi planifier en avance les modifications nécessaires de son patron locomoteur afin d’éviter ou enjamber ces entraves. Ce concept est aussi applicable lorsque le sujet doit atteindre une cible, comme un prédateur tentant d’attraper sa proie en pleine course. Les structures neurales impliquées dans la genèse des modifications volontaires de mouvements locomoteurs ont été largement étudiées, mais relativement peu d’information est présentement disponible sur les processus intégrant l’information visuelle afin de planifier ces mouvements. De nombreux travaux chez le primate suggèrent que le cortex pariétal postérieur (CPP) semble jouer un rôle important dans la préparation et l’exécution de mouvements d’atteinte visuellement guidés. Dans cette thèse, nous avons investigué la proposition que le CPP participe similairement dans la planification et le contrôle de la locomotion sous guidage visuel chez le chat. Dans notre première étude, nous avons examiné l’étendue des connexions cortico-corticales entre le CPP et les aires motrices plus frontales, particulièrement le cortex moteur, à l’aide d’injections de traceurs fluorescents rétrogrades. Nous avons cartographié la surface du cortex moteur de chats anesthésiés afin d’identifier les représentations somatotopiques distales et proximales du membre antérieur dans la partie rostrale du cortex moteur, la représentation du membre antérieur située dans la partie caudale de l’aire motrice, et enfin la représentation du membre postérieur. L’injection de différents traceurs rétrogrades dans deux régions motrices sélectionnées par chat nous a permis de visualiser la densité des projections divergentes et convergentes pariétales, dirigées vers ces sites moteurs. Notre analyse a révélé une organisation topographique distincte de connexions du CPP avec toutes les régions motrices identifiées. En particulier, nous avons noté que la représentation caudale du membre antérieur reçoit majoritairement des projections du côté rostral du sillon pariétal, tandis que la partie caudale du CPP projette fortement vers la représentation rostrale du membre antérieur. Cette dernière observation est particulièrement intéressante, parce que le côté caudal du sillon pariétal reçoit de nombreux inputs visuels et sa cible principale, la région motrice rostrale, est bien connue pour être impliquée dans les fonctions motrices volontaires. Ainsi, cette étude anatomique suggère que le CPP, au travers de connexions étendues avec les différentes régions somatotopiques du cortex moteur, pourrait participer à l’élaboration d’un substrat neural idéal pour des processus tels que la coordination inter-membre, intra-membre et aussi la modulation de mouvements volontaires sous guidage visuel. Notre deuxième étude a testé l’hypothèse que le CPP participe dans la modulation et la planification de la locomotion visuellement guidée chez le chat. En nous référant à la cartographie corticale obtenue dans nos travaux anatomiques, nous avons enregistré l’activité de neurones pariétaux, situés dans les portions des aires 5a et 5b qui ont de fortes connexions avec les régions motrices impliquées dans les mouvements de la patte antérieure. Ces enregistrements ont été effectués pendant une tâche de locomotion qui requiert l’enjambement d’obstacles de différentes tailles. En dissociant la vitesse des obstacles de celle du tapis sur lequel le chat marche, notre protocole expérimental nous a aussi permit de mettre plus d’emphase sur l’importance de l’information visuelle et de la séparer de l’influx proprioceptif généré pendant la locomotion. Nos enregistrements ont révélé deux groupes de cellules pariétales activées en relation avec l’enjambement de l’obstacle: une population, principalement située dans l’aire 5a, qui décharge seulement pendant le passage du membre au dessus del’entrave (cellules spécifiques au mouvement) et une autre, surtout localisée dans l’aire 5b, qui est activée au moins un cycle de marche avant l’enjambement (cellules anticipatrices). De plus, nous avons observé que l’activité de ces groupes neuronaux, particulièrement les cellules anticipatrices, était amplifiée lorsque la vitesse des obstacles était dissociée de celle du tapis roulant, démontrant l’importance grandissante de la vision lorsque la tâche devient plus difficile. Enfin, un grand nombre des cellules activées spécifiquement pendant l’enjambement démontraient une corrélation soutenue de leur activité avec le membre controlatéral, même s’il ne menait pas dans le mouvement (cellules unilatérales). Inversement, nous avons noté que la majorité des cellules anticipatrices avaient plutôt tendance à maintenir leur décharge en phase avec l’activité musculaire du premier membre à enjamber l’obstacle, indépendamment de sa position par rapport au site d’enregistrement (cellules bilatérales). Nous suggérons que cette disparité additionnelle démontre une fonction diversifiée de l’activité du CPP. Par exemple, les cellules unilatérales pourraient moduler le mouvement du membre controlatéral au-dessus de l’obstacle, qu’il mène ou suive dans l’ordre d’enjambement, tandis que les neurones bilatéraux sembleraient plutôt spécifier le type de mouvement volontaire requis pour éviter l’entrave. Ensembles, nos observations indiquent que le CPP a le potentiel de moduler l’activité des centres moteurs au travers de réseaux corticaux étendus et contribue à différents aspects de la locomotion sous guidage visuel, notamment l’initiation et l’ajustement de mouvements