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

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Lorsque le système nerveux central est exposé à une nouvelle association visuoproprioceptive, l’adaptation de la carte visuomotrice est nécessaire afin d’exécuter des mouvements précis. L’efficacité de ces processus adaptatifs correspond aussi à la capacité à les transférer dans des contextes différents de l’apprentissage de cette nouvelle association, par exemple dans de nouvelles régions de l’espace extrapersonnel (généralisation spatiale). Comme le contexte exerce une influence considérable sur les processus adaptatifs, les composantes multidimensionnelles de la tâche et de la perturbation pourraient constituer des éléments affectant considérablement l’adaptation et la généralisation spatiale. Ce mémoire présente une étude exploratoire de l’adaptation à une perturbation triaxiale, introduite graduellement, réalisée dans un environnement virtuel tridimensionnel et sa généralisation spatiale. Nos résultats suggèrent que les trois axes de l’espace présentent des différences importantes quant aux processus adaptatifs qui les sous-tendent. L’axe vertical présente à la fois une plus grande variabilité et de plus grandes erreurs spatiales au cours de l’adaptation comparativement à l’axe sagittal et à l’axe horizontal, tandis que l’axe sagittal présente une plus grande variabilité que l’axe horizontal. Ces différences persistent lors de l’effet consécutif, l’axe vertical affichant une désadaptation importante. Le test de généralisation spatiale montre une généralisation à l’ensemble des cibles, cependant, la généralisation semble plus faible le long de l’axe vertical. Ces résultats suggèrent que l’adaptation à une translation tridimensionnelle se généralise à travers l’espace le long des trois axes de l’espace et renforcent l’idée que le système nerveux central utilise une stratégie de décomposition modulaire des composantes de l’espace tridimensionnel. / We explored visuomotor adaptation and spatial generalization in the context of three-dimensional reaching movements performed in a virtual reality environment using a learning paradigm composed of four phases: pre-exposure, baseline, learning, and post-exposure (aftereffect and generalization). Subjects started by performing five reaching movements to six 3D memorized target locations without visual feedback (pre-exposure). Next, subjects performed twelve reaching movements to the learning target with veridical visual feedback (baseline). Immediately after, the 3D visuomotor dissociation (horizontal, vertical and sagittal translations) between actual hand motions and visual feedback of hand motions in the 3D virtual environment was gradually introduced (learning phase). Finally, subjects aimed at the pre-exposure and baseline targets without visual feedback (post-exposure). Although subjects were unaware of the visuomotor perturbation, they showed movement adaptation for each component of the triaxial perturbation, but they displayed reduced adaptation rate along the vertical axis. Subjects persisted in applying the new visuomotor association when the perturbation was removed, but the magnitude of this post-exposure shift was lower along the vertical axis. Similar trends were observed for movement aimed at pre-exposure targets. Furthermore, these post-exposure shifts were, on average, greater along the horizontal and sagittal axes relative to the vertical axis. These results suggest that the visuomotor map may be more adaptable to shifts in the horizontal and sagittal directions, than to shifts in the vertical direction. This finding supports the idea that the brain may employ a modular decomposition strategy during learning to simplify complex multidimensional visuomotor tasks.

