The main goal of the dissertation was to determine task-dependent modulation of corticospinal descending output. From this main goal, I conducted three different studies to determine how corticospinal output to muscles of the upper arm and hand changed as a function of the task demands. In study 1, I examined how a somatosensory-motor circuit changes when a muscle needs to be active in a task and found that this circuit may be dependent on the movement phase, type of afferent input, and the task demands. In study 2, I examined how this same somatosensory-motor circuit acts to both allow and prevent muscle activity before movement. I revealed that this somatosensory-motor circuit may function to prevent muscle activity when a muscle is not needed in a task and creates facilitation of corticospinal output when it needs to be active in a task. These effects, however, are dependent on the movement phase and the digit the muscle is controlling. Study 3 determined how corticospinal output is modulated to upper arm muscles when performing movements that required different combinations of segmental interactions to achieve the task successfully. Corticospinal output was increased when inertia and the BBC moment at a joint resisted the intended joint rotation and these effects were dependent on the muscle and movement phase. I propose a model of the connectivity between the primary motor and somatosensory cortices that would increase, modulate, or decrease corticospinal output to a muscle depending on its role in the task. The findings from this work provides information to guide future neural rehabilitative interventions for individuals who have movement disorders arising from altered somatosensory-motor processing such as Cerebellar Ataxia, Developmental Coordination Disorder, Focal Hand Dystonia, Parkinson’s disease, and stroke. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD) / On a day to day basis, we perform a variety of movements without giving much thought to how complicated it is for our nervous system to perform said movements. There are many different areas of the brain that are responsible for controlling movement. This dissertation focuses on two key areas that are critical for movement performance, namely the primary motor and somatosensory cortices. The primary motor cortex is largely responsible for sending signals to the muscles to control movement, while the primary somatosensory cortex plays a crucial role in receiving and understanding sensory input from our body. The studies in this dissertation describe how these two areas of the brain communicate during finger and arm movements to produce or prevent muscle activity. This work has implications for individuals with disorders that impact their everyday movements.

<p>The primary somatosensory cortex (SI) is important for hand function and influences motor circuitry in the primary motor cortex (M1). Areas 3a, 1 and 2 of SI have direct connectivity with M1. Much of our present knowledge of this connectivity and its relevance to hand function is based on animal research. However, less is known about the neural mechanisms that underpin hand function in humans. The present study investigated the influence of SI on corticospinal excitability as well as inhibitory and excitatory neural circuitry within M1 before and after continuous theta-burst stimulation (cTBS). Additionally, stimulation parameters influence the direction and magnitude of cTBS after-effects. Thus, current direction and frequency of cTBS were manipulated. Two experiments were performed. In Experiment 1, motor-evoked potentials (MEPs) were recorded from the first-dorsal interosseous (FDI) muscle bilaterally before and after 50 Hz cTBS over left SI. In a second condition, the orientation of cTBS was reversed. Experiment 2 measured MEPs, short-latency intracortical inhibition (SICI) and intracortical facilitation (ICF) from the right FDI following a modified 30 Hz cTBS over left SI or M1. The results of Experiment 1 and 2 demonstrate that SI influences M1 circuitry such that MEPs are facilitated following cTBS over SI. However, MEPs are suppressed when the current direction is reversed. CTBS at 30 Hz delivered over M1 suppressed excitatory circuitry that generates MEPs and ICF. The findings from the thesis suggest that SI influences hand motor circuitry and is likely a mechanism by which somatosensory information modulates hand motor function.</p> / Bachelor of Science (BSc)

David Katz a fait l’observation que le mouvement entre la peau et l’objet est aussi important pour le sens du toucher que la lumière l’est pour la vision. Un stimulus tactile déplacé sur la peau active toutes les afférences cutanées. Les signaux résultants sont très complexes, covariant avec différents facteurs dont la vitesse, mais aussi la texture, la forme et la force. Cette thèse explore la capacité des humains à estimer la vitesse et la rugosité de surfaces en mouvements. Les bases neuronales de la vitesse tactile sont aussi étudiées en effectuant des enregistrements unitaires dans le cortex somatosensoriel primaire (S1) du singe éveillé. Dans la première expérience, nous avons montré que les sujets peuvent estimer la vitesse tactile (gamme de vitesses, 30 à 105 mm/s) de surfaces déplacées sous le doigt, et ceci sans indice de durée. Mais la structure des surfaces était essentielle (difficulté