Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'adaptation motrice permet d'ajuster la sortie motrice en réponse à des perturbations de l'environnement. Au début de l'adaptation, un processus stratégique conscient appelé recalibration a lieu. Ce processus implique le cervelet et le cortex pariétal postérieur. Il permet de réduire les erreurs motrices en se basant sur le retour sensoriel. Les patients dystoniques ont des altérations du traitement de l'information somatosensorielle. Nous avons fait l'hypothèse que cela devait entrainer des anomalies d'adaptation au cours de la phase de recalibration. En utilisant l'imagerie par résonnance magnétique (IRMf) et la magnétoencéphalographie (MEG), nous avons enregistré l'activité cérébrale chez des patients ayant une crampe de l'écrivain et chez des volontaires sains, alors qu'ils réalisaient une tâche de pointage avec ou sans perturbation visuelle associée. L'étude en IRMf a révélé l'implication d'un réseau cérébello-pariétal postérieur dans la détection des erreurs motrices. Ce réseau était hypoactif chez les patients qui compensaient en recrutant un réseau alternatif plus cognitif mettant en jeu la mémoire visuo-spatiale et la représentation cognitive de la main. La MEG nous a permis d'analyser la dynamique temporelle des activations et de montrer en particulier que la préparation du mouvement est déjà anormale chez les patients; de réaliser une analyse fréquentielle de la communication cérébello-corticale. Cette analyse a révélé un défaut de cohérence dans la bande gamma, entre le cervelet et le cortex moteur et prémoteur ainsi qu'avec le cortex pariétal postérieur. L'ensemble de nos résultats suggère un désordre constitutionnel de ce réseau dans la dystonie. / Dystonia is a movement disorder characterized by prolonged muscle contractions causing involuntary repetitive twisting movements and abnormal postures. Motor adaptation shapes the motor output according to the changes in the environment. At its early stage, motor adaptation involves a strategic conscious process called “recalibration” that minimizes the perturbation and reduces the motor error based on online integration of sensory feedback. Sensorimotor processing is impaired in dystonia and we hypothesized that this may lead to deficits of the “recalibration” phase during motor adaptation. We used magnetoencephalography (MEG) and functional magnetic resonance imagery (fMRI) to record brain activation in patients with writer’s cramp and healthy volunteers using a classical rotation learning task. The fMRI study revealed that the cerebello-parietal network was directly implicated in motor error detection. In writer’s cramp, this network was underactivacted and patients relied more on cognitive networks based on visuospatial memory and cognitive representations of the hand. With MEG, (1) we reconstructed the temporal dynamic of activations in the cerebello-parietal network and demonstrated abnormal movement preparation in writer’s cramp patients; (2) we realized a spectral analysis of the cerebello-parietal communication. This analysis revealed decreased gamma coherence between the cerebellum, and the premotor and motor cortices and with posterior parietal cortex. All of our data suggest an underlying disorder of this network in dystonia.

