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.

Die Alkoholsucht ist ein global verbreitetes Phänomen und kennzeichnet sich durch eine Transition von kontrolliertem zu zwanghaftem Alkoholkonsum.Die Tendenz, einem neutralen Reiz eine Anreizwirkung zuzuschreiben, ist individuell unterschiedlich und stellt einen Risikofaktor für die Entwicklung einer Abhängigkeit dar.Zur Entwicklung spezifischer Präventionsstrategien ist ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen der Anreizsalienz und Alkoholabhängigkeit erforderlich.Der Übergang von mäßigem zu zwanghaftem Alkoholkonsum wurde durch das Modell des Alkoholentzugseffekts simuliert, das den menschlichen Alkoholrückfall nachahmt.Die Ratten erhielten freiwilligen Zugang zu verschieden Alkohollösungen mit wiederholten Deprivations- und Alkoholphasen.Die Ratten durchliefen zusätzlich den Pavlovian Conditioned Approach getestet, welcher die individuellen Tendenzen auf einen bedingten Reiz/Belohnung quantifiziert.Während des letzten ADE-Zyklus wurde mit Geschmacksverfälschung zwanghaftes Trinken ermittelt.Nach der Identifizierung zuverlässiger Prädiktoren für Suchtverhalten wurde präventive Neurostimulation durchgeführt, um die Tendenz der Tiere alkoholbezogenen Reizen eine motivationale Bedeutung beizumessen, zu beeinflussen, und die Manifestation eines Abhängigkeitsverhaltens zu verhindern. Weibchen tranken mehr Alkohol als Männchen und zeigten ST Verhalten im PavCA, während Männchen GT aufwiesen.Die Anwendung von transkranieller Gleichstromstimulation während PavCA führte zu mehr GT-Verhalten bei stimulierten Ratten.Frühe tDCS während des Trinkens hatte keinen Einfluss auf das akute und das Langzeit-Trinken. Die Ergebnisse zeigen eine komplexere Beziehung zwischen Anreizsalienz und Alkoholsucht und unterstreichen,individuelle Unterschiede und beide Geschlechter in der präklinischen Forschung zu berücksichtigen. / The consequences of alcohol dependence cause the global deaths of million people yearly.The ability of the environment can trigger dependent behavior and promote drinking.The tendency to attribute incentive salience to cues differs between subjects.By forming a cue-alcohol association, neutral cues receive motivational value,thereby predicting the likelihood of alcohol reward occurrence,known as Pavlovian learning.Understanding the relationship between incentive salience and alcohol addiction help inform treatment strategies.We study the relationship between incentive salience and alcohol addiction.The transition from moderate to compulsive alcohol intake can be captured by the alcohol deprivation effect rat model (mimics alcohol relapse in humans).Rats were given voluntary access to alcohol solutions with repeated abstinence/reintroduction phases.Further,rats were tested in the PavCA,which quantifies individual tendency toward a conditional cue and the reward, thus allowing to trace the process of attributing incentive salience to rewardcues.During the final ADE cycle,rats underwent a bitter taste adulteration test to assess for compulsive-like behavior.After identifying reliable predictors of addictive behavior,preventive tDCS was performed to influence the tendency of animals to attach motivational importance to alcohol-related stimuli,and to prevent the manifestation of alcohol addictive behavior.Females drank more alcohol than males and exhibited more ST behavior in the PavCA, whereas males showed GT behavior.PavCA phenotypes emerged early and remained stable.The application of tDCS during PavCA results in high GT numbers in stimulated rats.Early tDCS on drinking does not affect acute or long-term drinking.Our findings indicate a complex relationship between incentive salience and alcohol addiction and emphasize the importance of considering individual differences and both sexes in preclinical research.