à estimer la vitesse d’une surface lisse). Les caractéristiques physiques des surfaces avaient une influence sur l’intensité subjective de la vitesse. La surface plus rugueuse (8 mm d’espacement entre les points en relief) semblait se déplacer 15% plus lentement que les surfaces moins rugueuses (de 2 et 3 mm d’espacement), pour les surfaces périodiques et non périodiques (rangées de points vs disposition aléatoire). L’effet de la texture sur la vitesse peut être réduit en un continuum monotonique quand les estimés sont normalisés avec l’espacement et présentés en fonction de la fréquence temporelle (vitesse/espacement). L'absence de changement des estimés de vitesse entre les surfaces périodiques et non périodiques suggère que les estimés de rugosité devraient aussi être indépendants de la disposition des points. Dans la deuxième expérience, et tel que prévu, une équivalence perceptuelle entre les deux séries de surfaces est obtenue quand les estimés de la rugosité sont exprimés en fonction de l'espacement moyen entre les points en relief, dans le sens de l'exploration. La troisième expérience consistait à rechercher des neurones du S1 qui pourraient expliquer l’intensité subjective de la vitesse tactile. L’hypothèse est que les neurones impliqués devraient être sensibles à la vitesse tactile (40 à 105 mm/s) et à l’espacement des points (2 à 8 mm) mais être indépendants de leur disposition (périodique vs non périodique). De plus, il est attendu que la fonction neurométrique (fréquence de décharge/espacement en fonction de la fréquence temporelle) montre une augmentation monotonique. Une grande proportion des cellules était sensible à la vitesse (76/119), et 82% d’entres elles étaient aussi sensibles à la texture. La sensibilité à la vitesse a été observée dans les trois aires du S1 (3b, 1 et 2). La grande majorité de cellules sensibles à la vitesse, 94%, avait une relation monotonique entre leur décharge et la fréquence temporelle, tel qu’attendu, et ce surtout dans les aires 1 et 2. Ces neurones pourraient donc expliquer la capacité des sujets à estimer la vitesse tactile de surfaces texturées. / David Katz showed that movement between the skin and an object is as important for touch as light is to vision. Moving tactile stimuli activate all of the cutaneous afferents involved in discriminative touch. The resultant signals are complex, varying with multiple factors including speed and also texture, local shape, and force. This thesis explored the human ability to estimate the speed and roughness of moving tactile stimuli. The neuronal basis underlying tactile speed perception was investigated using single unit recordings from primary somatosensory cortex (S1) in awake monkeys. In the first psychophysical experiment, we showed that subjects (n=26) can scale tactile speed (range, 30-105 mm/s), and this, contrary to previous studies, in a situation in which the duration of each trial was constant across all speeds tested. Surface structure was, in contrast, essential since subjects had difficulty scaling the speed of a smooth surface. Moreover, the physical characteristics of the surfaces influenced tactile speed perception. The roughest surface (8 mm raised-dot spacing) seemed to move 15% slower than the smoother surfaces (2 and 3 mm spacing), and this independently of dot disposition (periodic: rectangular array of raised dots vs non periodic: random dots). The effects of surface texture on speed were reduced to a single continuum when the estimates were normalized by dot spacing and plotted as a function of temporal frequency (speed/dot spacing). The absence of any difference in speed scaling as a function of dot disposition (periodic vs non periodic) suggested that tactile roughness should also be independent of dot disposition. A second psychophysical experiment (n=15) confirmed our hypothesis, showing perceptual equivalence for the periodic and non periodic surfaces when these were matched for dot spacing in the direction of the scan. The third experiment investigated the neuronal mechanisms that underlie subjective tactile speed perception, by recording the responses of cutaneous neurones in the hand representation of S1 cortex to the displacement of textured surfaces under the finger tips of two awake rhesus monkeys. The hypothesis was that neurones implicated in tactile speed perception should be sensitive to tactile speed (similar range to that used in the human experiments) and dot spacing, but be independent of dot disposition (periodic vs non periodic). Furthermore, we predicted that the neurometric function (discharge frequency/dot spacing as a function of temporal frequency) would show a monotonic relation. A large proportion of S1 neurones were sensitive to speed (76/119); 82% of these were also sensitive to texture. Speed sensitivity was widely distributed across the three areas that comprise the cutaneous hand representation, areas 3b, 1, and 2. Of 94 neurons fully tested (periodic and nonperiodic surfaces), the large majority of speed-sensitive cells (60/64) showed a significant monotonic relation with temporal frequency for both surfaces when discharge frequency was normalized by dot spacing. The neurones with the strongest relation to temporal frequency were concentrated in caudal S1, areas 1 and 2, and likely contribute to the human ability to scale tactile speed.

