Rôle du cortex pariétal postérieur dans le processus d'intégration visuomotrice - connexions anatomiques avec le cortex moteur et activité cellulaire lors de la locomotion chez le chat

Abstract

La progression d’un individu au travers d’un environnement diversifié dépend des informations visuelles qui lui permettent d’évaluer la taille, la forme ou même la distance et le temps de contact avec les obstacles dans son chemin. Il peut ainsi planifier en avance les modifications nécessaires de son patron locomoteur afin d’éviter ou enjamber ces entraves. Ce concept est aussi applicable lorsque le sujet doit atteindre une cible, comme un prédateur tentant d’attraper sa proie en pleine course. Les structures neurales impliquées dans la genèse des modifications volontaires de mouvements locomoteurs ont été largement étudiées, mais relativement peu d’information est présentement disponible sur les processus intégrant l’information visuelle afin de planifier ces mouvements. De nombreux travaux chez le primate suggèrent que le cortex pariétal postérieur (CPP) semble jouer un rôle important dans la préparation et l’exécution de mouvements d’atteinte visuellement guidés. Dans cette thèse, nous avons investigué la proposition que le CPP participe similairement dans la planification et le contrôle de la locomotion sous guidage visuel chez le chat. Dans notre première étude, nous avons examiné l’étendue des connexions cortico-corticales entre le CPP et les aires motrices plus frontales, particulièrement le cortex moteur, à l’aide d’injections de traceurs fluorescents rétrogrades. Nous avons cartographié la surface du cortex moteur de chats anesthésiés afin d’identifier les représentations somatotopiques distales et proximales du membre antérieur dans la partie rostrale du cortex moteur, la représentation du membre antérieur située dans la partie caudale de l’aire motrice, et enfin la représentation du membre postérieur. L’injection de différents traceurs rétrogrades dans deux régions motrices sélectionnées par chat nous a permis de visualiser la densité des projections divergentes et convergentes pariétales, dirigées vers ces sites moteurs. Notre analyse a révélé une organisation topographique distincte de connexions du CPP avec toutes les régions motrices identifiées. En particulier, nous avons noté que la représentation caudale du membre antérieur reçoit majoritairement des projections du côté rostral du sillon pariétal, tandis que la partie caudale du CPP projette fortement vers la représentation rostrale du membre antérieur. Cette dernière observation est particulièrement intéressante, parce que le côté caudal du sillon pariétal reçoit de nombreux inputs visuels et sa cible principale, la région motrice rostrale, est bien connue pour être impliquée dans les fonctions motrices volontaires. Ainsi, cette étude anatomique suggère que le CPP, au travers de connexions étendues avec les différentes régions somatotopiques du cortex moteur, pourrait participer à l’élaboration d’un substrat neural idéal pour des processus tels que la coordination inter-membre, intra-membre et aussi la modulation de mouvements volontaires sous guidage visuel. Notre deuxième étude a testé l’hypothèse que le CPP participe dans la modulation et la planification de la locomotion visuellement guidée chez le chat. En nous référant à la cartographie corticale obtenue dans nos travaux anatomiques, nous avons enregistré l’activité de neurones pariétaux, situés dans les portions des aires 5a et 5b qui ont de fortes connexions avec les régions motrices impliquées dans les mouvements de la patte antérieure. Ces enregistrements ont été effectués pendant une tâche de locomotion qui requiert l’enjambement d’obstacles de différentes tailles. En dissociant la vitesse des obstacles de celle du tapis sur lequel le chat marche, notre protocole expérimental nous a aussi permit de mettre plus d’emphase sur l’importance de l’information visuelle et de la séparer de l’influx proprioceptif généré pendant la locomotion. Nos enregistrements ont révélé deux groupes de cellules pariétales activées en relation avec l’enjambement de l’obstacle: une population, principalement située dans l’aire 5a, qui décharge seulement pendant le passage du membre au dessus del’entrave (cellules spécifiques au mouvement) et une autre, surtout localisée dans l’aire 5b, qui est activée au moins un cycle de marche avant l’enjambement (cellules anticipatrices). De plus, nous avons observé que l’activité de ces groupes neuronaux, particulièrement les cellules anticipatrices, était amplifiée lorsque la vitesse des obstacles était dissociée de celle du tapis roulant, démontrant l’importance grandissante de la vision lorsque la tâche devient plus difficile. Enfin, un grand nombre des cellules activées spécifiquement pendant l’enjambement démontraient une corrélation soutenue de leur activité avec le membre controlatéral, même s’il ne menait pas dans le mouvement (cellules unilatérales). Inversement, nous avons noté que la majorité des cellules anticipatrices avaient plutôt tendance à maintenir leur décharge en phase avec l’activité musculaire du premier membre à enjamber l’obstacle, indépendamment de sa position par rapport au site d’enregistrement (cellules bilatérales). Nous suggérons que cette disparité additionnelle démontre une fonction diversifiée de l’activité du CPP. Par exemple, les cellules unilatérales pourraient moduler le mouvement du membre controlatéral au-dessus de l’obstacle, qu’il mène ou suive dans l’ordre d’enjambement, tandis que les neurones bilatéraux sembleraient plutôt spécifier le type de mouvement volontaire requis pour éviter l’entrave. Ensembles, nos observations indiquent que le CPP a le potentiel de moduler l’activité des centres moteurs au travers de réseaux corticaux étendus et contribue à différents aspects de la locomotion sous guidage visuel, notamment l’initiation et l’ajustement de mouvements volontaires des membres antérieurs, mais aussi la planification de ces actions afin d’adapter la progression de l’individu au travers d’un environnement complexe.