La pratique physique a longtemps été perçue comme le déterminant premier de l’apprentissage du mouvement. Souvent exprimée par l’expression « Vingt fois sur le métier remettez votre ouvrage», cette idée se base sur l’observation qu’une grande quantité de pratique est nécessaire pour maîtriser un geste technique complexe. Bien que l’importance de la pratique physique pour l’apprentissage du mouvement demeure indéniable, il a récemment été démontré que les changements neurobiologiques qui constituent les bases de la mémoire prennent place après la pratique. Ces changements, regroupés sous le terme « consolidation », sont essentiels à la mise en mémoire des habiletés motrices. L’objectif de cette thèse est de définir les processus de consolidation en identifiant certains facteurs qui influencent la consolidation d’une habileté motrice. À l’aide d’une tâche d’adaptation visuomotrice comportant deux niveaux de difficulté, nous avons démontré qu’une bonne performance doit être atteinte au cours de la séance de pratique pour enclencher certains processus de consolidation. De plus, nos résultats indiquent que l’évaluation subjective que l’apprenant fait de sa propre performance peut moduler la consolidation. Finalement, nous avons démontré que l’apprentissage par observation peut enclencher certains processus de consolidation, indiquant que la consolidation n’est pas exclusive à la pratique physique. Dans l’ensemble, les résultats des études expérimentales présentées dans cette thèse montrent que la consolidation regroupe plusieurs processus distincts jouant chacun un rôle important pour l’apprentissage du mouvement. Les éducateurs physiques, les entraineurs sportifs et les spécialistes de la réadaptation physique devraient donc planifier des entrainements favorisant non seulement l’acquisition de gestes moteurs mais également leur consolidation. / Physical practice has long been regarded as the single most determinant factor of motor skill acquisition. Often expressed by the old adage “practice makes perfect,” this idea easily relates to the common observation that extensive practice is necessary to master complex motor skills. Although the importance of physical practice for motor skill learning is undeniable, recent evidence demonstrates that the neurobiological changes that constitute the foundation of memory occur after physical practice. Regrouped under the term “consolidation”, these changes are essential for the memory storage of motor skills. The objective of this thesis was to identify factors that influence motor skill consolidation. Using a visuomotor adaptation task with two levels of difficulty, we showed that a good performance must be attained during practice to trigger certain consolidation processes. In addition, our results indicate that the learner’s subjective evaluation of his/her own performance can also modulate consolidation. Finally, we showed that observation triggers consolidation processes, indicating that consolidation is not exclusive to physical practice. Together, the results presented in this thesis demonstrate that consolidation regroups several distinct processes that each plays an important role for motor skill learning. Physical education teachers, athletic coaches and rehabilitation specialists should therefore plan training schedules favoring not only motor skill acquisition but also motor skill consolidation.

La pratique physique a longtemps été perçue comme le déterminant premier de l’apprentissage du mouvement. Souvent exprimée par l’expression « Vingt fois sur le métier remettez votre ouvrage», cette idée se base sur l’observation qu’une grande quantité de pratique est nécessaire pour maîtriser un geste technique complexe. Bien que l’importance de la pratique physique pour l’apprentissage du mouvement demeure indéniable, il a récemment été démontré que les changements neurobiologiques qui constituent les bases de la mémoire prennent place après la pratique. Ces changements, regroupés sous le terme « consolidation », sont essentiels à la mise en mémoire des habiletés motrices. L’objectif de cette thèse est de définir les processus de consolidation en identifiant certains facteurs qui influencent la consolidation d’une habileté motrice. À l’aide d’une tâche d’adaptation visuomotrice comportant deux niveaux de difficulté, nous avons démontré qu’une bonne performance doit être atteinte au cours de la séance de pratique pour enclencher certains processus de consolidation. De plus, nos résultats indiquent que l’évaluation subjective que l’apprenant fait de sa propre performance peut moduler la consolidation. Finalement, nous avons démontré que l’apprentissage par observation peut enclencher certains processus de consolidation, indiquant que la consolidation n’est pas exclusive à la pratique physique. Dans l’ensemble, les résultats des études expérimentales présentées dans cette thèse montrent que la consolidation regroupe plusieurs processus distincts jouant chacun un rôle important pour l’apprentissage du mouvement. Les éducateurs physiques, les entraineurs sportifs et les spécialistes de la réadaptation physique devraient donc planifier des entrainements favorisant non seulement l’acquisition de gestes moteurs mais également leur consolidation. / Physical practice has long been regarded as the single most determinant factor of motor skill acquisition. Often expressed by the old adage “practice makes perfect,” this idea easily relates to the common observation that extensive practice is necessary to master complex motor skills. Although the importance of physical practice for motor skill learning is undeniable, recent evidence demonstrates that the neurobiological changes that constitute the foundation of memory occur after physical practice. Regrouped under the term “consolidation”, these changes are essential for the memory storage of motor skills. The objective of this thesis was to identify factors that influence motor skill consolidation. Using a visuomotor adaptation task with two levels of difficulty, we showed that a good performance must be attained during practice to trigger certain consolidation processes. In addition, our results indicate that the learner’s subjective evaluation of his/her own performance can also modulate consolidation. Finally, we showed that observation triggers consolidation processes, indicating that consolidation is not exclusive to physical practice. Together, the results presented in this thesis demonstrate that consolidation regroups several distinct processes that each plays an important role for motor skill learning. Physical education teachers, athletic coaches and rehabilitation specialists should therefore plan training schedules favoring not only motor skill acquisition but also motor skill consolidation.