volontaires des membres antérieurs, mais aussi la planification de ces actions afin d’adapter la progression de l’individu au travers d’un environnement complexe. / When progressing through a varied environment, an individual will depend on visual information to evaluate the size, shape or the distance and time to contact of objects in his path. This will allow him to plan in advance the gait requirements necessary to avoid or step over these obstacles. This concept is also applicable in situations where the subject must reach a target, as with a predator chasing down its prey. The neural structures involved in generating voluntary gait modifications during locomotion have been extensively studied, but relatively little information is available on the processes that integrate visual information to plan these movements. Numerous studies in the primate suggest that the posterior parietal cortex (PPC) plays an important role in the preparation and execution of visually-guided reaching movements. In this thesis, we investigated the proposition that the PPC is similarly involved in the planning and control of visually-guided locomotion in the cat. Our first study examined the extent of cortico-cortical connections between the PPC and the more frontal motor areas, particularly the motor cortex, using injections of fluorescent retrograde tracers. We mapped the cortical surface of anaesthetized cats to identify the somatotopical representations of the distal and proximal forelimb in the rostral portion of the motor cortex, the forelimb representation in the caudal motor area, and also the hindlimb representation. The injection of different tracers in two selected regions, for every cat, allowed us to visualize the density of divergent and convergent parietal projections to these motor sites. Our analysis revealed a distinct topographical organization of parietal connections with all of the identified motor regions. In particular, the caudal motor representation of the forelimb primarily received projections from the rostral bank of the parietal cortex, while the caudal portion of the PPC strongly projected to the rostral forelimb representation. The latter observation is particularly interesting, since the caudal bank of the PPC receives numerous visual inputs and its target, the rostral motor region, is well-known for its involvement in voluntary motor functions. Therefore, this study suggests that the PPC, through extensive connections with the different somatotopic representations of the motor cortex, could constitute an ideal neural substrate for processes such as inter- and intra-limb coordination, as well as the modulation of visually-guided voluntary movements. Our second study tested the hypothesis that the PPC participates in the modulation and planning of voluntary gait modifications during locomotion in the cat. Using the cortical mapping established in our anatomical study, we recorded the activity of parietal neurons, localized in parts of areas 5a and 5b which are known to project strongly towards motor regions involved in forelimb movements. These recordings were obtained during a locomotion task requiring the cat to step over several obstacles of different sizes. By dissociating the speed of the obstacles from that of the treadmill onto which the cat is walking, our experimental protocol also allows us to increase the importance of visual information from the obstacles and to separate it from the influx of proprioceptive influx generated during locomotion. Our recordings revealed two groups of parietal cells on the basis of their activity in relation with the step over the obstacle: one population, mostly localized in area 5a, discharged solely as the lead forelimb passed over the obstacle (step-related cells), and another group, mainly found in area 5b, that showed significant activity at least one step cycle before the gait modification (step-advanced cells). Additionally, we observed an increase of cell activity in these groups, but particularly in step-advanced cells, when the speed of the obstacles was dissociated from that of the treadmill, demonstrating the growing importance of visual information as the task’s difficulty is increased. Finally, a great number of step-related cells were found to discharge specifically in correlation with muscle activity in the contralateral forelimb, regardless of whether or not it led over the obstacle (limb-specific cells). Inversely, the majority of step-advanced neurons tended to maintain their discharge in phase with the leading limb during the gait modification, independently of its position in relation with the recording site (limb-independent cells). We suggest that this additional disparity indicates diversified functions in PPC activity. For example, limb-specific cells could be involved in modulating the movement of the contralateral forelimb over the obstacle, regardless of its order of passage, while limb-independent neurons could instead specify the type of voluntary movement required to overcome the obstacle. Together, our observations indicate that the PPC can potentially influence the activity of motor centers through extensive cortical networks, and contributes to different aspects of visually-guided locomotion, such as initiation and modulation of voluntary forelimb movements, as well as the planning of these gait modifications to allow an individual to walk through a complex environment.

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.