La stimulation électrique transcrânienne à courant direct (tDCS) est une technique non invasive de neuromodulation qui modifie l’excitabilité corticale via deux grosses électrodes de surface. Les effets dépendent de la polarité du courant, anodique = augmentation de l’excitabilité corticale et cathodique = diminution. Chez l’humain, il n’existe pas de consensus sur des effets de la tDCS appliquée au cortex somatosensoriel primaire (S1) sur la perception somesthésique. Nous avons étudié la perception vibrotactile (20 Hz, amplitudes variées) sur le majeur avant, pendant et après la tDCS appliquée au S1 controlatéral (anodale, a; cathodale, c; sham, s). Notre hypothèse « shift-gain » a prédit une diminution des seuils de détection et de discrimination pour la tDCS-a (déplacement vers la gauche de la courbe stimulus-réponse et une augmentation de sa pente). On attendait les effets opposés avec la tDCS-c, soit une augmentation des seuils (déplacement à droite et diminution de la pente). Chez la majorité des participants, des diminutions des seuils ont été observées pendant et immédiatement suivant la tDCS-a (1 mA, 20 min) en comparaison à la stimulation sham. Les effets n’étaient plus présents 30 min plus tard. Une diminution du seuil de discrimination a également été observée pendant, mais non après la tDCS-c (aucun effet pour détection). Nos résultats supportent notre hypothèse, uniquement pour la tDCS-a. Une suite logique serait d’étudier si des séances répétées de tDCS-a mènent à des améliorations durables sur la perception tactile. Ceci serait bénéfique pour la réadaptation sensorielle (ex. suite à un accident vasculaire cérébral). / Transcranial direct-current stimulation (tDCS) is a non-invasive neuromodulation technique which aims to modify cortical excitability using large surface-area electrodes. tDCS is thought to increase (anodal, a-tDCS) or decrease (cathodal, c-tDCS) cortical excitability. At present, there is no consensus as to whether tDCS to primary somatosensory cortex (S1) modifies somatosensory perception. This study examined vibrotactile perception (frequency, 20 Hz, various amplitude) on the middle finger before, during and after contralateral S1 tDCS (a-, c- and sham, s-). The experiments tested our shift-gain hypothesis which predicted that a-tDCS would decrease vibrotactile detection and discrimination thresholds (leftward shift of the stimulus-response function with increased gain/slope), while c-tDCS would increase thresholds (shift to right; decreased gain). The results showed that weak, a-tDCS (1 mA, 20 min), compared to sham, led to a reduction in both thresholds during the application of the stimulation in a majority of subjects. These effects persisted after the end of a-tDCS, but were absent 30 min later. Cathodal tDCS, vs sham, had no effect on detection thresholds; in contrast, there was a decrease in discrimination threshold during but not after c-tDCS. The results thus supported our hypothesis, but only for anodal stimulation. Our observation that enhanced vibrotactile perception outlasts, albeit briefly, the period of a-tDCS is encouraging. Future experiments should determine whether repeated sessions of a-tDCS can produce longer lasting improvements. If yes, clinical applications could be envisaged, e.g. to apply a-tDCS to S1 in conjunction with retraining of sensory function post-stroke.