Il y a une longue histoire derrière l’intérêt porté pour les rêves lucides –conscience de rêver pendant un rêve– datant de l’époque de la Grèce antique. La compréhension du rêve lucide a d’abord reposée sur des observations personnelles de certains individus ayant eux-mêmes expérimentés leurs propres rêves lucides. La découverte de l’inconscient, de même que celle du sommeil paradoxal (SP), a grandement contribué à l’essor du rêve lucide, qui a finalement constitué l’objet d’étude de plusieurs recherches empiriques, dont celles menées par le groupe de Stanford, qui est l’un des premiers à avoir évalué la capacité des rêveurs à signaler leurs rêves lucides à l’aide de différents mouvements du corps, en temps réel. Le rêve lucide est un phénomène prévalent, comprenant de nombreuses dimensions, allant de la conscience de soi jusqu’au contrôle sur le contenu du rêve. Certains auteurs ont également parlé du rêve lucide en tant qu’état mental hybride, combinant des caractéristiques des rêves survenant en SP et d’autres caractéristiques propres à l’éveil. De plus, il s’avère que les individus rapportant des rêves lucides fréquemment présentent des caractéristiques psychologiques particulières, sans compter les corrélats physiologiques mesurables qui ont également été associés aux rêves lucides, de même que des corrélats neurophysiologiques. Certains auteurs se sont questionnés sur les différentes façons d’induire des rêves lucides en sommeil. Les techniques proposées sont nombreuses et diversifiées, allant des techniques comportementales aux techniques de stimulation électrique. À cet effet, deux études ont utilisé la stimulation transcrânienne par courant direct (tDCS) (Stumbrys, Erlacher, & Schredl, 2013) et alternatif (tACS) (Voss et al., 2014) dans les régions frontales pendant le SP, montrant une association entre l’augmentation de la conscience de soi dans les rêves et l’activité gamma fronto-temporale. Toutefois, ces études renferment plusieurs faiblesses méthodologiques. Nous avons donc tenté de reproduire ces résultats considérables en appliquant la tACS en SP dans les régions frontales pendant 2.5 min à une fréquence de 40 Hz lors de siestes matinales –favorisant des périodes riches en SP– et en utilisant des tests statistiques plus conservateurs ainsi que des mouvements oculaires pour signaler la lucidité. Pour s’y faire, nous avons recruté 33 sujets dans une étude randomisée à simple aveugle dans laquelle la tACS a été appliquée (STIM) ou non (SHAM) en SP. Les sujets ont été réveillés 3 min après la fin de la STIM ou du SHAM pour répondre à un journal de rêves et une échelle évaluant le degré de lucidité contenu dans les rêves. Bien que plusieurs signaux de lucidité ont été observés, ces derniers se sont produits dans les deux conditions expérimentales, et ce, sans différence significative. L’auto-évaluation du contenu des rêves ne différait pas non plus entre les conditions. Par conséquent, les résultats de la présente étude ne permettent pas de conclure que la tACS appliquée à une fréquence de 40 Hz en SP engendre plus de rêves lucides signalés en temps réel, un plus grand nombre de rêves lucides tels que définis par la LuCiD Scale et des scores plus élevés aux facteurs de cette même échelle. Plusieurs considérations méthodologiques peuvent avoir jouer un rôle dans la production de rêves lucides en sommeil, tels que les critères de recrutement, la pratique des signaux de lucidité et les effets indirects de la tACS, et avoir masqué l’effet de la tACS, qui, dû à son effet sans doute minime, n’a peut-être pas été en mesure d’influencer significativement la production de rêves lucides. Somme toute, plusieurs sujets ont été en mesure de signaler ou de rapporter des rêves lucides dans le cadre de cette étude, ce pourquoi il serait intéressant d’étudier davantage les différentes applications des rêves lucides, autant dans le but d’accroitre nos connaissances sur les rêves et les théories de la conscience que pour développer de potentiels outils cliniques. / There is a long history of interest in lucid dreaming–the awareness of dreaming while dreaming–from the time of ancient Greece. The understanding of lucid dreaming was initially based on personal observations of certain individuals who had themselves experienced lucid dreams. Discovery of the unconscious, as well as rapid-eye-movement (REM) sleep, greatly contributed to the rise of interest in lucid dreaming, which finally became the object of several empirical studies. The Stanford group is one of the first to have conducted laboratory studies specifically on lucid dreams assessing, among other attributes, the ability of dreamers to signal