A atrite reumatóide é uma doença inflamatória crônica, sem cura, que afeta cerca de 1% da população mundial entre 35 e 65 anos, cujos sinais e sintomas incluem dor, edema, rigidez, degeneração e deformidades articulares. O atual tratamento da artrite reumatóide consiste no uso de drogas anti-reumáticas modificadores de doença (DMARDs), porém são compostos caros e imunossupressivos que podem elevar o risco de infecções graves e malignidades. No presente estudo, analisamos o nervo vago como potencial imunomodulador da inflamação que ocorre na artrite reumatóide experimental. Nossos resultados indicam que a estimulação vagal aferente controla a inflamação articular por meio da ativação de áreas encefálicas simpatoexcitatórias, tais como o núcleo paraventricular do hipotálamo (PVN) e o locus coeruleus (LC). A estimulação do PVN ou do LC diminui a inflamação na articulação, mas somente a integridade do LC foi obrigatória para o controle vagal da inflamação na artrite. A estimulação elétrica cortical direcionada para o córtex parietal ativou o LC e o PVN, mimetizando a ativação vagal, porém induziu um melhor controle da inflamação. Esses resultados sugerem a existência de um mapa encefálico neuroimune capaz de controlar a artrite sem causar efeitos colaterais observáveis. / There is no cure for rheumatoid arthritis affecting over 1% of the world population between 35 e 65 years old suffering chronic inflammation causing pain, swelling, stiffness, degeneration e joint deformities. Disease-modifying anti-rheumatic drugs (DMARDs) are expensive e immunosuppressive, increasing the risk of severe infections e malignancies. Here, we analyzed the potential of the vagus nerve to control experimental arthritic inflammation. Our results indicate that the afferent vagus nerve controls arthritic joint inflammation by activating specific sympatho-excitatory brain areas, such as the paraventricular hypothalamic nucleus (PVN) e the locus coeruleus (LC). PVN or LC stimulation decreased articular inflammation, but only LC integrity was necessary for vagal control of arthritic inflammation. Cortical electrical stimulation above the parietal cortex activated LC e PVN, mimicked vagal activation but induced a better control of arthritic joint inflammation. These results suggest a neuroimmune brain map to control side-specific lateral arthritic joint inflammation without noticeable side effects.

Attention Deficit Hyperactivity Disorder (ADHD) is a disorder affecting cognitive control. These functions are important to achieve goals when different actions need to be executed in close succession. This type of multi-component behavior, which often further requires the processing of information from different modalities, is important for everyday activities. Yet, possible changes in neurophysiological mechanisms have not been investigated in adolescent ADHD. We examined N = 31 adolescent ADHD patients and N = 35 healthy controls (HC) in two Stop-Change experiments using either uni-modal or bi-modal stimuli to trigger stop and change processes. These stimuli were either presented together (SCD0) or in close succession of 300 milliseconds (SCD300). Using event-related potentials (ERP), EEG data decomposition and source localization we analyzed neural processes and functional neuroanatomical correlates of multicomponent behavior. Compared to HCs, ADHD patients had longer reaction times and higher error rates when Stop and Change stimuli were presented in close succession (SCD300), but not when presented together (SCD0). This effect was evident in the uni-modal and bi-modal experiment and is reflected by neurophysiological processes reflecting response selection mechanisms in the inferior parietal cortex (BA40). These processes were only detectable after accounting for intra-individual variability in neurophysiological data; i.e. there were no effects in standard ERPs. Multi-component behavior is not always deficient in ADHD. Rather, modulations in multi-component behavior depend on a critical temporal integration window during response selection which is associated with functioning of the inferior parietal cortex. This window is smaller than in HCs and independent of the complexity of sensory input.

