My thesis focuses on describing novel functional connectivity properties of the sensorimotor system that are of potential interest in the field of brain-machine interface. In particular, I have investigated how the connectivity changes as a consequence of either pathologic conditions or spontaneous fluctuations of the brain's internal state. An ad-hoc electronic device has been developed to implement the appropriate experimental settings. First, the functional communication among sensorimotor primary nodes was investigated in multiple sclerosis patients afflicted by persistent fatigue. I selected this condition, for which there is no effective pharmacological treatment, since existing literature links this type of fatigue to the motor control system. In this study, electroencephalographic (EEG) and electromyographic (EMG) traces were acquired together with the pressure exerted on a bulb during an isometric hand grip. The results showed a higher frequency connection between central and peripheral nervous systems (CMC) and an overcorrection of the exerted movement in fatigued multiple sclerosis patients. In fact, even though any fatigue-dependent brain and muscular oscillatory activity alterations were absent, their connectivity worked at higher frequencies as fatigue increased, explaining 67% of the fatigue scale (MFIS) variance (p=.002). In other terms, the functional communication within the central-peripheral nervous systems, namely involving primary sensorimotor areas, was sensitive to tiny alterations in neural connectivity leading to fatigue, well before the appearance of impairments in single nodes of the network. The second study was about connectivity intended as propagation of information and studied in dependence on spontaneous fluctuations of the sensorimotor system triggered by an external stimulus. Knowledge of the propagation mechanisms and of their changes is essential to extract significant information from single trials. The EEG traces were acquired during transcranial magnetic stimulation (TMS) to yield to a deeper knowledge about the response to an external stimulation while the cortico-spinal system passes through different states. The results showed that spontaneous increases of the excitation of the node originating the transmission within the hand control network gave rise to dynamic recruitment patterns with opposite behaviors, weaker in homotopic and parietal circuits, stronger in frontal ones. As probed by TMS, this behavior indicates that the effective connectivity within bilateral circuits orchestrating hand control are dynamically modulated in time even in resting state. The third investigation assessed the plastic changes in the sensorimotor system after stroke induced by 3 months of robotic rehabilitation in chronic phase. A functional source extraction procedure was applied on the acquired EEG data, enabling the investigation of the functional connectivity between homologous areas in the resting state. The most significant result was that the clinical ameliorations were associated to a ‘normalization’ of the functional connectivity between homologous areas. In fact, the brain connectivity did not necessarily increase or decrease, but it settled within a ‘physiological’ range of connectivity. These studies strengthen our knowledge about the behavioral role of the functional connectivity among neuronal networks’ nodes, which will be essential in future developments of enhanced rehabilitative interventions, including brain-machine interfaces. The presented research also moves the definition of new indices of clinical state evaluation relevant for compensating interventions, a step forward.

The focus of this thesis is how the body and its corporeal articulations can be used as a tool for composing for contemporary dance, with the aim of creating music with corporeal qualities that communicates on a physical level. For this purpose the author has collaborated with choreographers in a practice-based approach to examine how the body of the composer can be exploited in composition and performance, and how the voice can be exploited as a mediator between body movement and music. The body and its sensorimotor system is the foundation for our understanding of abstract concepts in music; the immaterial movement of music can serve as a foundation for a deep bodily-sensed understanding of complex concepts. By reversing this process of understanding, or rather by engaging in the action-perception loop of conceptual understanding, this understanding can help encapsulating abstract and complex concepts artistically in music. For this purpose the Feedback Instrument has been created, representing a direct way of engaging the sensorimotor system of the composer, where the intuitive body resonances are engaged in close connection with the sounding music.