David Katz a fait l’observation que le mouvement entre la peau et l’objet est aussi important pour le sens du toucher que la lumière l’est pour la vision. Un stimulus tactile déplacé sur la peau active toutes les afférences cutanées. Les signaux résultants sont très complexes, covariant avec différents facteurs dont la vitesse, mais aussi la texture, la forme et la force. Cette thèse explore la capacité des humains à estimer la vitesse et la rugosité de surfaces en mouvements. Les bases neuronales de la vitesse tactile sont aussi étudiées en effectuant des enregistrements unitaires dans le cortex somatosensoriel primaire (S1) du singe éveillé. Dans la première expérience, nous avons montré que les sujets peuvent estimer la vitesse tactile (gamme de vitesses, 30 à 105 mm/s) de surfaces déplacées sous le doigt, et ceci sans indice de durée. Mais la structure des surfaces était essentielle (difficulté à estimer la vitesse d’une surface lisse). Les caractéristiques physiques des surfaces avaient une influence sur l’intensité subjective de la vitesse. La surface plus rugueuse (8 mm d’espacement entre les points en relief) semblait se déplacer 15% plus lentement que les surfaces moins rugueuses (de 2 et 3 mm d’espacement), pour les surfaces périodiques et non périodiques (rangées de points vs disposition aléatoire). L’effet de la texture sur la vitesse peut être réduit en un continuum monotonique quand les estimés sont normalisés avec l’espacement et présentés en fonction de la fréquence temporelle (vitesse/espacement). L'absence de changement des estimés de vitesse entre les surfaces périodiques et non périodiques suggère que les estimés de rugosité devraient aussi être indépendants de la disposition des points. Dans la deuxième expérience, et tel que prévu, une équivalence perceptuelle entre les deux séries de surfaces est obtenue quand les estimés de la rugosité sont exprimés en fonction de l'espacement moyen entre les points en relief, dans le sens de l'exploration. La troisième expérience consistait à rechercher des neurones du S1 qui pourraient expliquer l’intensité subjective de la vitesse tactile. L’hypothèse est que les neurones impliqués devraient être sensibles à la vitesse tactile (40 à 105 mm/s) et à l’espacement des points (2 à 8 mm) mais être indépendants de leur disposition (périodique vs non périodique). De plus, il est attendu que la fonction neurométrique (fréquence de décharge/espacement en fonction de la fréquence temporelle) montre une augmentation monotonique. Une grande proportion des cellules était sensible à la vitesse (76/119), et 82% d’entres elles étaient aussi sensibles à la texture. La sensibilité à la vitesse a été observée dans les trois aires du S1 (3b, 1 et 2). La grande majorité de cellules sensibles à la vitesse, 94%, avait une relation monotonique entre leur décharge et la fréquence temporelle, tel qu’attendu, et ce surtout dans les aires 1 et 2. Ces neurones pourraient donc expliquer la capacité des sujets à estimer la vitesse tactile de surfaces texturées. / David Katz showed that movement between the skin and an object is as important for touch as light is to vision. Moving tactile stimuli activate all of the cutaneous afferents involved in discriminative touch. The resultant signals are complex, varying with multiple factors including speed and also texture, local shape, and force. This thesis explored the human ability to estimate the speed and roughness of moving tactile stimuli. The neuronal basis underlying tactile speed perception was investigated using single unit recordings from primary somatosensory cortex (S1) in awake monkeys. In the first psychophysical experiment, we showed that subjects (n=26) can scale tactile speed (range, 30-105 mm/s), and this, contrary to previous studies, in a situation in which the duration of each trial was constant across all speeds tested. Surface structure was, in contrast, essential since subjects had difficulty scaling the speed of a smooth surface. Moreover, the physical characteristics of the surfaces influenced tactile speed perception. The roughest surface (8 mm raised-dot spacing) seemed to move 15% slower than the smoother surfaces (2 and 3 mm spacing), and this independently of dot disposition (periodic: rectangular array of raised dots vs non periodic: random dots). The effects of surface texture on speed were reduced to a single continuum when the estimates were normalized by dot spacing and plotted as a function of temporal frequency (speed/dot spacing). The absence of any difference in speed scaling as a function of dot disposition (periodic vs non periodic) suggested that tactile roughness should also be independent of dot disposition. A second psychophysical experiment (n=15) confirmed our hypothesis, showing