La capacité de coordonner efficacement nos yeux avec nos mains est déterminante pour le succès de nos actions quotidiennes. En outre la capacité de prédire les conséquences sensorielles de nos propres actions est cruciale pour nos habilités motrices. Dans ce travail, à l’aide d’une tâche dans laquelle les participants doivent suivre avec leurs yeux une cible visuelle bougée par leur main, nous nous intéressons aux mécanismes prédictifs sous-tendant la coordination œil-main. Dans une première étude utilisant un protocole d’adaptation à une rotation visuomotrice, nous montrons que ces mécanismes prédictifs peuvent être mis à jour indépendamment de notre capacité à effectuer des mouvements précis de la main. Dans l’étude suivante nous cherchons à déterminer l’effet de la préférence manuelle, et montrons que malgré des différences évidentes en termes de précision concernant le contrôle manuel, la capacité d’anticiper les conséquences visuelles de nos actions reste identique que la cible soit bougée par la main droite ou gauche. Enfin, grâce à la stimulation magnétique transcranienne, nous testons l'hypothèse selon laquelle ces mécanismes prédictifs utilisent des signaux efférents de la main issus du cortex moteur primaire (M1). Nos résultats montrent que si cette contribution existe, elle doit se faire nécessairement en amont de M1. Au bout du compte nous proposons que la coordination œil-main soit sous-tendue par des mécanismes prédictifs similaires pour nos deux mains, situés vraisemblablement en amont de M1, et pouvant être mis à jour indépendamment du contrôle de la main. / The ability to coordinate efficiently eye and hand actions is central for humans in everyday activities. Furthermore it is argued that the ability to predict the sensory consequences of self-initiated movements is crucial for skilled motor behavior. Here by means of a task in which participants were asked to track with the eyes a visual target that was moved by their hand, we investigated the predictive mechanisms underlying eye-hand coordination. In a first study, using a protocol in which participants had to adapt to rotated hand visual feedback, we show that these predictive mechanisms can be updated independently of the ability to perform accurate hand movements. In a follow up study we tested the effect of hand dominance, and showed that, despite obvious differences in the accuracy of hand movement control, the ability to predict visual consequences of right and left hand actions was similar. Finally, by means of transcranial magnetic stimulation, we tested the hypothesis that those predictive mechanisms rely on hand efferent signals from the primary motor cortex (M1). However our results failed to support this view, and instead suggest that if such a contribution exists, it must be upstream of M1. Overall, we propose that eye-hand coordination relies on similar predictive mechanisms for both hands, possibly located upstream of M1, which can be updated independently of hand movement control.

L’intégrité de notre système sensorimoteur est essentielle aux interactions adéquates avec notre environnement. Dans la maladie de Parkinson (MP), l’efficacité des interactions quotidiennes entre le corps et l’environnement est fréquemment réduite et diminue la qualité de vie. La MP est une maladie neurodégénérative résultant prioritairement d’une perte neuronale dopaminergique dans les ganglions de la base (GB). Cette dégénérescence altère le fonctionnement normal de la circuiterie associant les GB au cortex cérébral. L’administration de médications dopaminergiques permet d’améliorer les principaux symptômes cliniques moteurs de la MP. Cette thèse porte sur les rôles des GB dans les processus de traitement et d’intégration des informations sensorielles visuelle et proprioceptive et dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice. Elle s’intéresse également à l’influence de la médication dopaminergique sur ces fonctions sensorimotrices. Nous avons réalisé trois études comportementales, utilisant l’atteinte manuelle tridimensionnelle comme modèle expérimental. Dans chacune de ces études, nous avons comparé la performance de personnes âgées en santé à celle de personnes souffrant de la MP avec et sans leur médication antiparkinsonienne quotidienne. Ces trois études ont été réalisées à l’aide d’un système d’analyse de mouvement et une station de réalité virtuelle. Dans la première étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans l’intégration sensorimotrice ou le traitement des informations proprioceptives. Pour se faire, nous avons testé la capacité des patients MP à effectuer des atteintes manuelles tridimensionnelles précises dans quatre conditions variant la nature des informations sensorielles (visuelles et/ou proprioceptives) définissant la position de la main et de la cible. Les patients MP ont effectué, en moyenne, de plus grandes erreurs spatiales que les personnes en santé uniquement lorsque les informations proprioceptives étaient la seule source d’information sensorielle disponible. De plus, ces imprécisions spatiales étaient significativement plus grandes que celles des personnes en santé, seulement lorsque les patients étaient testés dans la condition médicamentée. La deuxième étude présentée dans cette thèse a permis de démontrer que les imprécisions spatiales des patients MP dans les conditions proprioceptives étaient le résultat de déficits dans l’utilisation en temps réel des informations proprioceptives pour guider les mouvements. Dans la troisième étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice explicite ou implicite. Pour se faire, nous