Evidence for a reference frame transformation of vestibular contributions to voluntary reaching movements

Abstract

Les estimations des mouvements de soi provenant des signaux vestibulaires contribuent à la planification et l’exécution des mouvements volontaires du bras lorsque le corps se déplace. Cependant, comme les senseurs vestibulaires sont fixés à la tête alors que le bras est fixé au corps, les signaux vestibulaires doivent être transformés d’un système de référence centré sur la tête à un système centré sur le corps pour pouvoir contribuer de façon appropriée au contrôle moteur du bras. Le but premier de ce travail était d’étudier l’évidence d’une telle transformation. La stimulation galvanique vestibulaire (SGV) a été utilisée pour activer les afférences vestibulaires et simuler une rotation autour d’un axe naso-occipital fixe pendant que des sujets humains faisaient des mouvements du bras dans le plan horizontal, avec la tête dans différentes orientations. Une transformation des signaux vestibulaires implique que la SVG devrait simuler une rotation autour d’un axe horizontal lorsque la tête est droite et autour d’un axe vertical lorsque la tête est en flexion antérieure. La SGV devrait ainsi perturber les mouvements du bras en fonction de l’orientation de la tête. Nos résultats démontrent que les signaux vestibulaires contribuant aux mouvements d’atteinte sont effectivement transformés en un système de référence centrée sur le corps. Le deuxième but de ce travail était d’explorer les mécanismes utilisant ces signaux vestibulaires transformés. En comparant les effets de la SGV appliquée avant ou pendant les mouvements d’atteinte nous avons montré que les signaux vestibulaires transformés contribuent à des mécanismes de compensation distincts durant la planification des mouvements d’atteinte comparativement à l’exécution.

Vestibular signals provide self-motion estimates that contribute to the planning and execution of voluntary reaching movements during body motion. However, because the vestibular sensors are fixed in the head whereas the arm is fixed to the trunk vestibular signals must be transformed from a head-centered to a body-centered reference frame to contribute appropriately to limb motor control. The first goal of the current work was to investigate the evidence for such a transformation. To do so we used galvanic vestibular stimulation (GVS) to selectively activate vestibular afferents and simulate rotation about a fixed roughly naso-occipital axis as human subjects performed reaching movements with the head in different orientations. If vestibular signals that contribute to reaching are transformed to body-centered coordinates, then with the head upright GVS should simulate mainly tilt about an earth-horizontal axis (roll), whereas with the head pitched forward the same stimulus should simulate rotation about an earth-vertical axis (yaw). We therefore predicted that GVS should perturb horizontal-plane reach trajectories in a head-orientation dependent manner. Our results demonstrate that vestibular signals which contribute to reaching are indeed transformed to a body-centered reference frame. The second goal of this work was to explore the mechanisms that use these transformed vestibular signals. By comparing the effect of GVS applied during versus prior to reaching we also provide evidence that transformed vestibular signals contribute to distinct compensation mechanisms for body motion during reach planning versus execution.