perceptual equivalence for the periodic and non periodic surfaces when these were matched for dot spacing in the direction of the scan. The third experiment investigated the neuronal mechanisms that underlie subjective tactile speed perception, by recording the responses of cutaneous neurones in the hand representation of S1 cortex to the displacement of textured surfaces under the finger tips of two awake rhesus monkeys. The hypothesis was that neurones implicated in tactile speed perception should be sensitive to tactile speed (similar range to that used in the human experiments) and dot spacing, but be independent of dot disposition (periodic vs non periodic). Furthermore, we predicted that the neurometric function (discharge frequency/dot spacing as a function of temporal frequency) would show a monotonic relation. A large proportion of S1 neurones were sensitive to speed (76/119); 82% of these were also sensitive to texture. Speed sensitivity was widely distributed across the three areas that comprise the cutaneous hand representation, areas 3b, 1, and 2. Of 94 neurons fully tested (periodic and nonperiodic surfaces), the large majority of speed-sensitive cells (60/64) showed a significant monotonic relation with temporal frequency for both surfaces when discharge frequency was normalized by dot spacing. The neurones with the strongest relation to temporal frequency were concentrated in caudal S1, areas 1 and 2, and likely contribute to the human ability to scale tactile speed.

Lorsque les rongeurs explorent leur environnement, ils contactent activement les objets environnants avec leurs vibrisses qui sont ainsi défléchies selon des séquences spatiotemporelles complexes. Le système vibrissal est néanmoins capable d'extraire des informations pertinentes de ces stimulations pour générer un comportement tactile-dépendant. Une question se pose alors: Comment l’information multivibrissale globale est-elle encodée? La représentation corticale des vibrisses au sein du cortex somatosensoriel primaire (S1) du rongeur est dotée de structures anatomiquement remarquables, nommées "tonneaux", au niveau de la couche IV, qui sont organisées de la même manière que les vibrisses sur le museau de l’animal. A chaque "tonneau" correspond une colonne corticale, unité de traitement de l’information, qui reçoit en priorité les informations provenant la vibrisse principale (VP) correspondante. Des enregistrements extracellulaires réalisés dans notre équipe chez le rat ont révélé que les réponses des neurones du cortex S1 et du thalamus sont non seulement sensibles à la direction de déflection locale de leur VP, mais aussi à la direction d'un mouvement global de l’ensemble de leurs vibrisses. Afin de mieux comprendre la manière dont le réseau cortical traite ces scènes tactiles globales, nous avons construit un poste expérimental permettant d’enregistrer en temps réel l’activité du cortex S1 chez la souris par imagerie sensible au potentiel, tout en appliquant des stimuli tactiles complexes à l'aide d'une matrice de 24-stimulateurs vibrissaux. Nous avons de plus développé une méthode permettant d’aligner les données fonctionnelles ainsi obtenues par rapport la carte cytoarchitecturale du réseau cortical sous-jacent. Nous avons ainsi étudié premièrement la distribution spatiale de la sélectivité à la direction de déflection locale d’une vibrisse au niveau d’une colonne corticale. Les réponses aux différentes directions étaient localisées de manière légèrement distincte, autour du centre de la colonne, mais selon une organisation différente de celle précédemment décrite chez le rat. Nous avons montré par la suite que la sélectivité à la direction globale est spatialement organisée dans le cortex "en tonneaux" à l’échelle supra-colonnaire. Les colonnes correspondant aux vibrisses rostrales étant plus sélectives à la direction globale que les colonnes associées aux vibrisses caudales. En outre, les colonnes correspondant aux vibrisses dorsales répondent préférentiellement aux directions globales ventrales, tandis que les colonnes associées aux vibrisses ventrales répondent préférentiellement aux directions globales caudales. Enfin, les réponses induites par des directions globales caudo-ventrales étaient en moyenne les plus fortes pour toutes les colonnes. Nous avons montré que la répartition spatiale de la sélectivité à la direction globale peut être expliquée ni par la saillance prédominante de la position de départ de la séquence de stimulation multivibrissale (effet de bord), ni par la sommation linéaire des réponses aux déflections de quelques vibrisses. Les réponses aux stimulations globales de l'ensemble des vibrisses sont en effet fortement sous-linéaires, indépendamment de la direction de la