La mémoire n’est pas un processus unitaire et est souvent divisée en deux catégories majeures: la mémoire déclarative (pour les faits) et procédurale (pour les habitudes et habiletés motrices). Pour perdurer, une trace mnésique doit passer par la consolidation, un processus par lequel elle devient plus robuste et moins susceptible à l’interférence. Le sommeil est connu comme jouant un rôle clé pour permettre le processus de consolidation, particulièrement pour la mémoire déclarative. Depuis plusieurs années cependant, son rôle est aussi reconnu pour la mémoire procédurale. Il est par contre intéressant de noter que ce ne sont pas tous les types de mémoire procédurale qui requiert le sommeil afin d’être consolidée. Entre autres, le sommeil semble nécessaire pour consolider un apprentissage de séquences motrices (s’apparentant à l’apprentissage du piano), mais pas un apprentissage d’adaptation visuomotrice (tel qu’apprendre à rouler à bicyclette). Parallèlement, l’apprentissage à long terme de ces deux types d’habiletés semble également sous-tendu par des circuits neuronaux distincts; c’est-à-dire un réseau cortico-striatal et cortico-cérébelleux respectivement. Toutefois, l’implication de ces réseaux dans le processus de consolidation comme tel demeure incertain. Le but de cette thèse est donc de mieux comprendre le rôle du sommeil, en contrôlant pour le simple passage du temps, dans la consolidation de ces deux types d’apprentissage, à l’aide de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle et d’analyses de connectivité cérébrale. Nos résultats comportementaux supportent l’idée que seul l’apprentissage séquentiel requiert le sommeil pour déclencher le processus de consolidation. Nous suggérons de plus que le putamen est fortement associé à ce processus. En revanche, les performances d’un apprentissage visuomoteur s’améliorent indépendamment du sommeil et sont de plus corrélées à une plus grande activation du cervelet. Finalement, en explorant l’effet du sommeil sur la connectivité cérébrale, nos résultats démontrent qu’en fait, un système cortico-striatal semble être plus intégré suite à la consolidation. C’est-à-dire que l’interaction au sein des régions du système est plus forte lorsque la consolidation a eu lieu, après une nuit de sommeil. En opposition, le simple passage du temps semble nuire à l’intégration de ce réseau cortico-striatal. En somme, nous avons pu élargir les connaissances quant au rôle du sommeil pour la mémoire procédurale, notamment en démontrant que ce ne sont pas tous les types d’apprentissages qui requièrent le sommeil pour amorcer le processus de consolidation. D’ailleurs, nous avons également démontré que cette dissociation de l’effet du sommeil est également reflétée par l’implication de deux réseaux cérébraux distincts. À savoir, un réseau cortico-striatal et un réseau cortico-cérébelleux pour la consolidation respective de l’apprentissage de séquence et d’adaptation visuomotrice. Enfin, nous suggérons que la consolidation durant le sommeil permet de protéger et favoriser une meilleure cohésion au sein du réseau cortico-striatal associé à notre tâche; un phénomène qui, s’il est retrouvé avec d’autres types d’apprentissage, pourrait être considéré comme un nouveau marqueur de la consolidation. / Memory in humans is generally divided into two broad categories: declarative (for facts and events) and procedural (for skills and motor abilities). To persist, memories undergo a process referred to as consolidation, where a fresh, initially labile memory trace becomes more robust and stable. Sleep is known to play an important role in declarative memory consolidation, and in the past decade, there has been increasing evidence for a role of sleep in the consolidation of procedural memory as well. Interestingly, however, the beneficial effects of sleep do not seem to be homogenous. Motor sequence learning consolidation, in particular, has been found to be particularly sensitive to sleep effects, while the consolidation of motor adaptation has not. Moreover, neuroimaging research, has demonstrated that the long term retention of these two types of motor abilities rely on different neuronal networks, namely the cortico-striatal and cortico-cerebellar systems, respectively. Yet the implication of these networks in the consolidation of these two types of motor memory remains unclear. The aim of the present doctoral thesis was thus to determine the influence of sleep, while controlling for the simple passage of daytime, on the consolidation of a motor sequence learning task vs. a motor adaptation task. We further aimed to bring new insights into the underlying brain regions involved in consolidating