their lucid dreams with different body movements in real-time. Lucid dreaming is a prevalent phenomenon, comprising many dimensions, ranging from self-awareness to control over dream content. Some authors have also described lucid dreaming as a hybrid mental state, mixing REM dreaming and wakefulness characteristics. Moreover, frequent lucid dreamers display certain psychological characteristics, such as high creativity, an internal locus of control, and increases in several cognitive functions. Lucid dreaming has measurable physiological and neurophysiological correlates. Some authors have speculated about the different ways to induce lucid dreams during sleep. The proposed techniques are many and varied, ranging from behavioral techniques to electrical stimulation techniques. Critically, two studies employing frontal transcranial direct (tDC) (Stumbrys et al., 2013) and alternating (tAC) current stimulation (Voss et al., 2014) during REM sleep, have shown an association between increased self-awareness in dreams and fronto-temporal gamma electroencephalographic activity. However, these studies suffer from several methodological weaknesses. We attempted to replicate these important findings using frontal tAC stimulation during morning, REM-rich naps, real-time signal verification and more appropriate conservative statistical tests. We recruited 33 subjects in a single-blind randomized group study in which tAC stimulation was applied (STIM) or not (SHAM) during the REM sleep of a morning nap. During the STIM condition, we applied frontal 40 Hz tAC stimulation during REM sleep for 2.5 min. Subjects were awakened 3 min after stimulation offset for dream reporting and administration of a scale to assess dream lucidity. Although several episodes of signal-verified dream consciousness were observed, these were equally frequent in SHAM and STIM conditions. Self-ratings of dream content also did not distinguish conditions. Therefore, the findings of the present study do not indicate that frontal gamma stimulation increases dreamed self-awareness as measured by real-time signal-verified lucid dreams and self-ratings of dreams. Several methodological considerations may have played a role in the negative findings, such as recruitment criteria, the eyes-closed practice signal and the indirect effects of tAC stimulation during the phosphene and sensation tests. The latter may have masked a real, albeit weak, tAC stimulation effect. Thus, many subjects were able to signal or report lucid dreams in this study, and this supports the notion that further study of lucid dreaming may lead to fruitful applications. Investigating lucid dreaming could be useful for increasing our knowledge of the physiological substrate of dreams, for clarifying theories of consciousness, and for developing potential clinical tools.

Mémoire de maîtrise présenté en vue de l'obtention de la maîtrise en psychologie (M. Sc) / L'humeur, en tant qu’élément central dans notre perception du monde, englobe diverses émotions et affecte grandement le bien-être mental et physiologique. Une régulation efficace de l'humeur est vitale pour un fonctionnement quotidien normal et tout dérèglement peut mener à des troubles psychologiques majeurs comme la dépression. Au niveau cérébral, le système de récompense, en particulier le cortex préfrontal dorsolatéral gauche (CPFdl) et ses projections dopaminergiques, joue un rôle central dans la régulation de l'humeur et du plaisir. De nombreuses recherches montrent maintenant que l’écoute de la musique influence notre humeur, en agissant sur le système de récompense. En outre, la stimulation magnétique transcrânienne répétitive excitatrice (SMTr) ciblant le CPFdl gauche a donné des résultats prometteurs en modifiant l'humeur et l'activité du système de récompense, ainsi qu'en modulant le plaisir perçu et la motivation pendant l'écoute de la musique en augmentant l'excitabilité et la plasticité corticales. Cependant, les études existantes sur l'impact de la SMTr sur l'humeur des personnes en bonne santé aboutissent à des résultats contradictoires, et l'effet conjoint de la SMTr et de la musique sur l'humeur reste inexploré. Cette étude vise donc à déterminer si la SMTr excitatrice peut augmenter les effets de la musique sur l'humeur chez des volontaires sains. Plus précisément, nous souhaitons valider l'impact de la musique, de la SMTr et de leur application combinée sur l'humeur des participants. Vingt-quatre participants ont suivi quatre sessions expérimentales, comprenant soit la SMTr seule, l’écoute de la musique seule, la SMTr associée à l’écoute de la musique, ou les conditions placebo/sham. L'humeur des