The human shoulder complex relies on the sensorimotor system to maintain stability. The sensorimotor system includes sensory feedback, control of the central nervous system and motor output. Exercise is considered an important part of shoulder rehabilitation and sports training to help improve control of the sensorimotor system. However, few studies have investigated the effect of exercise on the sensorimotor system. The first study of this dissertation explored the central control of the deltoid and rotator cuff (infraspinatus). Although both the deltoid and infraspinatus contribute to shoulder abduction, the results from this study showed that the modulation of their corticospinal excitability was affected differently by elevation angle. This could be explained by the fact that they play different roles at the shoulder: the deltoid is a prime mover while the infraspinatus is a stabilizer. The second study of this dissertation investigated scapular proprioception, which has not been assessed in previous studies. The findings of this study demonstrated that joint position sense errors of the overall shoulder joint mainly came from the glenohumeral joint. Scapular proprioception may need to be tested separately in addition to overall shoulder proprioception. In the third study, the effect of the exercise on shoulder sensorimotor system was investigated by measuring shoulder kinematics, shoulder joint position sense and cortical excitability before and after a four-week exercise training program. This protocol included strengthening and neuromuscular exercises targeting rotator cuff and scapular muscles. After the training protocol, although strength increased overall, the only observed sensorimotor adaptations were a decrease in upper trapezius activation and a decrease in the corticospinal excitability of the supraspinatus. There were no changes in other key parameters. Exercises focusing on specific muscles, combined with low-intensity closed-chain exercises, were not found to improve shoulder joint position sense or scapular kinematics. Combined with the findings of the decrease in corticospinal excitability of the supraspinatus and no change in muscle activity of the rotator cuff, it appears that while the exercises increased rotator cuff strength, these gains did not transfer to an increase in muscle activation during motion. This dissertation includes previously published co-authored material.

Notre système sensorimoteur a développé une relation particulière entre nos actions et le retour sonore qui en découle. Les systèmes de captation gestuelle et les technologies audio permettent de manipuler ce retour sonore par la sonification interactive du mouvement. Nous explorons dans divers cadres expérimentaux la contribution de la sonification à l'apprentissage moteur dans les systèmes interactifs. Tout d'abord, nous montrons que le système auditif intègre des indices acoustiques issus du mouvement pour le contrôle moteur. Des représentations de l'espace émergent de ces indices et sont transformées en commandes motrices. Le cas d'un objet virtuel sonore nous apprend que ces représentations audiomotrices influencent les stratégies d'exploration et permettent des cas de substitution sensorielle par le son. Ensuite, nous mesurons qu'un retour sonore continu permet d'améliorer significativement la performance à une tâche de poursuite. La sonification de l'erreur et des paramètres de la tâche aident à la performance mais montrent des effets différents sur l'apprentissage. Nous observons également que la sonification du mouvement de l'utilisateur augmente l'énergie contenue dans le geste et prévient la dépendance au retour sonore. Enfin, nous présentons le concept de tâche sonore dans lequel la cible est présentée et s'exprime sous forme de paramètres sonores à reproduire. Les résultats montrent qu'une adaptation motrice peut être provoquée par des indices acoustiques seuls. Ce travail permet de dégager des principes importants du design de l'interaction geste-son, et présente des applications originales comme des scénarios interactifs pour la rééducation. / Our sensorimotor system has developed a specific relationship between our actions and their sonic outcomes, which it interprets as auditory feedback. The development of motion sensing and audio technologies allows emphasizing this relationship through interactive sonification of movement. We propose several experimental frameworks (visual, non-visual, tangible, virtual) to assess the contribution of sonification to sensorimotor control and learning in interactive systems. First, we show that the auditory system integrates dynamic auditory cues for online motor control, either from head or hand movements. Auditory representations of space and of the scene can be built from audio features and transformed into motor commands. The framework of a virtual sonic object illustrates that auditory-motor representations can shape exploratory movement features and allow for sensory substitution. Second, we measure that continuous auditory feedback in a tracking task helps significantly the performance. Both error and task sonification can help performance but have different effects on learning. We also observe that sonification of user’s movement can increase the energy of produced motion and prevent feedback dependency. Finally, we present the concept of sound-oriented task, where the target is expressed as acoustic features to match. We show that motor adaptation can be driven by interactive audio cues only. In this work, we highlight important guidelines for sonification design in auditory-motor coupling research, as well as applications through original setups we developed, like perceptual and physical training, and playful gesture-sound interactive scenarios for rehabilitation.