these two forms of motor skills. Consistent with previous research, we found off-line improvements in performance for motor adaptation learning, independent of whether participants had a night of sleep or remained awake during daytime. Furthermore, these improvements were correlated with activity in the cerebellum. In contrast, we found that off-line increases in performance in motor sequence learning were evident after a night of sleep but not over the day; and the putamen was strongly associated with this sleep-dependent consolidation process. Finally, while measuring brain changes in connectivity associated with the latter process, we observed that sleep-dependent consolidation is reflected by an increased level of integration within the cortico-striatal system, but not in other functional networks. Conversely, the simple passage of daytime in the wake state seems to result in decreased cortico-striatal integration. In sum our results highlight that not all motor memories undergo sleep-dependent consolidation. We demonstrated that these different paths to consolidation are also reflected by distinct underlying neuronal systems, namely a cortico-striatal and cortico-cerebellar network associated with the consolidation of motor sequence and motor adaptation learning respectively. Furthermore, we propose that consolidation of motor sequences during sleep protects and favors cohesion within the cortico-striatal system, a phenomenon that, if replicated in other types of memories, may be considered as a new marker of sleep-dependent consolidation.

La mémoire n’est pas un processus unitaire et est souvent divisée en deux catégories majeures: la mémoire déclarative (pour les faits) et procédurale (pour les habitudes et habiletés motrices). Pour perdurer, une trace mnésique doit passer par la consolidation, un processus par lequel elle devient plus robuste et moins susceptible à l’interférence. Le sommeil est connu comme jouant un rôle clé pour permettre le processus de consolidation, particulièrement pour la mémoire déclarative. Depuis plusieurs années cependant, son rôle est aussi reconnu pour la mémoire procédurale. Il est par contre intéressant de noter que ce ne sont pas tous les types de mémoire procédurale qui requiert le sommeil afin d’être consolidée. Entre autres, le sommeil semble nécessaire pour consolider un apprentissage de séquences motrices (s’apparentant à l’apprentissage du piano), mais pas un apprentissage d’adaptation visuomotrice (tel qu’apprendre à rouler à bicyclette). Parallèlement, l’apprentissage à long terme de ces deux types d’habiletés semble également sous-tendu par des circuits neuronaux distincts; c’est-à-dire un réseau cortico-striatal et cortico-cérébelleux respectivement. Toutefois, l’implication de ces réseaux dans le processus de consolidation comme tel demeure incertain. Le but de cette thèse est donc de mieux comprendre le rôle du sommeil, en contrôlant pour le simple passage du temps, dans la consolidation de ces deux types d’apprentissage, à l’aide de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle et d’analyses de connectivité cérébrale. Nos résultats comportementaux supportent l’idée que seul l’apprentissage séquentiel requiert le sommeil pour déclencher le processus de consolidation. Nous suggérons de plus que le putamen est fortement associé à ce processus. En revanche, les performances d’un apprentissage visuomoteur s’améliorent indépendamment du sommeil et sont de plus corrélées à une plus grande activation du cervelet. Finalement, en explorant l’effet du sommeil sur la connectivité cérébrale, nos résultats démontrent qu’en fait, un système cortico-striatal semble être plus intégré suite à la consolidation. C’est-à-dire que l’interaction au sein des régions du système est plus forte lorsque la consolidation a eu lieu, après une nuit de sommeil. En opposition, le simple passage du temps semble nuire à l’intégration de ce réseau cortico-striatal. En somme, nous avons pu élargir les connaissances quant au rôle du sommeil pour la mémoire procédurale, notamment en démontrant que ce ne sont pas tous les types d’apprentissages qui requièrent le sommeil pour amorcer le processus de consolidation. D’ailleurs, nous avons également démontré que cette dissociation de l’effet du sommeil est également reflétée par l’implication de deux réseaux cérébraux distincts. À savoir, un réseau cortico-striatal et un réseau cortico-cérébelleux pour la consolidation respective de l’apprentissage de séquence et d’adaptation visuomotrice. Enfin, nous suggérons que la consolidation durant le sommeil permet de protéger et favoriser une meilleure cohésion au sein du réseau cortico-striatal associé à