Réseaux cérébraux et apprentissage moteur

1. courriel : benali@imed.jussieu.fr Réseaux cérébraux et apprentissage moteur Habib Benali Directeur de recherche INSERM UMR-S 678 INSERM, UPMC ‘Laboratoire d’Imagerie Fonctionnelle’, Paris Laboratoire International de Neuroimagerie et Modélisation, INSERM-Université de Montréal

2. Mémoire Définition de la mémoire La mémoire est la capacité biologique, commune à tous les êtres vivants, qui sert à enregistrer, conserver et utiliser de l’information.

3. Mémoire Les types de mémoire: • Mémoire à court terme (MCT). Cette forme de mémoire dure de quelques secondes à quelques minutes. • Permet le rappel de l’information immédiatement après leur présentation (par exemple, un numéro de téléphone) • Mémoire pour l’information qui n’a pas quitté le niveau de conscience. • Sa capacité est limitée (empan mnésique = 7 +/- 2 items, chiffres ou mots). • Elle est fragile et facilement perturbée par des informations interférentes.

4. Mémoire Les types de mémoire • Mémoire à long terme (MLT). Ce type de mémoire peut durer toute une vie. • Correspond au sens commun du mot mémoire. • Sa capacité est énorme. • Elle est résistante après consolidation.

6. Condition Inversée 1 8 2 7 3 6 4 5 Cibles apparaissent dans un ordre aléatoire nécessite Adaptation sensori-motrice

7. Apprentissage de séquences motrices Tâche de Séquence motrice ou (4-1-3-2-4)

8. Neuroimagerie

9. Spécialisation des Systèmes CS et CC dans l’Apprentissage d’habiletés Motrices • La représentation à long terme du modèle interne exigé pour : • l’adaptation aux changements environnementaux implique un réseau distribué qui comprend le système cortico-cérébelleux. • l’apprentissage de séquences motrices implique un réseau distribué qui comprend le système cortico-striatal

10. Frontal associative regions Motor cortical regions Parietal Cortices Cerebellar cortices and nuclei Sensorimotor striatum Associative striatum Cerebellar cortices Fast Learning Medial temporal lobe (hippocampus) Cognitive processes Cognitive processes Motor sequence learning Motor adaptation Bases neurales de l’apprentissage moteur Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology

11. Motorcorticalregions Slow Learning Striatum Parietal cortex Cerebellum Consolidation Frontal associative regions Motor cortical regions Parietal Cortices Sensorimotor striatum Cerebellar cortices and nuclei Associative striatum Cerebellar cortices Medial temporal lobe (hippocampus) Bases neurales de l’apprentissage moteur Fast Learning Cognitive processes Cognitive processes Motor sequence learning Motor adaptation Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology

12. Motor cortical regions Motor cortical regions Parietal cortex Parietal cortex Striatum Cerebellum Slow Learning Motorcorticalregions Automatization Striatum Parietal cortex Cerebellum Consolidation Frontal associative regions Motor cortical regions Parietal Cortices Sensorimotor striatum Cerebellar cortices and nuclei Associative striatum Cerebellar cortices Medial temporal lobe (hippocampus) Cognitive processes Cognitive processes Motor sequence learning Motor adaptation Bases neurales de l’apprentissage moteur Fast Learning Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology

13. Motor cortical regions Motor cortical regions Parietal cortex Parietal cortex Striatum Cerebellum . . . . . . Time delay Motor cortical regions Motor cortical regions Cerebellum Parietal cortex Parietal cortex Striatum Motorcorticalregions Automatization Striatum Parietal cortex Cerebellum Consolidation Frontal associative regions Motor cortical regions Parietal Cortices Sensorimotor striatum Cerebellar cortices and nuclei Associative striatum Cerebellar cortices Medial temporal lobe (hippocampus) Cognitive processes Cognitive processes Motor sequence learning Motor adaptation Bases neurales de l’apprentissage moteur Retention Slow Learning Fast Learning Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology

14. Apprentissage Moteur et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau Réseau de neurones à large-échelle Varela et al. Nature reviews neuroscience (2001)

19. Protocole IRMf Sujets : n = 11 Scan : 2 sessions séparées de 24 heures Pratique : 2 sessions additionelles de pratique Schème: Par bloc et évènementiel Endroit : 3.0T à Marseille Adaptation sensori-motrice

20. Jour 1 Jour 2 Introduction IRMf 1 Entraînement 1 Entraînement 2 IRMf 2 Adaptation sensori-motriceet Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Méthode

21. Trajet suivi par le sujet Ellipse Adaptation sensori-motriceet Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Méthode

22. Performance temps Adaptation sensori-motriceet Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Performance

23. Adaptation sensori-motriceet Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Réseau Unités cérébrales

24. r 1 0 Réseau Fonctionnel Block 1 (p<0.01) R-M1 R-Pre-Cu R-Par Cx L-Pre-Cu SMA R-PM L-M1 L-PM L-Par Cx R-DLPFC Cing R-Visual A. L-DLPFC R-Thal L-Visual A. L-Thal R-Put R-CaudN Ant-Cereb L-CaudN L-Put R-Cereb Cx L-Cereb Cx

25. R-M1 R-Pre-Cu R-Par Cx L-Pre-Cu SMA r R-PM L-M1 1 L-PM L-Par Cx R-DLPFC Cing R-Visual A. L-DLPFC R-Thal L-Visual A. L-Thal R-Put R-CaudN 0 Ant-Cereb L-CaudN L-Put R-Cereb Cx L-Cereb Cx Réseau Fonctionnel Block 2 (p<0.01)