avons testé les capacités adaptatives des patients MP dans deux tâches variant le décours temporel de l’application d’une perturbation visuomotrice tridimensionnelle. Dans la tâche explicite, la perturbation était introduite soudainement, produisant de grandes erreurs détectées consciemment. Dans la condition implicite, la perturbation était introduite graduellement ce qui engendrait de petites erreurs non détectables. Les résultats montrent que les patients MP dans les conditions médicamentée et non médicamentée présentent des déficits adaptatifs uniquement dans la tâche explicite. Dans l’ensemble, les résultats expérimentaux présentés dans cette thèse montrent que la médication dopaminergique n’améliore pas le traitement des afférences proprioceptives et l’adaptation visuomotrice des personnes souffrant de la MP. Ces observations suggèrent que les dysfonctions dans les circuits dopaminergiques dans les GB ne sont pas les seules responsables des déficits observés dans ces fonctions sensorimotrices. / The integrity of our sensorimotor system is essential for adequate interactions with the environment. In Parkinson’s disease (PD), the efficiency of the daily interactions between the body and the environment is often reduced and interfere with quality of life. PD is a neurodegenerative disease resulting primarily from a dopaminergic neuronal loss in the basal ganglia (BG). This progressive loss of neurons alters the normal functioning of the BG-cortical circuitry. Dopaminergic medication is well known to remediate the major clinical motor symptoms of PD. This thesis investigates the role of the BG in the processing and integration of visual and proprioceptive sensory information and in visuomotor adaptation. This thesis also explores the influence of dopaminergic medication on these sensorimotor functions. We performed three behavioral studies using three-dimensional reaching movements as an experimental model. In each study, we compared the performance of healthy controls and individuals suffering from PD, while in the non-medicated condition and when on their regular daily antiparkinsonian medication. These three studies were performed using a movement analysis system and a virtual reality station. In the first study, we evaluated whether the BG are primarily involved in sensorimotor integration or in the processing of proprioceptive sensory information. We tested the ability of PD patients to perform accurate reaching movements in four conditions in which the sensory signals defining target and hand positions (vision and/or proprioception) varied. On average, PD patients made larger spatial errors than healthy controls when proprioception was the only source of sensory information available. Furthermore, these movement inaccuracies were significantly larger than those of healthy controls only when PD patients where tested in the medicated condition. The second study presented in this thesis demonstrated that the greater movement inaccuracies of PD patients in the proprioceptive conditions resulted mainly from impaired use of proprioceptive information for on-line movement guidance. In the third study, we evaluated whether the BG are primarily involved in explicit or implicit visoumotor adaptation mechanisms. Visuomotor adaptation skills of non-medicated and medicated patients were assessed in two reaching tasks in which the size of spatial errors made during adaptation was manipulated by varying the temporal evolution of a three-dimensional visuomotor perturbation across trials. In the explicit task, the visuomotor perturbation was applied suddenly resulting in large consciously detected initial spatial errors, whereas in the implicit task, the visuomotor perturbation was gradually introduced in small undetectable steps such that subjects never experienced large movement errors. Results indicate that both non- medicated and medicated PD patients showed markedly impaired visuomotor adaptation only in the explicit task. Together, the different experimental data presented in this thesis indicate that dopaminergic medication does not improve proprioceptive processing and visuomotor adaptation skills of PD patients. These observations suggest that dysfunction of dopaminergic circuits within the BG is not solely responsible for the reported sensorimotor deficits.

L’intégrité de notre système sensorimoteur est essentielle aux interactions adéquates avec notre environnement. Dans la maladie de Parkinson (MP), l’efficacité des interactions quotidiennes entre le corps et l’environnement est fréquemment réduite et diminue la qualité de vie. La MP est une maladie neurodégénérative résultant prioritairement d’une perte neuronale dopaminergique dans les ganglions de la base (GB). Cette dégénérescence altère le fonctionnement normal de la circuiterie associant les GB au cortex cérébral. L’administration de médications dopaminergiques permet d’améliorer les principaux symptômes cliniques moteurs de la MP. Cette thèse porte sur les rôles des GB dans les processus de traitement et d’intégration des informations sensorielles visuelle et proprioceptive et dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice. Elle s’intéresse également à l’influence de la médication dopaminergique sur ces fonctions sensorimotrices. Nous avons réalisé trois études comportementales, utilisant l’atteinte manuelle tridimensionnelle comme modèle expérimental. Dans chacune de ces études, nous avons comparé la performance de personnes âgées en santé à celle de personnes souffrant de la MP avec et sans leur médication antiparkinsonienne quotidienne. Ces trois études ont été réalisées à