Previous research has established that observing another in pain activates both affective and sensorimotor cortical activity that is also present during the first-hand experience of pain. Some researchers have taken this “mirroring” response as indicative of empathic processing. However, very little work has explored the downstream behavioral effects of empathic pain observation. The aim of this dissertation is to begin to fill this gap in the literature by exploring the relationship between empathic pain observation, overt motor behaviours, and sensorimotor activity. In chapters 2-4, I provide robust evidence that observing pain inflicted on another person leads to faster reaction time responses. This effect is shown to be temporally extended (by at least 500ms after pain observation), effector-general (affecting both finger and foot responses), influenced by top-down (i.e., instructions to explicitly empathize) but not bottom-up (i.e., the perceived level of pain) factors, and is not influenced by adaptive (approach/withdraw) behaviours. In chapter 5, I show that sensorimotor activity, measured via TMS-induced Motor Evoked Potentials, increases while observing another in pain regardless whether the observer is preparing to make an action vs. passively observing the stimuli. These results run counter to the literature, and I provide several explanations for why these results were found. Lastly, in chapter 6, I show that sensorimotor activity, measured via Mu and Beta suppression, also increases while observing another in pain regardless whether the observer is preparing to make an action vs. passively observing the stimuli. Interestingly, I do not find significant correlations between sensorimotor activity during pain observation and faster reaction times after pain observation. I embed these findings in relation to the wider social neuroscience of empathy literature and discuss several limitations and challenges in empirically measuring “empathy” as a psychological construct. Overall, this dissertation furthers our understanding of empathy for pain by highlighting the behavioural consequences of pain observation and its connection (or rather, lack thereof) to sensorimotor activity during pain observation. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Past research suggests that overlapping brain activity during the first-hand experience of pain and pain observation may be indicative of empathy. However, very little work has been done to explore how pain observation influences overt behaviours. This thesis investigates this issue by having participants complete a reaction time task while watching videos of needles stabbing a person’s hand. The findings reported in this thesis suggests that observing another in pain facilitates motor behaviours (i.e., faster reaction times); this facilitation extends 500ms after pain observation, affects both the hand and feet, is accentuated by instructing participants to explicitly empathize, and is not influenced by approach vs. withdraw movements. Brain activity in the motor system was also found to increase during pain observation. Overall, this thesis begins the discussion of how empathic pain observation influences explicit motor behaviours, and how such behaviours may be related to brain activity.

Einleitung: Tiermodelle spielen für die Aufklärung pathophysiologischer Mechanismen und die Entwicklung erfolgsversprechender Therapieoptionen zentralnervöser Bewegungsstörungen eine unverzichtbare Rolle. Die Identifizierung von Gendefekten für die Parkinson-Krankheit und Dystonien ermöglichte die Generierung von Tiermodellen mit einer hohen „construct validity“. Weibliche transgene Thy1-aSyn Mäuse sowie DYT1 Knock-in (KI) Mäuse zeigen jedoch keine motorischen Störungen. In der vorliegenden Arbeit sollten zur Aufdeckung sensomotorischer Beeinträchtigungen, die bei Parkinson- und Dystoniepatienten beobachtet werden, detaillierte Untersuchungen des Verhaltens an diesen beiden Mausmodellen durchgeführt werden. Zielstellung: Zunächst sollte ein sensitiver Verhaltenstest konstruiert und entwickelt werden, bei dem sich ändernde sensorische Stimuli während der Ausübung