When progressing through a varied environment, an individual will depend on visual information to evaluate the size, shape or the distance and time to contact of objects in his path. This will allow him to plan in advance the gait requirements necessary to avoid or step over these obstacles. This concept is also applicable in situations where the subject must reach a target, as with a predator chasing down its prey. The neural structures involved in generating voluntary gait modifications during locomotion have been extensively studied, but relatively little information is available on the processes that integrate visual information to plan these movements. Numerous studies in the primate suggest that the posterior parietal cortex (PPC) plays an important role in the preparation and execution of visually-guided reaching movements. In this thesis, we investigated the proposition that the PPC is similarly involved in the planning and control of visually-guided locomotion in the cat. Our first study examined the extent of cortico-cortical connections between the PPC and the more frontal motor areas, particularly the motor cortex, using injections of fluorescent retrograde tracers. We mapped the cortical surface of anaesthetized cats to identify the somatotopical representations of the distal and proximal forelimb in the rostral portion of the motor cortex, the forelimb representation in the caudal motor area, and also the hindlimb representation. The injection of different tracers in two selected regions, for every cat, allowed us to visualize the density of divergent and convergent parietal projections to these motor sites. Our analysis revealed a distinct topographical organization of parietal connections with all of the identified motor regions. In particular, the caudal motor representation of the forelimb primarily received projections from the rostral bank of the parietal cortex, while the caudal portion of the PPC strongly projected to the rostral forelimb representation. The latter observation is particularly interesting, since the caudal bank of the PPC receives numerous visual inputs and its target, the rostral motor region, is well-known for its involvement in voluntary motor functions. Therefore, this study suggests that the PPC, through extensive connections with the different somatotopic representations of the motor cortex, could constitute an ideal neural substrate for processes such as inter- and intra-limb coordination, as well as the modulation of visually-guided voluntary movements. Our second study tested the hypothesis that the PPC participates in the modulation and planning of voluntary gait modifications during locomotion in the cat. Using the cortical mapping established in our anatomical study, we recorded the activity of parietal neurons, localized in parts of areas 5a and 5b which are known to project strongly towards motor regions involved in forelimb movements. These recordings were obtained during a locomotion task requiring the cat to step over several obstacles of different sizes. By dissociating the speed of the obstacles from that of the treadmill onto which the cat is walking, our experimental protocol also allows us to increase the importance of visual information from the obstacles and to separate it from the influx of proprioceptive influx generated during locomotion. Our recordings revealed two groups of parietal cells on the basis of their activity in relation with the step over the obstacle: one population, mostly localized in area 5a, discharged solely as the lead forelimb passed over the obstacle (step-related cells), and another group, mainly found in area 5b, that showed significant activity at least one step cycle before the gait modification (step-advanced cells). Additionally, we observed an increase of cell activity in these groups, but particularly in step-advanced cells, when the speed of the obstacles was dissociated from that of the treadmill, demonstrating the growing importance of visual information as the task’s difficulty is increased. Finally, a great number of step-related cells were found to discharge specifically in correlation with muscle activity in the contralateral forelimb, regardless of whether or not it led over the obstacle (limb-specific cells). Inversely, the majority of step-advanced neurons tended to maintain their discharge in phase with the leading limb during the gait modification, independently of its position in relation with the recording site (limb-independent cells). We suggest that this additional disparity indicates diversified functions in PPC activity. For example, limb-specific cells could be involved in modulating the movement of the contralateral forelimb over the obstacle, regardless of its order of passage, while limb-independent neurons could instead specify the type of voluntary movement required to overcome the obstacle. Together, our observations indicate that the PPC can potentially influence the activity of motor centers through extensive cortical networks, and contributes to different aspects of visually-guided locomotion, such as initiation and modulation of voluntary forelimb movements, as well as the planning of these gait modifications to allow an individual to walk through a complex environment.