26. r 1 0 Réseau Fonctionnel Block 3 (p<0.01) R-M1 R-Pre-Cu R-Par Cx L-Pre-Cu SMA R-PM L-M1 L-PM L-Par Cx R-DLPFC Cing R-Visual A. L-DLPFC R-Thal L-Visual A. L-Thal R-Put R-CaudN Ant-Cereb L-CaudN L-Put R-Cereb Cx L-Cereb Cx

27. R-M1 R-Pre-Cu R-Par Cx L-Pre-Cu SMA r R-PM L-M1 1 L-PM L-Par Cx R-DLPFC Cing R-Visual A. L-DLPFC R-Thal L-Visual A. L-Thal R-Put R-CaudN 0 Ant-Cereb L-CaudN L-Put R-Cereb Cx L-Cereb Cx Réseau Fonctionnel Block 4 (p<0.01)

28. Connectivité fonctionnelle : Dynamique # connections * Nombre de connections par block * * * block Jour 1 Jour 2

29. Motor cortical areas R-Pre-Cu SMA L-Pre-Cu Parietal cortex Cerebellum R-Par Cx L-Par Cx R-PM L-DLPFC Cing R-DLPFC Consolidation R-Visual A. L-Visual A. Ant-Cereb L-Cereb Cx Motor cortical areas Parietal cortex R-Cereb Cx Striatum Cerebellum Motor adaptation Connectivité fonctionnelle : Dynamique Graphe de spécialisation :connectivités de block 1 to 2, stables après

30. Motor cortical areas Parietal cortex Cerebellum R-PM SMA Consolidation Motor cortical areas R-Put Parietal cortex L-Put Striatum Cerebellum Motor adaptation Connectivité fonctionnelle : Dynamique Graphe de spécialisation:connectivités de block 1 to 2, et après

31. Apprentissage de séquences motrices Tâche de Séquence motrice Fréquence du mouvement fixe à 2Hz

32. Fréquence du mouvement 7 6 5 Fréquence (Hz) 4 3 2 1 0 1 7 14 21 28 Jours Apprise Nouvelle Erreurs 2.0 1.5 Erreurs (%) 1.0 0.5 0.0 1 7 14 21 28 Jours Apprentissage de séquences motrices : Protocole expérimental Tests de Vitesse Etude de la dynamique de l’activation dans les GB au cours d’un apprentissage de 4 semaines +97% Hypothèse : l’activité se déplace d’un territoire associatif à un territoire sensorimoteur du striatum au cours de l’apprentissage -58% Lehéricy , Benali et al. PNAS 2005

33. G D Airescorticalesmotrices Striatum Cortex pariétal Cervelet Consolidation Cortex pariétal Aires corticales motrices Striatum Cervelet Apprentissage de séquence motrice Apprentissage de séquences motrices : Réseau fonctionnel Régions dont l’activité baisse au cours de la session1 [ (avant) versus (après 50 min de pratique) ] Lehéricy , Benali et al. PNAS 2005

34. Putamen droit 1.2 1.0 CN Signal 0.8 dorsal T 0.6 Pu ventral 0.4 0.2 0.0 1 2 3 4 5 séries Apprentissage de séquences motrices : GB L’activation se déplace d’un territoire à un autre au sein du striatum lors de l’apprentissage Début 10 min 50 min J 28 Début 10 min 50 min J 28 Droit / controlatéral gauche / ipsilatéral Lehéricy , Benali et al. PNAS 2005

35. modèle anisotrope isotrope Connectivités anatomiques : IRM de diffusion mesures

36. λ1, e1 λ3, e3 λ2, e2 Connectivités anatomiques : connexions cortico - striatales INRIA

37. Connectivités anatomiques : connexions cortico - striatales

38. Cartes DTI moyenne normalisée Construction du faisceau cortico – striatal Région activée

39. Changement de circuit cortico – striatal lors de l’apprentissage Cartes DTI moyennes normalisées Avant apprentissage preSMA Cortex Moteur Après apprentissage Cortex sensoriel primaire Tous les sujets C Lenglet, INRIA

40. PF PM M1 Organisation des circuits cortico – ganglions de la base (sensorimoteur, premoteur, associatif, limbique) OF CN T Pu VS Alexander Ann Rev Neurosci 1986 Selemon, Goldman-Rakic J Neurosci 1985 Parent, Hazrati Brain Res Rev 1995

41. Changement de circuit cortico – striatal lors de l’apprentissage Les aires activées dans le putamen avant apprentissage étaient connectées avec le cortex prémoteur antérieur et postérieur Les aires activées dans le putamen après apprentissage étaient connectées avec le cortex moteur primaire et prémoteur postérieur Jour 1 Jour 28 SMA preSMA

42. 1 2 3 1 2 3 4 4 1 2 3 4 1 2 3 4 Effet du Sommeil sur l’Apprentissage Moteur Schème Expérimental: Groupe Nuit (n=26) Retest Sommeil Entraînement (12 h après) Soir Matin 12 heures 12 hours ) Groupe Jour (n=25) Retest PASSAGE du Entraînement (12 h après) Temps Matin Soir heures 12 12

43. Effet du Sommeil sur l’Apprentissage Moteur Apprentissage d’une séquence de mouvements

44. Effet du Sommeil sur l’Apprentissage Moteur : Interférence Apprentissage d’une séquence de mouvements

45. Pierre BELLEC Mélanie PELEGRINI-ISSAC Stéphane LEHERICY Jean DAUNIZEAU Collaborateurs Guillaume MARRELEC Vincent PERLBARG Saâd JBABDI Julien DOYON Odile JOLIVET Avi KARNI, Maria KORMAN, Pierre MAQUET, Philippe PEIGNEUX