participants a été évaluée à l'aide d'un questionnaire sur l'humeur et d'enregistrements de l'activité électrodermale (EDA) avant et après les stimuli. Les résultats ont révélé une amélioration significative de l'humeur générale et de l'humeur positive, ainsi qu'une diminution significative de l'humeur négative au cours de la séance de musique seule, ce qui indique l'efficacité de la musique en tant qu'intervention pour améliorer l'humeur. À l'inverse, la séance de SMTr seule a entraîné une diminution de l'humeur positive et une augmentation de l'humeur négative, ce qui suggère un effet négatif potentiel de la SMTr sur l'humeur. . Dans la session SMTr + musique, on a observé une tendance à l'amélioration de l'humeur, ce que nous interprétons comme le fait que l'application de la SMTr sur le CPFdl gauche a entrainé une baisse de l'humeur, tandis que l'écoute de la musique contrecarrait cet effet en induisant une humeur positive et en réduisant l'humeur négative.En conclusion, les résultats de cette étude soulignent le potentiel de la musique en tant qu'intervention visant à améliorer l'humeur. En outre, les résultats suggèrent que la SMTr excitatrice ciblant le CPFdl gauche peut entraîner une baisse de l'humeur. Il est nécessaire de poursuivre les recherches dans ce domaine, notamment en explorant d'autres combinaisons de stimuli, telles que la SMTr excitatrice sur le CPFdl droit associée à la musique, afin de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents et d'optimiser l'utilisation de ces interventions pour la régulation de l'humeur. Ces recherches supplémentaires permettront de mieux comprendre la modulation de l'humeur et d'améliorer l'efficacité des interventions dans ce domaine. / Mood, as a central element in our perception of the world, encompasses a variety of emotions and greatly affects mental and physiological well-being. Effective mood regulation is vital for normal daily functioning, and any disruption can lead to major psychological disorders such as depression. At the cerebral level, the reward system, in particular, the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) and its dopaminergic projections, plays a central role in regulating mood and pleasure. A large body of research now shows that listening to music influences our mood, by affecting the reward system. In addition, excitatory repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) targeting the left DLPFC has shown promising results in altering mood and the reward system activity, as well as modulating perceived pleasure and motivation during music listening by increasing cortical excitability and plasticity. However, existing studies on the impact of rTMS on mood in healthy individuals yield conflicting results, and the joint effect of rTMS and music on mood remains unexplored. This study aims to determine whether excitatory rTMS can enhance the effects of music on mood in healthy volunteers. More specifically, we aim to validate the impact of music, rTMS, and their combined application on participants' mood. Twenty-four participants completed four experimental sessions, comprising either rTMS alone, listening to music alone, rTMS + music, or placebo/sham conditions. Participants' mood was assessed using a mood questionnaire and electrodermal activity (EDA) recordings before and after the stimuli. Results revealed a significant improvement in overall mood and positive mood, as well as a significant decrease in negative mood during the music-only session, indicating the effectiveness of music as a mood-enhancing intervention. Conversely, the rTMS session alone resulted in a decrease in positive mood and an increase in negative mood, suggesting a potential negative effect of rTMS on mood. In rTMS + music session, there was a trend in mood improvement, which we interpret as meaning that applying rTMS to the left DLPFC resulted in a decrease in the mood while listening to music counteracted this effect by inducing positive mood and reducing negative mood. In conclusion, the results of this study underline the potential of music as a mood-enhancing intervention. In addition, the results suggest that excitatory rTMS targeting the left DLPFC may lead to a decrease in mood. Further research in this area is necessary, including exploring alternative combinations of stimuli, such as excitatory rTMS on the right DLPFC in conjunction with music to better understand the underlying mechanisms and optimize the use of these interventions for mood regulation. This additional research will contribute to a more comprehensive understanding of mood modulation and enhance the effectiveness of interventions in this field.

