La tâche de kinématogramme de points aléatoires est utilisée avec le paradigme de choix forcé entre deux alternatives pour étudier les prises de décisions perceptuelles. Les modèles décisionnels supposent que les indices de mouvement pour les deux alternatives sont encodés dans le cerveau. Ainsi, la différence entre ces deux signaux est accumulée jusqu’à un seuil décisionnel. Cependant, aucune étude à ce jour n’a testé cette hypothèse avec des stimuli contenant des mouvements opposés. Ce mémoire présente les résultats de deux expériences utilisant deux nouveaux stimuli avec des indices de mouvement concurrentiels. Parmi une variété de combinaisons d’indices concurrentiels, la performance des sujets dépend de la différence nette entre les deux signaux opposés. De plus, les sujets obtiennent une performance similaire avec les deux types de stimuli. Ces résultats supportent un modèle décisionnel basé sur l’accumulation des indices de mouvement net et suggèrent que le processus décisionnel peut intégrer les signaux de mouvement à partir d’une grande gamme de directions pour obtenir un percept global de mouvement. / Random dot kinematograms are used in visual psychophysics with the two-alternative forced-choice paradigm to study the process of simple perceptual decisions. Mathematical models of this process assume that stochastic motion evidence for the two alternative choices is encoded in the brain, and that the difference in evidence is accumulated towards a decision bound. However, no study to date has tested this assumption using stimuli with different levels of mutually opposing evidence in both directions. This thesis presents the results of two experiments using two novel stimuli with opposing coherent motion evidence. Over a variety of competing evidence combinations, subject performance was based on the net difference in the opposing signals. Furthermore, task performance was similar with both types of stimuli. These results support a decision model based on the accumulation of net evidence, and suggest that the decision process is capable of integrating motion evidence from a wide range of directions to obtain a global percept of motion.

Le feedback auditif se définit comme un signal auditif qui contient de l'information sur un mouvement. Il a été montré que le feedback auditif peut guider le mouvement en temps réel, mais son influence sur l'apprentissage moteur est moins clair. Cette thèse a pour but d'examiner l'influence du feedback auditif sur l'apprentissage moteur, en se focalisant sur le contrôle temporel des mouvements. Premièrement, nous étudions l'apprentissage moteur chez les non-musiciens sains et montrons qu'ils bénéficient de l'information temporelle contenue dans le feedback auditif et qu'ils sont sensibles aux distorsions de cette information temporelle. Deuxièmement, nous appliquons ces connaissances à la réhabilitation de patients cérébro-lésés. Nous trouvons que ces patients améliorent leurs capacités de mouvement mais ne dépendent pas de la correspondance temporelle entre le mouvement et le son. Paradoxalement, ces patients ont même bénéficié des distorsions temporelles dans le feedback. Troisièmement, nous étudions les experts musicaux, car ils ont établi des liens particulièrement forts entre leur mouvement et le son. Nous développons de nouveaux outils d'analyse qui nous permettent de séparer les déviations temporelles en variation systématique et non-systématique. Le résultat principal est que ces experts sont devenus largement indépendants du feedback auditif. La proposition centrale de cette thèse est que le feedback auditif joue un rôle dans l'apprentissage moteur de la régularité, mais la façon dont le cerveau l'utilise dépend de la population étudiée. Ces résultats donnent une nouvelle perspective sur l'intégration audio-motrice et contribuent au développement de nouvelles approches pour l'apprentissage de la musique et la réhabilitation / Auditory feedback is an auditory signal that contains information about performed movement. Music performance is an excellent candidate to study its influence on motor actions, since the auditory result is the explicit goal of the movement. Indeed, auditory feedback can guide online motor actions, but its influence on motor learning has been investigated less. This thesis investigates the influence of auditory feedback in motor learning, focusing particularly on how we learn temporal control over movements. First, we investigate motor learning in non-musicians, finding that they benefit from temporal information supplied by the auditory signal and are sensitive to distortions of this temporal information. Second, we turn to stroke patients that are re-learning motor actions in a rehabilitation setting. Patients improved their movement capacities but did not depend on the time-locking between movements and the resulting auditory feedback. Surprisingly, they appear to benefit from distortions in feedback. Third, we investigate musical experts, who arguably have established strong links between movement and auditory feedback. We develop a novel analysis framework that allows us to segment timing into systematic and non-systematic variability. Our finding is that these experts have become largely independent of the auditory feedback. The main claim defended in this thesis is that auditory feedback can and does play a role in motor learning of regularity, but the way in which it is used varies qualitatively between different populations. These findings provide new insights into auditory-motor integration and are relevant for developing new perspectives on the role of music in training and rehabilitation settings

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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.