l’aide d’un système d’analyse de mouvement et une station de réalité virtuelle. Dans la première étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans l’intégration sensorimotrice ou le traitement des informations proprioceptives. Pour se faire, nous avons testé la capacité des patients MP à effectuer des atteintes manuelles tridimensionnelles précises dans quatre conditions variant la nature des informations sensorielles (visuelles et/ou proprioceptives) définissant la position de la main et de la cible. Les patients MP ont effectué, en moyenne, de plus grandes erreurs spatiales que les personnes en santé uniquement lorsque les informations proprioceptives étaient la seule source d’information sensorielle disponible. De plus, ces imprécisions spatiales étaient significativement plus grandes que celles des personnes en santé, seulement lorsque les patients étaient testés dans la condition médicamentée. La deuxième étude présentée dans cette thèse a permis de démontrer que les imprécisions spatiales des patients MP dans les conditions proprioceptives étaient le résultat de déficits dans l’utilisation en temps réel des informations proprioceptives pour guider les mouvements. Dans la troisième étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice explicite ou implicite. Pour se faire, nous avons testé les capacités adaptatives des patients MP dans deux tâches variant le décours temporel de l’application d’une perturbation visuomotrice tridimensionnelle. Dans la tâche explicite, la perturbation était introduite soudainement, produisant de grandes erreurs détectées consciemment. Dans la condition implicite, la perturbation était introduite graduellement ce qui engendrait de petites erreurs non détectables. Les résultats montrent que les patients MP dans les conditions médicamentée et non médicamentée présentent des déficits adaptatifs uniquement dans la tâche explicite. Dans l’ensemble, les résultats expérimentaux présentés dans cette thèse montrent que la médication dopaminergique n’améliore pas le traitement des afférences proprioceptives et l’adaptation visuomotrice des personnes souffrant de la MP. Ces observations suggèrent que les dysfonctions dans les circuits dopaminergiques dans les GB ne sont pas les seules responsables des déficits observés dans ces fonctions sensorimotrices. / The integrity of our sensorimotor system is essential for adequate interactions with the environment. In Parkinson’s disease (PD), the efficiency of the daily interactions between the body and the environment is often reduced and interfere with quality of life. PD is a neurodegenerative disease resulting primarily from a dopaminergic neuronal loss in the basal ganglia (BG). This progressive loss of neurons alters the normal functioning of the BG-cortical circuitry. Dopaminergic medication is well known to remediate the major clinical motor symptoms of PD. This thesis investigates the role of the BG in the processing and integration of visual and proprioceptive sensory information and in visuomotor adaptation. This thesis also explores the influence of dopaminergic medication on these sensorimotor functions. We performed three behavioral studies using three-dimensional reaching movements as an experimental model. In each study, we compared the performance of healthy controls and individuals suffering from PD, while in the non-medicated condition and when on their regular daily antiparkinsonian medication. These three studies were performed using a movement analysis system and a virtual reality station. In the first study, we evaluated whether the BG are primarily involved in sensorimotor integration or in the processing of proprioceptive sensory information. We tested the ability of PD patients to perform accurate reaching movements in four conditions in which the sensory signals defining target and hand positions (vision and/or proprioception) varied. On average, PD patients made larger spatial errors than healthy controls when proprioception was the only source of sensory information available. Furthermore, these movement inaccuracies were significantly larger than those of healthy controls only when PD patients where tested in the medicated condition. The second study presented in this thesis demonstrated that the greater movement inaccuracies of PD patients in the proprioceptive conditions resulted mainly from impaired use of proprioceptive information for on-line movement guidance. In the third study, we evaluated whether the BG are primarily involved in explicit or implicit visoumotor adaptation mechanisms. Visuomotor adaptation skills of non-medicated and medicated patients were assessed in two reaching tasks in which the size of spatial errors made during adaptation was manipulated by varying the temporal evolution of a three-dimensional visuomotor perturbation across trials. In the explicit task, the visuomotor perturbation was applied suddenly resulting in large consciously detected initial spatial errors, whereas in the implicit task, the visuomotor perturbation was gradually introduced in small undetectable steps such that subjects never experienced large movement errors. Results indicate that both non- medicated and medicated PD patients showed markedly impaired visuomotor adaptation only in the explicit task. Together, the different experimental data presented in this thesis indicate that dopaminergic medication does not improve proprioceptive processing and visuomotor adaptation skills of PD patients. These observations suggest that dysfunction of dopaminergic circuits within the BG is not solely responsible for the reported sensorimotor deficits.