der motorischen Aufgabe impliziert werden. Bei der Etablierung dieses sogenannten „adaptiven rotierenden Balkentests“ (ARB-Test) sollte auch der Einfluss des genetischen Hintergrunds bei Wildtyp-Mäusen evaluiert werden. Daraufhin sollte überprüft werden, ob dieser Test den Endophänotyp der weiblichen Thy1-aSyn Mäuse aufdecken kann. In dem DYT1 KI Mausmodell sollte der Frage nachgegangen werden, ob die Tiere Verhaltensdefizite in spezifischen Tests zeigen, die sensomotorische Verschaltungen untersuchen. Material und Methoden: Die mRNA-Expression von α-Synuclein in der Substantia nigra bei männlichen und weiblichen Thy1-aSyn Mäusen wurde mithilfe der quantitativen Echtzeit-PCR (qPCR) ermittelt. Im Anschluss an die Entwicklung des neuen Verhaltensapparates für den ARB-Test wurden Thy1-aSyn Tiere beider Geschlechter in diesem Versuch getestet und ihre Leistung den Ergebnissen auf etablierten motorischen Verhaltenstests („challenging beam test“, „pole test“) gegenübergestellt. Um den Einfluss des Hintergrundstammes auf das Verhalten der Tiere auf dem ARB-Test zu untersuchen, wurden Wildtypen der reinen C57BL/6J-Linie sowie Hybrid-Tiere des Stammes C57Bl/6J × DBA2 (BDF1) allen drei o. g. Versuchen unterzogen. Bei den Mäusen des DYT1 KI Modells wurde der „adhesive removal test“ und der ARB-Test zur Analyse der Sensomotorik durchgeführt. Im Vergleich dazu wurden vielfältige Verhaltensparameter in einer Reihe vorwiegend motorischer (Offenfeld-Test, „challenging beam test“, „pole test“, Zylinder-Test, Block-Test, Nestbau-Test) und kognitiver („y-maze test“) Verhaltenstests ausgewertet. Ergebnisse: Bei den weiblichen Thy1-aSyn Mäusen wurde eine geringere Expression des Transgens im Vergleich zu den männlichen Tieren festgestellt. Der neue ARB-Test wurde erfolgreich etabliert und konnte signifikante Verhaltensdefizite der weiblichen und männlichen Mutanten des Parkinson-Modells im Vergleich zu den Kontrolltieren aufdecken. Der genetische Hintergrund beeinflusste die Leistung der Wildtypen auf diesem Balkentest. Während die DYT1 KI Tiere in den rein motorischen und kognitiven Versuchen keine Beeinträchtigungen des Verhaltens zeigten, konnten der „adhesive removal test“ sowie der neue ARB-Test signifikante sensomotorische Defizite der KI Mäuse im Unterschied zu den Wildtypen zum Vorschein bringen. Schlussfolgerung: Im Thy1-aSyn Mausmodell konnte die Bedeutung der sensomotorischen Integration für die Ausprägung motorischer Defizite sowie für eine mögliche Kompensation solcher motorischen Beeinträchtigungen demonstriert werden. Hierfür hat sich der neu entwickelte, sensitive ARB-Test als geeignet herausgestellt. Die Aufdeckung von Beeinträchtigungen der Sensomotorik spricht auch bei den DYT1 KI Tieren für den Einfluss einer gestörten sensomotorischen Integration bei der Ausprägung der Symptomatik. Damit eignet sich dieses Mausmodell für die Untersuchung weiterer Parameter, die Auswirkungen auf die Aufdeckung des Phänotyps und die Penetranz der Erkrankung haben sowie um die zugrunde liegenden pathophysiologischen Mechanismen zu erforschen.

Einleitung: Tiermodelle spielen für die Aufklärung pathophysiologischer Mechanismen und die Entwicklung erfolgsversprechender Therapieoptionen zentralnervöser Bewegungsstörungen eine unverzichtbare Rolle. Die Identifizierung von Gendefekten für die Parkinson-Krankheit und Dystonien ermöglichte die Generierung von Tiermodellen mit einer hohen „construct validity“. Weibliche transgene Thy1-aSyn Mäuse sowie DYT1 Knock-in (KI) Mäuse zeigen jedoch keine motorischen Störungen. In der vorliegenden Arbeit sollten zur Aufdeckung sensomotorischer Beeinträchtigungen, die bei Parkinson- und Dystoniepatienten beobachtet werden, detaillierte Untersuchungen des Verhaltens an diesen beiden Mausmodellen durchgeführt werden. Zielstellung: Zunächst sollte ein sensitiver Verhaltenstest konstruiert und entwickelt werden, bei dem sich ändernde sensorische Stimuli während der Ausübung der motorischen Aufgabe impliziert werden. Bei der Etablierung dieses sogenannten „adaptiven rotierenden Balkentests“ (ARB-Test) sollte auch der Einfluss des genetischen Hintergrunds bei Wildtyp-Mäusen evaluiert werden. Daraufhin