Choisir quel mouvement effectuer est une fonction primordiale du système nerveux central. Comment ces décisions sont prises est encore sujet à débats. Une hypothèse traditionnelle pose qu’elles sont prises de façon sérielle, à l’aide de processus perceptifs qui alimentent un exécutif central, qui communique ensuite au système moteur quel mouvement effectuer. L’hypothèse alternative préférée par notre équipe est que les mouvements potentiels commencent à être préparés en parallèle et entrent en compétition pour les effecteurs. Dans le but de tester ces hypothèses, notre équipe a enseigné à un macaque une tâche de prise de décision motrice. Le sujet y est placé devant un écran où deux cibles apparaissent. Chacune a une valeur qui découle de deux caractéristiques : sa luminosité (BU pour bottom-up, information ascendante) et l’orientation d’une ligne qui la coupe comme une aiguille d’horloge (TD pour top-down, information descendante.) Le sujet choisit une des deux à l’aide d’un mouvement d’atteinte, et reçoit une récompense proportionnelle à sa valeur. Cette tâche permet de comparer plusieurs types d’essais : certains présentent une seule cible, une absence de choix, ou deux cibles identiques, un choix sans conséquence. D’autres ont une cible plus valable que l’autre, le choix est alors facile. On peut alors faire varier la caractéristique (BU ou TD) qui donne une plus grande valeur à la meilleure cible. Finalement, on peut montrer deux cibles de valeur égale, mais dont une tire sa valeur d’un bon score TD et l’autre, d’un bon score BU. Le sujet doit alors, en quelque sorte, choisir entre les caractéristiques. Pendant que le sujet exécute la tâche, on enregistre ses potentiels de champ locaux (LFP) à l’aide de deux réseaux d’électrodes déplaçables individuellement, l’un placé dans le cortex pariétal postérieur (PPC) et l’autre, dans le cortex prémoteur dorsal (PMd). L’analyse de ces données à l’aide de spectrogrammes, et une discussion des réactions spécifiques dans les bandes de fréquences alpha, bêta et gamma, sont présentées ici. / Choosing which movement to make is a primary function of the central nervous system. How these decisions are made is still a matter of debate. A traditional hypothesis posits that such decisions are made in a serial fashion: perceptual processes feed into a central executive, which then communicates to the motor system which movement to make. The alternative hypothesis preferred by our team is that potential movements begin to be prepared in parallel, and compete for effectors until a consensus forms in brain areas related to controlling the movements. In order to test these hypotheses, our team taught a macaque to perform a reach-based decision-making task. The subject is placed in front of a screen on which two targets appear. Each target has a value derived from two features: its brightness (BU, bottom-up information) and the orientation of a line that crosses it like a clock hand (TD, top-down information.) The subject freely chooses one of the two targets by reaching it, and then receives a reward proportional to its value. This task compares several types of trials: some show a single target, therefore no choice, or show two identical targets, which means the choice has no consequences. Other trials have one target that is more valuable than the other, which makes the choice easy. The feature which gives that better target a greater value can be either BU or TD. Finally, some trials show two targets of equal value, but one of them derives its value from a good TD score while the other derives its value from a good BU score. The subject must then choose between the features. While the subject performs the task, local field potentials (LFP) are recorded using two individually movable electrode arrays. One array is placed in the posterior parietal cortex (PPC) and the other, in the dorsal premotor cortex (PMd). The data thus obtained is analyzed using spectrograms, and a discussion of specific responses in the alpha, beta, and gamma frequency bands is presented here.

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Bien que l’inhibition soit souvent considérée comme un concept uniforme, les habiletés d’inhibition se divisent en plusieurs types : l’inhibition spatiale et l’inhibition de réponse. L’inhibition spatiale réfère à l’atténuation de l’interférence de localisations contenant des stimuli saillants et non pertinents. Par exemple, l’inhibition spatiale guide la recherche visuelle de sorte à limiter la visite répétée de localisations déjà explorées. À l’opposé, l’inhibition de réponse est un processus de type moteur et permet l’adaptation du comportement à un contexte changeant lorsqu’un mouvement doit être altéré ou arrêté. Bien qu’il soit admis que les habiletés d’inhibition se subdivisent en plusieurs types, tel que l’inhibition spatiale et l’inhibition de réponse, les différents mécanismes les sous-tendant demeurent mal compris et sous explorés. L’objectif principal de la présente thèse était d’explorer les mécanismes communs et différents de l’inhibition spatiale et l’inhibition de réponse. Particulièrement, les mécanismes de suppression et de facilitation lors de la sélection de la cible furent décrits pour l’inhibition spatiale. De même, la perturbation des habiletés de l’inhibition spatiale et la préservation relative des habiletés d’inhibition de réponse à la suite à de lésions du cortex pariétal postérieur dorsal furent exemplifiées. Finalement, les apports spécifiques du cortex pariétal postérieur dorsal pour l’inhibition spatiale et l’inhibition de réponse furent définis. / While inhibition is often considered a uniform concept, inhibition abilities can be divided in many types: spatial inhibition and response inhibition. Spatial inhibition refers to the attenuation of the interference from locations containing salient and non-pertinent stimuli. For example, spatial inhibition guides visual search to limit the repeated visit of already explored locations. In contrast, response inhibition is motor-based and allows the adaptability of behaviour in a changing context when a movement must be prevented or altered. Although it is widely accepted that inhibition abilities can be divided in many types, such as spatial or response inhibition, the different mechanisms underlying them remain poorly understood and under-explored. The main aim of the present thesis was to explore the common and different mechanisms of spatial and response inhibition. Precisely, the mechanisms of suppression and enhancement during target selection were described during spatial inhibition. The alteration of spatial inhibition processes and the relative preservation of response inhibition abilities in patients with dorsal posterior parietal cortex lesions were also underlined. Finally, the specific contributions of the dorsal posterior parietal cortex for spatial and response inhibition were defined.