Le rythme est un aspect important du mouvement et de la perception de l’environnement. Lorsque l’on danse, la pulsation musicale induit une activité neurale oscillatoire qui permet au système nerveux d’anticiper les évènements musicaux à venir. Le système moteur peut alors s’y synchroniser. Cette thèse développe de nouvelles techniques d’investigation des rythmes neuraux non strictement périodiques, tels que ceux qui régulent le tempo naturellement variable de la marche ou la perception rythmes musicaux. Elle étudie des réponses neurales reflétant la discordance entre ce que le système nerveux anticipe et ce qu’il perçoit, et qui sont nécessaire pour adapter la synchronisation de mouvements à un environnement variable. Elle montre aussi comment l’activité neurale évoquée par un rythme musical complexe est renforcée par les mouvements qui y sont synchronisés. Enfin, elle s’intéresse à ces rythmes neuraux chez des patients ayant des troubles de la marche ou de la conscience. / Rhythms are central in human behaviours spanning from locomotion to music performance. In dance, self-sustaining and dynamically adapting neural oscillations entrain to the regular auditory inputs that is the musical beat. This entrainment leads to anticipation of forthcoming sensory events, which in turn allows synchronization of movements to the perceived environment. This dissertation develops novel technical approaches to investigate neural rhythms that are not strictly periodic, such as naturally tempo-varying locomotion movements and rhythms of music. It studies neural responses reflecting the discordance between what the nervous system anticipates and the actual timing of events, and that are critical for synchronizing movements to a changing environment. It also shows how the neural activity elicited by a musical rhythm is shaped by how we move. Finally, it investigates such neural rhythms in patient with gait or consciousness disorders.

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Chez diverses espèces animales, les informations sensorielles peuvent déclencher la locomotion. Ceci nécessite l’intégration des informations sensorielles par le système nerveux central. Chez la lamproie, les réseaux locomoteurs spinaux sont activés et contrôlés par les cellules réticulospinales (RS), système descendant le plus important. Ces cellules reçoivent des informations variées provenant notamment de la périphérie. Une fois activées par une brève stimulation cutanée d’intensité suffisante, les cellules RS produisent des dépolarisations soutenues de durées variées impliquant des propriétés intrinsèques calcium-dépendantes et associées à l’induction de la nage de fuite. Au cours de ce doctorat, nous avons voulu savoir si les afférences synaptiques ont une influence sur la durée des dépolarisations soutenues et si l’ensemble des cellules RS partagent des propriétés d’intégration similaires, impliquant possiblement les réserves de calcium internes. Dans un premier temps, nous montrons pour la première fois qu’en plus de dépendre des propriétés intrinsèques des cellules réticulospinales, les dépolarisations soutenues dépendent des afférences excitatrices glutamatergiques, incluant les afférences spinales, pour perdurer pendant de longues périodes de temps. Les afférences cutanées ne participent pas au maintien des dépolarisations soutenues et les afférences inhibitrices glycinergique et GABAergiques ne sont pas suffisantes pour les arrêter. Dans un deuxième temps, nous montrons que suite à une stimulation cutanée, l’ensemble des cellules RS localisées dans les quatre noyaux réticulés possèdent un patron d’activation similaire et elles peuvent toutes produire des dépolarisations soutenues dont le maintien ne dépend pas des réserves de calcium internes. Enfin, les résultats obtenus durant ce doctorat ont permis de mieux comprendre les mécanismes cellulaires par lesquels l’ensemble des cellules RS intègrent une brève information sensorielle et la transforment en une réponse soutenue associée à une commande motrice. / In various animal species, sensory information can initiate locomotion. This relies on the integration of sensory inputs by the central nervous system. In lampreys, the spinal locomotor networks are activated and controlled by the reticulospinal cells (RS) which constitute the main descending system. In turn, RS cells receive information coming from various synaptic inputs such as the sensory afferents. Once activated by a brief cutaneous stimulation of sufficient strength, RS cells display sustained depolarizations of various durations that rely on calcium-dependant intrinsic properties and lead to the onset of escape swimming. During the course of this Ph.D, we aimed at determining whether synaptic inputs can modulate the duration of the sustained depolarizations and if the different populations of RS cells share the same integrative properties, possibly involving the internal calcium stores. First, our results show for the first time that excitatory glutamatergic inputs, including ascending spinal feedback, contribute to prolong the sustained depolarizations for long periods of time. Cutaneous inputs do not contribute to maintain the sustained depolarizations and inhibitory glycinergic and GABAergic inputs are not sufficient to stop them. Second, we show that in response to cutaneous stimulation, the RS located in the four reticular nuclei display a similar activation pattern and can all produce sustained depolarizations which do not depend on internal calcium release to be maintained. Finally, the results obtained during this Ph.D allowed us to better understand the cellular mechanisms by which the RS cells integrate and transform a brief sensory information into a sustained response associated with a motor command.

