Rseaux crbraux et apprentissage moteur Habib Benali Directeur
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 courriel : benali@imed. jussieu. fr Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
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. Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Mémoire Les types de mémoire: A. Mémoire à court terme (MCT). Cette forme de mémoire dure de quelques secondes à quelques minutes. 1. 2. 3. 4. 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. Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Mémoire Les types de mémoire Mémoire à long terme (MLT). Ce type de mémoire peut durer toute une vie. 1. Correspond au sens commun du mot mémoire. 2. Sa capacité est énorme. 3. Elle est résistante après consolidation. Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
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Adaptation sensori-motrice Condition Inversée 1 8 2 7 3 6 4 5 Cibles apparaissent dans un ordre aléatoire nécessite Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Apprentissage de séquences motrices Tâche de Séquence motrice ou (4 -1 -3 -2 -4) Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Neuroimagerie Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
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 Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Bases neurales de l’apprentissage moteur Fast Learning Frontal associative regions Motor cortical regions Parietal Cortices Sensorimotor striatum Cerebellar cortices and nuclei Associative striatum Cerebellar cortices Medial temporal lobe (hippocampus) Cognitive processes Motor sequence learning Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07 Motor adaptation Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology
Slow Learning Bases neurales de l’apprentissage moteur Motor cortical regions Striatum Parietal cortex Cerebellum Consolidation Frontal associative regions Fast Learning Motor cortical regions Parietal Cortices Sensorimotor Cerebellar cortices and nuclei striatum Associative striatum Cerebellar cortices Medial temporal lobe (hippocampus) Cognitive processes Motor sequence learning Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07 Motor adaptation Cognitive processes Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology
Slow Learning Bases neurales de l’apprentissage moteur Motor cortical regions Parietal cortex Striatum Motor cortical Parietal regions cortex Cerebellum Automatization Motor Striatum cortical regions Parietal cortex Cerebellum Fast Learning Consolidation Frontal associative regions Motor cortical regions Parietal Cortices Sensorimotor striatum Associative striatum Cerebellar cortices and nuclei Cerebellar cortices Medial temporal lobe (hippocampus) Cognitive processes Motor sequence learning Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07 Motor adaptation Cognitive processes Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology
Slow Learning Retention Bases neurales de l’apprentissage moteur Motor cortical Parietal cortex regions Striatum Motor cortical Parietal cortex regions Cerebellum Time delay Motor cortical regions Parietal cortex Striatum Motor cortical regions Cerebellum Parietal cortex Automatization Motor cortical regions Striatum Parietal cortex Cerebellum Fast Learning Consolidation Frontal associative regions Motor cortical regions Parietal Cortices Sensorimotor striatum Associative striatum Cerebellar cortices and nuclei Cerebellar cortices Medial temporal lobe (hippocampus) Cognitive processes Motor sequence learning Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07 Motor adaptation Cognitive processes Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology
Apprentissage Moteur et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau Réseau de neurones à large-échelle Varela et al. Nature reviews neuroscience (2001) Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
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Adaptation sensori-motrice Protocole IRMf • • • Sujets : Scan : Pratique : Schème: Endroit : n = 11 2 sessions séparées de 24 heures 2 sessions additionelles de pratique Par bloc et évènementiel 3. 0 T à Marseille Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Adaptation sensori-motrice et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Méthode Jour 1 Introduction IRMf 1 Jour 2 Entraînement 1 Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07 Entraînement 2 IRMf 2
