Cortical modulation of visual and somatosensory information when it becomes incongruent during hand tracing movements: an EEG approach
Modulation du traitement cortical des informations visuelles et somatosensorielles en situation d’incongruence: une approche électroencéphalographique
Résumé
Since Woodworth (1899), vision is well recognized by the scientific community to be of a
great importance to control voluntary movements. Besides, we know that somatosensory
information is also essential for that purpose, as shown by works largely initiated by
Sherrington at the beginning of the last century. However, the literature provides little
information about the neural mechanisms underlying the processing of visual and
somatosensory information during voluntary movements. The goal of our doctoral research
was to better understand how the brain integrates visual and somatosensory information
during the control of movement. More specifically, we investigated the weighting of these
sensory inputs in conditions under which they provided either congruent or incongruent
information about hand motion.
A visuo-somatosensory incongruence arises in our day-to-day life, for example, when we
wear eyeglasses or when we use a computer mouse for the first time. It can also be induced
experimentally, as we have done in our experiments, by shifting the visual feedback of the
environment with a mirror or a computer device. In experimental paradigms that provided
either congruent or incongruent visual and somatosensory information, we asked participants
to follow precisely the outline of an irregular shape with a stylus on a digitizing tablet. Brain
activity was recorded with an electroencephalographic device, and quantified by measuring
visual evoked potentials amplitudes [Study 1], and the power in the alpha (8-12 Hz), beta (15-
v
25 Hz) and gamma (50-80 Hz) frequency-bands [Studies 2 and 3]. We first evidenced that
visually-guided hand movements increased the sensitivity to visual inputs of a large cortical
network. Moreover, we showed that controlling movement in a situation with an
incongruence between visual and somatosensory input led to a further increase of visual,
somatosensory and posterior-parietal cortical excitability. We suggest that these modulations
reflect sensory weighting mechanisms in order to attempt to adapt to the sensory
incongruence. Interestingly, in the somatosensory areas, we found that the sensory
incongruent condition led to a reduction of gamma power, suggesting a reduced integration
of somatosensory inputs for controlling movements which might have attenuated the sensory
incongruence. Finally, we reported that motor learning (or over-learning) in a task without
sensory incongruence and visuomotor adaptation in a task with sensory incongruence both
resulted in a reduced activity of the posterior occipital and right posterior parietal cortices.
Taken together, our findings are in line with the existence of a general sensory gain control
mechanism driven by the state of adaptation of the sensorimotor system in a given sensory
context. More generally, our results argue for the idea that sensory processing is function of
the context-dependent relevance of the sensory inputs.
Au moins depuis Woodworth (1899), la communauté scientifique reconnaît l’importance de
la vision dans le contrôle du mouvement volontaire. Parallèlement, nous savons que l’utilisation
des informations somatosensorielles dans la production de mouvements, dont l’étude a
largement été initiée par Sherrington également au début du siècle dernier, est également
indispensable. Cependant, la littérature reste relativement pauvre concernant les corrélats
neuronaux du traitement des informations sensorielles pendant le contrôle du mouvement.
L’objectif du présent travail de thèse vise à mieux comprendre l’implication des informations
visuelles et somatosensorielles dans la réalisation de mouvements volontaires fluides et adaptés
aux contraintes du monde qui nous environne. Plus précisément, nos travaux visent à étudier
les mécanismes de pondération des informations visuelles et somatosensorielles dans le
contrôle du mouvement volontaire visuoguidé de la main lorsque les retours sensoriels de ces
deux canaux véhiculent des informations spatiales congruentes ou incongruentes.
Une incongruence entre les informations visuelles et somatosensorielles apparaît dans la vie
courante lorsque l’on porte des lunettes de correction ou que l’on utilise une souris d’ordinateur
pour la première fois. Il est également possible de recréer expérimentalement cette situation
d’incongruence, comme nous l’avons fait dans nos travaux, en décalant l’environnement visuel
perçu des participants par l’intermédiaire de miroirs ou par l’utilisation d’un dispositif
informatique. Dans de telles situations, nous avons demandé aux participants de suivre les
contours d’une forme géométrique irrégulière avec un stylet sur une tablette graphique, au
travers de protocoles expérimentaux qui permettaient ou non une adaptation à l'incongruence
sensorielle. L’activité cérébrale des régions visuelles, somatosensorielles et pariétales
postérieures a été enregistrée en électroencéphalographie, et quantifiée par la mesure de
l’amplitude de potentiels évoqués visuels [Etude 1] et de la puissance des bandes de fréquences
alpha (8-12 Hz), beta (15-25 Hz) et gamma (50-80 Hz) [Etudes 2 et 3]. Nous avons ainsi
principalement mis en évidence que le mouvement visuoguidé entraînait une augmentation de
l’activité au niveau des aires corticales visuelles. De plus, nous avons montré que le contrôle du
mouvement en situation d’incongruence induisait une plus grande augmentation de
l’excitabilité des cortex visuels, somatosensoriels et pariétaux postérieurs. Ces modulations
reflèteraient des mécanismes de pondération du traitement de ces entrées sensorielles dans le
but de s’adapter à cette situation. De manière intéressante, au niveau du cortex
somatosensoriel, la situation d’incongruence sensorielle entraînait parallèlement une réduction
iv
spécifique de puissance gamma, probable reflet d’un état non adapté des participants, et qui
pourrait bénéficier au contrôle du mouvement par réduction de l’intensité de l’incongruence.
Enfin, nous avons mis en évidence que l’apprentissage moteur (ou le sur-apprentissage moteur)
lors d’une tâche sans conflit ainsi que l’adaptation visuomotrice lors d’une tâche avec conflit
conduisait à la réduction de l’activité au niveau du cortex occipital postérieur et du cortex
pariétal postérieur droit.
Nos travaux plaident en faveur de l‘existence de mécanismes de pondérations sensorielles
qui permettent aux individus d'interagir de la façon la plus adaptée avec leur environnement en
fonction du contexte sensoriel du mouvement. Plus généralement, nos résultats soutiennent
l’idée que notre système nerveux est en mesure de moduler localement son activité en fonction
de la pertinence du traitement des informations pour répondre aux exigences imposées par le
contexte.