Cette thèse examine deux modèles alternatifs de prises de décision motrice à travers des données comportementales humaines et des données électrophysiologiques de singes obtenues lors d'une tâche de décision multi-attributs. Les théories psychologiques classiques suggèrent que la prise de décision soit une fonction de l'exécutif central (EC). En accord avec cela, de nombreuses études ont montré des modulations neuronales concernant les décisions dans le cortex préfrontal (PFC), renforçant la notion que les décisions sont prises à un niveau abstrait dans l'exécutif central du cerveau : le PFC. Cependant, de telles corrélations neuronales se trouvent également dans les régions sensorimotrices, qui étaient traditionnellement considérées externes à l’EC. Cela a conduit à un modèle alternatif de prise de décision dans un EC, impliquant plusieurs zones cérébrales, y compris les zones exécutives et sensorimotrices. Ce second modèle suggère qu'une décision est prise lorsque les compétitions au sein et entre les aires cérébrales arrivent à une résolution, ce qui permet d'atteindre un consensus distribué (CD). L'objectif principal de cette thèse est de tester les prédictions faites par ces deux modèles. Pour ce faire, nous avons conçu une tâche d'atteinte basée sur la valeur d'attributs multiples et créé une situation dans laquelle les deux modèles font des prédictions neuronales distinctes. Dans cette tâche, deux attributs visuels indépendants indiquaient le montant de la récompense associé à chaque cible. L'un était un degré de luminosité, information ascendante (BU pour "bottom-up"), ciblant le réseau de saillance par le biais de la voie visuelle dorsale. L'autre était un indice d'orientation de ligne, information descendante (TD pour "top-down"), ciblant le réseau de catégorisation basé sur la connaissance par le biais de la voie visuelle ventrale. Nous avons effectué des enregistrements dans la région d’atteinte pariétale (PRR) et le cortex pré-moteur dorsal (PMd) du singe, dont les activités neuronales ont été précédemment impliquées comme étant modulées par des attributs BU et TD similaires. Dans la plupart des essais, les deux attributs étaient congruents – tous les deux favorisant la même cible. Cependant, un sous-ensemble d'essais avait des cibles avec la même valeur de récompense totale, mais où les deux attributs étaient en conflit (les caractéristiques BU et TD favorisant des cibles opposées). Le modèle de l'EC prédit que dans ce cas, l’activité neuronale la plus précoce doit apparaître dans une région exécutive et que les régions sensorimotrices doivent recevoir la diffusion de cette décision. Ainsi, ce modèle prédit que la différence du temps de réaction entre le PRR et le PMd sera constante, quelle que soit la manière dont la décision est prise. En revanche, le modèle CD prédit que l’intervalle de décision doit refléter le rôle d'une région dans la décision en cours. Plus précisément, si PRR et PMd font tous deux parties du réseau de décision distribué et jouent un rôle dans l'évaluation des attributs BU et TD, un choix en faveur de l'attribut BU devrait apparaître d'abord dans le PRR et par la suite dans le PMd, tandis qu'un choix en faveur de l'attribut TD devrait apparaître dans l'ordre inverse. Notre étude démontre que le temps de réaction des participants humains était plus rapide dans les essais congruents et lors de l'utilisation de l'information BU par rapport à l'utilisation de l'information TD. La distribution ne reflétait pas linéairement la complexité de l'attribut et semblait plutôt suggérer une intégration incomplète des informations disponibles. Ainsi, le résultat n'était pas entièrement explicable par un modèle d'EC pur. Le temps de réaction des participants était également plus rapide lorsqu'ils choisissaient entre deux options de grande valeur par rapport aux options de faible valeur, ce qui suggère que la loi de Weber ne s'applique pas aux attributs visuels indiquant des informations de valeur. La distribution du temps de réaction de notre premier singe était similaire à celle des participants humains. Sur le plan neuronal, l’intervalle de décision du PMd était presque toujours plus rapide que celle du PRR et le PRR ne précédait jamais le PMd; aussi, la différence de l’intervalle de décision entre ces régions n'était pas constante. Le PMd a montré un biais de base pré-stimulus dans les essais de choix libre, alors que ce n’était pas le cas pour le PRR. La distribution de l’intervalle de décision dans le PMd variait également en fonction des conditions d'essai, tandis que celle du PRR ne distinguait que les cibles uniques des cibles multiples. Une tendance similaire a été observée dans les analyses préliminaires des potentiels de champ locaux (LFP). Enfin, les résultats préliminaires suggèrent des effets plus cohérents de la micro-stimulation dans le PMd que dans le PRR. Nos résultats soutiennent le rôle causal du PMd, mais pas celui du PRR. Nos résultats sont cohérents avec les rapports précédents sur l'activité neuronale liée au choix dans les régions pariétales, car