Adaptation sensori-motrice et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Méthode Trajet suivi par le sujet Ellipse Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Adaptation sensori-motrice et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Performance temps Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Adaptation sensori-motrice et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Réseau Unités cérébrales Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Block 1 (p<0. 01) Réseau Fonctionnel R-M 1 SMA R-Pre-Cu R-Par Cx R-PM L-Pre-Cu r L-M 1 1 L-PM R-DLPFC L-Par Cx Cing R-Visual A. L-DLPFC R-Caud. N R-Thal L-Thal R-Put L-Caud. N L-Visual A. Ant-Cereb 0 L-Put R-Cereb Cx L-Cereb Cx Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Block 2 (p<0. 01) Réseau Fonctionnel R-M 1 SMA R-Pre-Cu R-Par Cx R-PM L-Pre-Cu r L-M 1 1 L-PM R-DLPFC L-Par Cx Cing R-Visual A. L-DLPFC R-Caud. N R-Thal L-Thal R-Put L-Caud. N L-Visual A. Ant-Cereb 0 L-Put R-Cereb Cx L-Cereb Cx Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Block 3 (p<0. 01) Réseau Fonctionnel R-M 1 SMA R-Pre-Cu L-Pre-Cu R-Par Cx R-PM r L-M 1 1 L-PM R-DLPFC L-Par Cx Cing R-Visual A. L-DLPFC R-Caud. N R-Thal L-Thal R-Put L-Caud. N L-Visual A. Ant-Cereb 0 L-Put R-Cereb Cx L-Cereb Cx Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Block 4 (p<0. 01) Réseau Fonctionnel R-M 1 SMA R-Pre-Cu R-Par Cx R-PM L-Pre-Cu r L-M 1 1 L-PM R-DLPFC L-Par Cx Cing R-Visual A. L-DLPFC R-Caud. N R-Thal L-Thal R-Put L-Caud. N L-Visual A. Ant-Cereb 0 L-Put R-Cereb Cx L-Cereb Cx Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Connectivité fonctionnelle : Dynamique # connections * Nombre de connections par block * * * block Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07 Jour 1 Jour 2
Connectivité fonctionnelle : Dynamique Graphe de spécialisation : connectivités de block 1 to 2, stables après R-Pre-Cu SMA L-Pre-Cu L-DLPFC R-PM Motor R-Par Cx L-Par Cx cortical areas Parietal cortex Cerebellum Cing R-Visual A. L-Visual A. Consolidation Ant-Cereb L-Cereb Cx R-Cereb Cx Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07 Motor cortical areas Parietal cortex Striatum Cerebellum Motor adaptation
Connectivité fonctionnelle : Dynamique Graphe de spécialisation: connectivités R-PM SMA de block 1 to 2, et Motor après cortical areas Parietal cortex Cerebellum R-Put L-Put Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07 Consolidation Motor cortical areas Parietal cortex Striatum Cerebellum Motor adaptation
Apprentissage de séquences motrices Tâche de Séquence motrice Fréquence du mouvement fixe à 2 Hz Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
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 Fréquence (Hz) Fréquence du mouvement Hypothèse : l’activité se déplace d’un territoire associatif à un territoire sensorimoteur du striatum au cours de l’apprentissage 7 6 5 4 3 2 1 0 +97% 1 7 14 Jours 21 28 Apprise Nouvelle Erreurs -58% Erreurs (%) 2. 0 Lehéricy , Benali et al. PNAS 2005 1. 0 0. 5 0. 0 1 Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07 7 14 Jours 21 28
Apprentissage de séquences motrices : Réseau fonctionnel Régions dont l’activité baisse au cours de la session 1 [ (avant) versus (après 50 min de pratique) ] G D Aires corticales motrices Striatum Cortex pariétal Cervelet Consolidation Aires corticales motrices. Cortex pariétal Striatum Cervelet Apprentissage de séquence motrice Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07 Lehéricy , Benali et al. PNAS 2005
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 Signal J 28 Droit / controlatéral gauche / ipsilatéral 1. 2 1. 0 0. 8 0. 6 0. 4 0. 2 0. 0 50 min Putamen droit dorsal ventral 1 2 3 4 séries CN Pu T 5 Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07 Lehéricy , Benali et al. PNAS 2005
Connectivités anatomiques : IRM de diffusion modèle mesures anisotrope Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Connectivités anatomiques : connexions cortico - striatales INRIA λ 1, e 1 λ 2, e 2 λ 3, e 3 Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Connectivités anatomiques : connexions cortico - striatales
Construction du faisceau cortico – striatal Cartes DTI moyenne normalisée Région activée Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Changement de circuit cortico – striatal lors de l’apprentissage Cartes DTI moyennes normalisées Avant apprentissage pre. SMA Cortex Moteur Après apprentissage Cortex sensoriel primaire Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07 Tous les sujets C Lenglet, INRIA
Organisation des circuits cortico – ganglions de la base (sensorimoteur, premoteur, associatif, limbique) PF PM M 1 OF CN Pu T VS Alexander Ann Rev Neurosci 1986 Selemon, Goldman-Rakic J Neurosci 1985 Parent, Hazrati Brain Res Rev 1995 Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
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 Jour 1 Jour 28 SMA pre. SMA Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07 Les aires activées dans le putamen après apprentissage étaient connectées avec le cortex moteur primaire et prémoteur postérieur
Effet du Sommeil sur l’Apprentissage Moteur Schème Expérimental: Groupe Nuit (n=26) 1 2 3 123 4 4 Retest (12 h après) Sommeil Entraînement Soir Matin 12 heures hours ) Groupe Jour (n=25) 1 2 3 4 1 2 3 Entraînement 4 Retest (12 h après) PASSAGE du Temps Matin Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07 12 heures Soir
Effet du Sommeil sur l’Apprentissage Moteur Apprentissage d’une séquence de mouvements Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Effet du Sommeil sur l’Apprentissage Moteur : Interférence Apprentissage d’une séquence de mouvements Neurosciences et apprentissage Lyon 22 -03 -07
Collaborateurs Pierre BELLEC Stéphane LEHERICY Guillaume MARRELEC Vincent PERLBARG Saâd JBABDI Mélanie PELEGRINI-ISSAC Julien DOYON Jean DAUNIZEAU Odile JOLIVET Avi KARNI, Maria KORMAN, Pierre MAQUET, Philippe PEIGNEUX
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