Chez diverses espèces animales, les informations sensorielles peuvent déclencher la locomotion. Ceci nécessite l’intégration des informations sensorielles par le système nerveux central. Chez la lamproie, les réseaux locomoteurs spinaux sont activés et contrôlés par les cellules réticulospinales (RS), système descendant le plus important. Ces cellules reçoivent des informations variées provenant notamment de la périphérie. Une fois activées par une brève stimulation cutanée d’intensité suffisante, les cellules RS produisent des dépolarisations soutenues de durées variées impliquant des propriétés intrinsèques calcium-dépendantes et associées à l’induction de la nage de fuite. Au cours de ce doctorat, nous avons voulu savoir si les afférences synaptiques ont une influence sur la durée des dépolarisations soutenues et si l’ensemble des cellules RS partagent des propriétés d’intégration similaires, impliquant possiblement les réserves de calcium internes. Dans un premier temps, nous montrons pour la première fois qu’en plus de dépendre des propriétés intrinsèques des cellules réticulospinales, les dépolarisations soutenues dépendent des afférences excitatrices glutamatergiques, incluant les afférences spinales, pour perdurer pendant de longues périodes de temps. Les afférences cutanées ne participent pas au maintien des dépolarisations soutenues et les afférences inhibitrices glycinergique et GABAergiques ne sont pas suffisantes pour les arrêter. Dans un deuxième temps, nous montrons que suite à une stimulation cutanée, l’ensemble des cellules RS localisées dans les quatre noyaux réticulés possèdent un patron d’activation similaire et elles peuvent toutes produire des dépolarisations soutenues dont le maintien ne dépend pas des réserves de calcium internes. Enfin, les résultats obtenus durant ce doctorat ont permis de mieux comprendre les mécanismes cellulaires par lesquels l’ensemble des cellules RS intègrent une brève information sensorielle et la transforment en une réponse soutenue associée à une commande motrice. / In various animal species, sensory information can initiate locomotion. This relies on the integration of sensory inputs by the central nervous system. In lampreys, the spinal locomotor networks are activated and controlled by the reticulospinal cells (RS) which constitute the main descending system. In turn, RS cells receive information coming from various synaptic inputs such as the sensory afferents. Once activated by a brief cutaneous stimulation of sufficient strength, RS cells display sustained depolarizations of various durations that rely on calcium-dependant intrinsic properties and lead to the onset of escape swimming. During the course of this Ph.D, we aimed at determining whether synaptic inputs can modulate the duration of the sustained depolarizations and if the different populations of RS cells share the same integrative properties, possibly involving the internal calcium stores. First, our results show for the first time that excitatory glutamatergic inputs, including ascending spinal feedback, contribute to prolong the sustained depolarizations for long periods of time. Cutaneous inputs do not contribute to maintain the sustained depolarizations and inhibitory glycinergic and GABAergic inputs are not sufficient to stop them. Second, we show that in response to cutaneous stimulation, the RS located in the four reticular nuclei display a similar activation pattern and can all produce sustained depolarizations which do not depend on internal calcium release to be maintained. Finally, the results obtained during this Ph.D allowed us to better understand the cellular mechanisms by which the RS cells integrate and transform a brief sensory information into a sustained response associated with a motor command.