Bihemispheric reorganization of neuronal activity during hand movements after unilateral inactivation of the primary motor cortex

Abstract

Le cortex moteur primaire (M1) est souvent endommagé lors des lésions cérébrales telles que les accidents vasculaires cérébraux. Ceci entraîne des déficits moteurs tels qu'une perte de contrôle des membres controlatéraux. La récupération des lésions M1 s'accompagne d'une réorganisation hémodynamique dans les zones motrices intactes des deux hémisphères. Cette réorganisation est plus prononcée dans les premiers jours et semaines qui suivent la lésion. Toutefois, nous avons une compréhension limitée de la réorganisation neuronale rapide qui se produit dans ce réseau moteur cortical complexe. Ces changements neuronaux nous informent sur l’évolution possible de la plasticité subaiguë impliquée dans la récupération motrice. Par conséquent il était grand temps qu’une caractérisation de la réorganisation rapide de l'activité neuronale dans les régions motrices des deux hémisphères soit entreprise. Dans cette thèse nous avons exploré l'impact d'une lésion corticale localisée, unilatérale et réversible dans M1 sur l'activité neuronale des zones motrices des hémisphères ipsi et contralésionnel lorsque des primates non humains ont effectués des mouvements d’atteinte et de saisie. Notre modèle d'inactivation nous a permis d'enregistrer en continu des neurones isolés avant et après l'apparition des déficits moteurs. Dans une première étude, la réorganisation rapide qui se produit dans le cortex prémoteur ventral (PMv) des deux hémisphères a été étudiée (Chapitre 2). Le PMv est une zone connue pour être impliquée dans le contrôle moteur de la main et la récupération des lésions M1. Dans une seconde étude, la réorganisation rapide du M1 contralésionnel (cM1) a été étudiée et comparée à celles se produisant dans les PMv bilatérales (Chapitre 3). Le cM1 joue un rôle complexe dans la récupération des mouvements de précision de la main suite à une blessure à son homologue. Nous révélons une réorganisation neuronale importante et beaucoup plus complexe que prévu dans les deux hémisphères lors de l’apparition initiale des déficiences motrices. Nos données démontrent que les changements neuronaux survenant quelques minutes après une lésion cérébrale sont hétérogènes à la fois dans et entre les zones du réseau moteur cortical. Ils se produisent dans les deux hémisphères lors des mouvements des bras parétiques et non parétiques, et ils varient au cours des différentes phases du mouvement. Ces découvertes constituent une première étape nécessaire pour démêler les corrélats neuronaux complexes de la réorganisation au travers du réseau moteur des deux hémisphères à la suite d’une lésion cérébrale.

After brain injuries such as stroke, the primary motor cortex (M1) is often damaged leading to motor deficits that include a loss of fine motor skills of the contralateral limbs. Recovery from M1 lesions is accompanied by hemodynamic reorganization in motor areas distal to the site of injury in both hemispheres that are most pronounced early after injury. However, we have limited understanding of the rapid neuronal reorganization that occurs in this complex and distributed cortical motor network. As these neural changes reflect the landscape on which subacute plasticity involved in motor recovery will take place, an exploration of the rapid reorganization in neural activity that occurs in motor regions of both hemispheres is long overdue. In the current thesis, we set out to explore the impact of a localized, unilateral and reversible cortical injury to the M1 hand area on neuronal activity in motor-related areas of both the ipsi and contralesional hemispheres as non-human primates performed a reach and grasp task. Our inactivation model allowed us to continuously record isolated neurons before and after the onset of motor deficits. In a first study, the rapid reorganization taking place in the ventral premotor cortex (PMv) of both hemispheres was investigated (Chapter 2). The PMv is an area well-known to be critically involved in hand motor control and recovery from M1 lesions. In a second study, the rapid reorganization taking place in the contralesional M1 (cM1) was studied and compared to those occurring in bilateral PMv (Chapter 3). The cM1 has a complex role in recovery of dexterous hand movements following injury to its homologue. We reveal extensive, and much more complex than expected, neuronal reorganization in both hemispheres at the very onset of motor impairments. Our data demonstrate that neuronal changes occurring within minutes after brain injury are heterogenous both within and across areas of the cortical motor network. They occur in the two hemispheres during movements of both the paretic and non-paretic arms, and they vary during different phases of movement. These findings constitute a first step in a much needed and timely effort to unravel the complex neuronal correlates of the reorganization that takes place across the distributed motor network after brain injury.