notre tâche; un phénomène qui, s’il est retrouvé avec d’autres types d’apprentissage, pourrait être considéré comme un nouveau marqueur de la consolidation. / Memory in humans is generally divided into two broad categories: declarative (for facts and events) and procedural (for skills and motor abilities). To persist, memories undergo a process referred to as consolidation, where a fresh, initially labile memory trace becomes more robust and stable. Sleep is known to play an important role in declarative memory consolidation, and in the past decade, there has been increasing evidence for a role of sleep in the consolidation of procedural memory as well. Interestingly, however, the beneficial effects of sleep do not seem to be homogenous. Motor sequence learning consolidation, in particular, has been found to be particularly sensitive to sleep effects, while the consolidation of motor adaptation has not. Moreover, neuroimaging research, has demonstrated that the long term retention of these two types of motor abilities rely on different neuronal networks, namely the cortico-striatal and cortico-cerebellar systems, respectively. Yet the implication of these networks in the consolidation of these two types of motor memory remains unclear. The aim of the present doctoral thesis was thus to determine the influence of sleep, while controlling for the simple passage of daytime, on the consolidation of a motor sequence learning task vs. a motor adaptation task. We further aimed to bring new insights into the underlying brain regions involved in consolidating these two forms of motor skills. Consistent with previous research, we found off-line improvements in performance for motor adaptation learning, independent of whether participants had a night of sleep or remained awake during daytime. Furthermore, these improvements were correlated with activity in the cerebellum. In contrast, we found that off-line increases in performance in motor sequence learning were evident after a night of sleep but not over the day; and the putamen was strongly associated with this sleep-dependent consolidation process. Finally, while measuring brain changes in connectivity associated with the latter process, we observed that sleep-dependent consolidation is reflected by an increased level of integration within the cortico-striatal system, but not in other functional networks. Conversely, the simple passage of daytime in the wake state seems to result in decreased cortico-striatal integration. In sum our results highlight that not all motor memories undergo sleep-dependent consolidation. We demonstrated that these different paths to consolidation are also reflected by distinct underlying neuronal systems, namely a cortico-striatal and cortico-cerebellar network associated with the consolidation of motor sequence and motor adaptation learning respectively. Furthermore, we propose that consolidation of motor sequences during sleep protects and favors cohesion within the cortico-striatal system, a phenomenon that, if replicated in other types of memories, may be considered as a new marker of sleep-dependent consolidation.

Jusqu’à 93% des musiciens sont affectés par des troubles musculo-squelettiques liés à la pratique instrumentale, dont particulièrement les violonistes qui combinent les facteurs de risque principaux : une posture asymétrique et contraignante, le maintien d’une charge (le violon et le membre supérieur gauche) dans une position quasi-statique, la répétition de mouvements à haute vitesse et la pression des doigts (sur le manche de l’instrument), tous entrainant l’accumulation de fatigue musculaire. Il est crucial d’aménager leur environnement de travail afin de réduire l’accumulation de la fatigue. Les dispositifs d’assistance au mouvement sont utilisés dans le milieu industriel pour réduire les activations musculaires et potentiellement ralentir le développement de la fatigue musculaire. La modification de la dynamique de l’environnement des violonistes via l’application d’une force antigravitationnelle nécessaire au maintien du membre supérieur gauche et de l’instrument pourrait cependant perturber leurs mouvements et affecter leur performance musicale. L’objectif de ce projet de maîtrise est donc d’évaluer l’adaptation motrice à un dispositif d’assistance au mouvement en comparant (O1) la cinématique et (O2) l’électromyographie des membres supérieurs et du cou ainsi que (O3) la performance musicale avec et sans assistance. Quinze violonistes issus d’orchestres professionnels et de programmes de cycles supérieurs en interprétation musicale ont été recrutés. Les participants ont été équipés de 61 marqueurs réfléchissants et de 11 capteurs