l'activité du PRR reflétait le choix du singe dans notre tâche. Nos résultats sont également cohérents avec d'autres études montrant l'absence de preuves du rôle causal des régions pariétales dans la prise de décision, car l'ordre relatif de l'activité prédictive du choix dans le PRR et le PMd ne variait pas entre les différentes conditions. À la lumière de ces deux modèles, nos résultats suggèrent une troisième alternative, qui inclut potentiellement le PMd en tant que partie du réseau de décision, mais pas le PRR. / This thesis examines two alternative models of action decisions through human behavioural and monkey electrophysiological data obtained during a multi-attribute decision task. Classic psychological theories suggest that decision-making is a function of the Central Executive (CE). In line with this, many studies showed neural correlates of decision variables in the prefrontal cortex (PFC), strengthening the notion that decisions are made at an abstract level in the brain’s central executive: PFC. However, such neural correlates are also found in sensorimotor areas, which were traditionally considered outside the CE. This has led to an alternative model to the decision making in a CE, involving multiple brain areas including both executive and sensorimotor areas. This second model suggests that a decision is made when competitions within and across brain areas come to a resolution, thus a Distributed Consensus (DC) is achieved. The main objective of this thesis is to test the predictions made by these two models. To do so, we designed a multi-attribute value-based reaching task, and created a situation in which the two models made distinct neural predictions. In this task, two independent visual attributes indicated the amount of reward associated with each reach target. One was a “bottom-up” (BU) brightness, targeting the saliency network through the dorsal visual pathway. The other was a “top-down” (TD) line orientation cue, targeting the knowledge-based categorization network through the ventral visual pathway. We recorded from monkey parietal reach region (PRR) and dorsal premotor cortex (PMd), whose activities have previously been implied to be modulated by similar BU and TD attributes. In most trials, the two attributes were congruent – both favoring the same target. However, a subset of trials consisted of a conflict between the two attributes (BU and TD features favoring opposite targets), but the targets had the same total reward values. Here, the CE model predicted that the earliest choice-predictive activity should appear in an executive region, and sensorimotor regions were expected to be receiving this decision broadcast. Thus, the model predicted the latency difference between PRR and PMd to be constant, regardless of how the decision is made. In contrast, the DC model predicted choice latency should reflect a region’s role in the ongoing decision. Specifically, if both PRR and PMd are part of the distributed decision network and play a role in evaluating the BU and TD attributes, a choice in favor of the BU attribute should appear first in PRR and then in PMd, whereas a choice in favor of the TD attribute should appear in the opposite order. We report that human participants’ reaction time (RT) was faster in congruent trials and when using the BU information compared to when using the TD information. The RT distribution did not linearly reflect the attribute complexity, and instead suggested an incomplete integration of available information. Thus, the result was not fully explainable with a pure CE model. Their RT was also faster when choosing between two high-valued options compared to low-valued options, suggesting that Weber-Fechner law does not apply to visual attributes that indicate value. Our first monkey’s RT distribution was similar to that of human participants. Neurally, choice latency of PMd was almost always faster than that of PRR and PRR never preceded PMd, and the latency difference between these regions was not consistent. PMd showed a pre-stimulus baseline bias in free-choice trials, whereas PRR did not. The distribution of choice latency in PMd also varied with trial conditions, whereas that of PRR only discriminated single versus multiple targets. A similar trend was seen in preliminary analyses of local field potentials. Finally, preliminary results suggest more consistent effects of microstimulation in PMd than in PRR. Our results support the causal role of PMd, but do not support that of PRR. This is consistent with previous reports of choice-related neural activity in the parietal regions, as PRR activity did reflect the monkey’s choice in our task. Our results are also consistent with other studies showing the absence of evidence for parietal regions’ causal role in decision-making, as the relative order of choice-predictive activity in PRR and PMd did not vary between different conditions. In light of the two models, our results suggest a third alternative, which potentially includes PMd, but not PRR, as part of the decision network.