sollte überprüft werden, ob dieser Test den Endophänotyp der weiblichen Thy1-aSyn Mäuse aufdecken kann. In dem DYT1 KI Mausmodell sollte der Frage nachgegangen werden, ob die Tiere Verhaltensdefizite in spezifischen Tests zeigen, die sensomotorische Verschaltungen untersuchen. Material und Methoden: Die mRNA-Expression von α-Synuclein in der Substantia nigra bei männlichen und weiblichen Thy1-aSyn Mäusen wurde mithilfe der quantitativen Echtzeit-PCR (qPCR) ermittelt. Im Anschluss an die Entwicklung des neuen Verhaltensapparates für den ARB-Test wurden Thy1-aSyn Tiere beider Geschlechter in diesem Versuch getestet und ihre Leistung den Ergebnissen auf etablierten motorischen Verhaltenstests („challenging beam test“, „pole test“) gegenübergestellt. Um den Einfluss des Hintergrundstammes auf das Verhalten der Tiere auf dem ARB-Test zu untersuchen, wurden Wildtypen der reinen C57BL/6J-Linie sowie Hybrid-Tiere des Stammes C57Bl/6J × DBA2 (BDF1) allen drei o. g. Versuchen unterzogen. Bei den Mäusen des DYT1 KI Modells wurde der „adhesive removal test“ und der ARB-Test zur Analyse der Sensomotorik durchgeführt. Im Vergleich dazu wurden vielfältige Verhaltensparameter in einer Reihe vorwiegend motorischer (Offenfeld-Test, „challenging beam test“, „pole test“, Zylinder-Test, Block-Test, Nestbau-Test) und kognitiver („y-maze test“) Verhaltenstests ausgewertet. Ergebnisse: Bei den weiblichen Thy1-aSyn Mäusen wurde eine geringere Expression des Transgens im Vergleich zu den männlichen Tieren festgestellt. Der neue ARB-Test wurde erfolgreich etabliert und konnte signifikante Verhaltensdefizite der weiblichen und männlichen Mutanten des Parkinson-Modells im Vergleich zu den Kontrolltieren aufdecken. Der genetische Hintergrund beeinflusste die Leistung der Wildtypen auf diesem Balkentest. Während die DYT1 KI Tiere in den rein motorischen und kognitiven Versuchen keine Beeinträchtigungen des Verhaltens zeigten, konnten der „adhesive removal test“ sowie der neue ARB-Test signifikante sensomotorische Defizite der KI Mäuse im Unterschied zu den Wildtypen zum Vorschein bringen. Schlussfolgerung: Im Thy1-aSyn Mausmodell konnte die Bedeutung der sensomotorischen Integration für die Ausprägung motorischer Defizite sowie für eine mögliche Kompensation solcher motorischen Beeinträchtigungen demonstriert werden. Hierfür hat sich der neu entwickelte, sensitive ARB-Test als geeignet herausgestellt. Die Aufdeckung von Beeinträchtigungen der Sensomotorik spricht auch bei den DYT1 KI Tieren für den Einfluss einer gestörten sensomotorischen Integration bei der Ausprägung der Symptomatik. Damit eignet sich dieses Mausmodell für die Untersuchung weiterer Parameter, die Auswirkungen auf die Aufdeckung des Phänotyps und die Penetranz der Erkrankung haben sowie um die zugrunde liegenden pathophysiologischen Mechanismen zu erforschen.

I malé změny v Gramatický a lexikální aspekt jsou dva příklady kategorií, které se na této mentální reprezentaci podílí. Pomocí těchto kategorií vytváříme mentální koncepty, pomocí opujeme naše prožívání místa a času. Tato studie zkoumá interakci lexikálního a gramatického vidu a jak se tato interakce odráží na charakteru očních pohybů u mluvčích nizozemštiny. Bylo užito 04). Byly měřeny oční pohyby 20 rodilých mluvčí nizozemštiny, během toho, co sledovali bílou obrazovku bez jakýchkoliv explicitních obrazových stimulů a poslouchali věty vytvořené s ohledem na různé kombinace lexikálního a gramatického vidu. Užité paradigma simuluje případy z běžného života, kdy lidé pasivně poslouchají mluvenou řeč bez doprovodné vizuální složky. Tato studie nabízí důkazy, že gramatický a lexikální aspekt ovlivňují celou řadu očních pohybů. Tato práce je hodnotným rozšířením naší znalosti o psycholingvistické realitě vidu v nizozemštině, tomto ohledu věnována dostatečná pozornost. Výsledky tohoto výzkumu vnáší nové světlo do probíhající diskuse o tom, zda i tak abstraktní ává měřitelné stopy v našem senzomotorickém systému, a zda je schopný ho ovlivňovat. Navíc tato studie otevírá dveře dalšímu výzkumu zaměřenému na spojení mezi jazykem a mozkovými drahami, které se podílí na zpracování vjemových stimulů. klíčová slova:...