stimulation. Brièvement, nous montrons ici que sortir de la vision classique du système vibrissal permet une meilleure compréhension de la façon dont les différentes caractéristiques des stimuli complexes sont traitées et de la manière dont les propriétés émergentes du cortex, comme la sélectivité à la direction globale, sont construites. / While rodents explore their environment they actively contact surrounding objects with their array of whiskers, resulting in a complex pattern of multiwhisker deflections. Despite this complexity, the whisker system is able to extract relevant information from the spatiotemporal sequence of deflections to generate touch-dependent behavior. The question that arises is: How is global multiwhisker information encoded? Whiskers are mapped onto layer 4 of the primary somatosensory cortex (S1) as discrete units named “barrels”. Each barrel-related vertical column processes information coming primarily from its corresponding principal whisker (PW). Previous experiments in our lab done with extracellular recordings have revealed that neurons in the rat S1 and thalamus not only show a preferred direction for the local deflection of the PW but also for the direction of a global motion across the whisker pad. To further understand how the cortical network processes global tactile scenes, we built a set-up that enables to perform voltage sensitive dye imaging of the mouse barrel cortex while applying precise tactile stimuli using a 24-multi-whisker stimulator. We further developed a technical method to map the recorded functional data onto the cortical structure. We first studied whether local direction selectivity is spatially distributed within the barrel-related column. Responses to different directions were slightly segregated on space close to the barrel center, but the distribution differed from the one previously described in rat S1, namely a pinwheel-like structure. We then showed that global direction selectivity is spatially organized in the barrel cortex. Columns related to rostral whiskers were more selective to the global direction than columns related to caudal whiskers. Moreover, the columns related to dorsal whiskers preferred ventral global directions, while the columns related to ventral whiskers preferred caudal global directions. Overall the responses to the caudo-ventral global directions were the strongest in average for all the columns. We showed that the spatial distribution of the global direction selectivity can be explained neither by the high salience of the starting position of the deflections on the whiskerpad (a border effect), nor by the linear summation of the responses to deflections of several whiskers. Responses to the global motion of the whisker array are indeed highly sublinear independently of the direction of stimulation. In conclusion, we show here that stepping aside from the classical view of the whisker-to-barrel cortex system allows a better understanding of how different features of complex stimuli are processed and how the emergent properties of the cortex, like the global direction selectivity, are built-up.

While task-based functional magnetic resonance imaging (fMRI) has helped us understand the functional role of many regions in the human brain, many diseases and complex behaviors defy explanation. Alternatively, if no task is performed, the fMRI signal between distant, anatomically connected, brain regions is similar over time. These correlations in “resting state” fMRI have been strongly linked to behavior and disease. Previous work primarily calculated correlation in entire fMRI runs of six minutes or more, making understanding the neural underpinnings of these fluctuations difficult. Recently, coordinated dynamic activity on shorter time scales has been observed in resting state fMRI: correlation calculated in comparatively short sliding windows and quasi-periodic (periodic but not constantly active) spatiotemporal patterns. However, little relevance to behavior or underlying neural activity has been demonstrated. This dissertation addresses this problem, first by using 12.3 second windows to demonstrate a behavior-fMRI relationship previously only observed in entire fMRI runs. Second, simultaneous recording of fMRI and electrical signals from the brains of anesthetized rats is used to demonstrate that both types of dynamic activity have strong correlates in electrophysiology. Very slow neural signals correspond to the quasi-periodic patterns, supporting the idea that low-frequency activity organizes large scale information transfer in the brain. This work both validates the use of dynamic analysis of resting state fMRI, and provides a starting point for the investigation of the systemic basis of many neuropsychiatric diseases.