Environ 300 millions de personnes dans le monde souffrent de dépression et environ 30% vont développer une dépression réfractaire. Une dépression est réfractaire quand deux traitements antidépresseurs ou plus échouent à améliorer la condition d’un patient. La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est un traitement sécuritaire et efficace de la dépression réfractaire. Son efficacité et sa tolérabilité ont été largement prouvées grâce à des études randomisées, des méta-analyses et des revues de littérature. Toutefois, jusqu’à présent, le traitement de la dépression réfractaire avec la TMS demeure sous-étudié avec des données en pratique clinique réelle. Pour répondre à cette lacune, nous avons conduit une analyse rétrospective des dossiers médicaux de patients dépressifs réfractaires ayant suivi un traitement de TMS à l’Unité de Neuromodulation Psychiatrique (UNP) du Centre Hospitalier de l’Université de Montréal (CHUM) entre janvier 2012 et mai 2022. Nous avons examiné l’efficacité et la tolérabilité de la TMS pour ces patients. De façon secondaire, nous avons vérifié si des caractéristiques cliniques des patients avant leur traitement de TMS pouvaient être associées avec l’amélioration de leurs symptômes dépressifs à la suite du traitement de TMS. Nous avons également vérifié si nos résultats étaient semblables à ceux retrouvés dans la littérature scientifique. Cette étude offrirait aux cliniciens une perspective réaliste de l’efficacité et de la tolérabilité de la TMS à une clinique de troisième ligne. / Around 300 million people worldwide suffer from depression and around 30% will develop treatment-resistant depression (TRD). Depression is treatment-resistant when two or more antidepressant treatments fail to improve a patient’s condition. Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a safe and effective treatment for TRD. Its efficacy and tolerability have been widely demonstrated through randomized studies, meta-analyses, and literature reviews. However, to date, the treatment of TRD with TMS remains under-studied with evidence in real-world clinical practice. To address this gap, we conducted a retrospective chart review of TRD patients who had undergone TMS therapy at the Psychiatric Neuromodulation Unit (UNP) of the University of Montreal Hospital Center (CHUM) between January 2012 and May 2022. We examined the efficacy and tolerability of TMS for these patients. As a secondary measure, we examined whether baseline clinical characteristics of patients could be associated with the improvement of their depressive symptoms following TMS treatment. We also examined whether our results were similar to those found in the scientific literature. This study would provide clinicians with a realistic perspective on the efficacy and tolerability of TMS at a third-line clinic.

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Damage to the nervous system may cause sensorimotor impairment, often resulting in chronic neuropathic pain. Phantom limb pain affects multiple amputees and the treatment options are limited. A promising treatment option to reduce chronic pain is by training sensory discrimination. At the Center for Bionics and Pain Research, a sensory training device has been developed. Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a technique to stimulate different regions of the cerebral cortex. In studies, anodal tDCS of the sensorimotor cortex has shown to improve tactile acuity. Until now, the effect of the sensory discrimination training, performed with the sensory training device, in combination with tDCS has not been tested. The purpose of this master’s thesis was to determine the effect of tDCS applied on the sensorimotor cortex on the outcomes of sensory discrimination training. The purpose was also to compare the effect of two different methods of stimulation, namely conventional and High Definition tDCS. 16 able-bodied participants underwent three single sessions with 40 minutes of sensory discrimination training: one session combined with conventional tDCS, one session combined with High Definition tDCS and one session without tDCS. The tactile acuity was determined by the two-point discrimination test and the Semmes-Weinstein monofilament test, prior to and one hour after each session. This study showed that 40 minutes of sensory discrimination training was sufficient to improve the two-point discrimination in the sensory trained areas, compared to the sensory untrained areas (p=0.02). However, the improvement in two-point discrimination was not statistically significant between the interventions, i.e. the improvement in two-point discrimination for the sessions with brain modulation was not statistically significant compared to the session without brain modulation. The monofilament assessments showed an improvement in monofilament score for the sensory untrained skin patches (p=0.053). This study concluded that single sessions of training was enough to improve two-point discrimination but not monofilament score at the site of stimulation. This study lays a foundation for what parameters to include in future studies.

<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)