électromyographiques pour enregistrer leurs mouvements et activations musculaires. Afin de quantifier l’adaptation motrice, les violonistes ont répété une séquence musicale de 13 secondes sans (contrôle), avec (adaptation), et sans (post-adaptation) assistance par un dispositif passif (Kinova O110, Boisbriand, QC, Canada) exerçant une force antigravitationnelle au niveau du coude gauche. Les conditions ont été répétées une semaine plus tard pour évaluer la réadaptation. Neuf à douze mois plus tard, les participants ont écouté des enregistrements audio de leur performance avec et sans assistance et ont évalué leur performance musicale en aveugle. Des modèles linéaires mixtes ont été utilisés afin de comparer la cinématique, l’électromyographie et la performance musicale des conditions avec et sans assistance. L’augmentation de l’erreur angulaire de tous les degrés de liberté du membre supérieur gauche suggère que l’utilisation d’un dispositif d’assistance au mouvement a perturbé la cinématique des violonistes. L’adaptation très sélective de la cinématique articulaire observée au cours de la condition d’adaptation était probablement due à l’absence d’erreur de prédiction de la performance musicale nécessaire pour guider l’adaptation motrice. En effet, la comparaison de la performance musicale avec et sans dispositif n’a montré aucune différence significative, indiquant que les violonistes experts peuvent maintenir un haut niveau de performance malgré la modification de leur patron moteur. En outre, la similarité des angles articulaires et des activations musculaires entre les conditions avec et sans dispositif est restée forte. Enfin, la réduction des activations du deltoïde médian et du trapèze supérieur gauches avec l’assistance est prometteuse quant à l’utilisation des dispositifs pour limiter l’accumulation de fatigue musculaire et réduire la prévalence des troubles musculo-squelettiques liés à la pratique du violon. / Up to 93% of musicians are affected by playing-related musculoskeletal disorders, and particularly violinists who combine the major factors leading to these disorders: an asymmetrical and constrained posture, quasi-static weight (violin and left upper-limb) holding, quick repetitive movements, and finger pressure (onto the instrument’s neck), all leading to muscle fatigue accumulation. It is crucial to adjust violinists’ working environments to prevent muscle fatigue accumulation. Dynamic assistive support (DAS) is used in industrial settings to reduce muscle activations and thus potentially slow down fatigue development. Modifying violinists’ environmental dynamics by introducing the anti-gravitational force needed to support their left upper-limbs and instruments may perturb their movements and impair musical performance. The objective of this Masters’ project is thus to investigate motor adaptation to DAS by comparing upper-limb and neck (O1) kinematics, (O2) electromyography, and (O3) musical performance with and without DAS. Fifteen violinists were recruited from professional orchestras and graduate programs in music performance. Participants were equipped with 61 reflective markers and 11 electromyography electrodes to record kinematics and muscle activity, respectively. To quantify motor adaptation, violinists played a looped 13-second excerpt without (control), with (adaptation), and without (washout) DAS provided by a passive device (Kinova O110, Boisbriand, QC, Canada) applying an anti-gravitational force at the left elbow. All conditions were repeated one week later to test for potential savings. Nine to twelve months later, participants listened to their own audio recordings playing with and without DAS and blindly assessed their performances. Linear mixed models were used to compare DAS and no-DAS conditions’ kinematic, electromyography and musical performance data. The increase in angular error for all left degrees of freedom suggests that DAS perturbed violinists’ kinematics. The highly selective kinematic adaptation observed during the adaptation condition might have been due to the absence of auditory feedback prediction errors needed to drive motor adaptation. Indeed, musical performance with and without DAS showed no significant difference, indicating that expert violinists can maintain a high level of performance despite changes in motor output. Additionally, similarity of joint angles and muscle activities between DAS and no-DAS conditions remained strong. Finally, reduced activations of left medial deltoid and superior trapezius in assisted conditions make DAS a promising tool to limit violinists’ muscle fatigue accumulation and prevent playing-related musculoskeletal disorders.