Neurosciences et apprentissage Lyon 22-03-07

Réseaux cérébraux et apprentissagemoteur

courriel : benali@imed.jussieu.fr

Habib BenaliDirecteur de recherche INSERM

UMR-S 678 INSERM, UPMC ‘Laboratoire d’Imagerie Fonctionnelle’, Paris

Laboratoire International de Neuroimagerie et Modélisation, INSERM-Université de Montréal

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Mémoire

La mémoire est la capacité biologique,

commune à tous les êtres vivants, qui sert à

enregistrer, conserver et utiliser de

l’information.

Définition de la mémoire

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Mémoire

A. Mémoire à court terme (MCT). Cette forme de mémoire dure de quelques secondes à quelques minutes.1. Permet le rappel de l’information immédiatement après leur

présentation (par exemple, un numéro de téléphone)2. Mémoire pour l’information qui n’a pas quitté le niveau de

conscience.3. Sa capacité est limitée (empan mnésique = 7 +/- 2 items, chiffres

ou mots).4. Elle est fragile et facilement perturbée par des informations

interférentes.

Les types de mémoire:

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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.

Les types de mémoire

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Adaptation sensori-motrice

12

3

45

6

7

8

Cibles apparaissent dans un ordre aléatoire

Condition Inversée

nécessite

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Apprentissage de séquences motrices

4

3 2 1

Tâche de Séquence motrice

ou

(4-1-3-2-4)

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Neuroimagerie

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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

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Motor sequencelearning

Motor adaptation

Fast

Lea

rnin

g

Cognitiveprocesses

Cognitiveprocesses

Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology

Motor cortical regions Parietal Cortices

Associative striatum Cerebellar cortices

Frontal associative regions

Sensorimotor striatum Cerebellar cortices and nuclei

Medial temporal lobe (hippocampus)

Bases neurales de l’apprentissage moteur

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Consolidation

Fast

Lea

rnin

g

Motor sequencelearning

Motor adaptation

Cognitiveprocesses

Cognitiveprocesses

Slow

Lea

rnin

g

Motor cortical regions

Striatum CerebellumParietal cortex

Motor cortical regions Parietal Cortices

Associative striatum Cerebellar cortices

Frontal associative regions

Sensorimotor striatum Cerebellar cortices and nuclei

Medial temporal lobe (hippocampus)

Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology

Bases neurales de l’apprentissage moteur

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Automatization

Slow

Lea

rnin

gFa

st L

earn

ing

Cerebellum

Motor cortical regions

StriatumParietal cortex

Motor cortical regionsParietal cortex

Motor cortical regionsStriatum Cerebellum

Consolidation

Motor sequencelearning

Motor adaptation

Cognitiveprocesses

Cognitiveprocesses

Parietal cortex

Motor cortical regions Parietal Cortices

Associative striatum Cerebellar cortices

Frontal associative regions

Sensorimotor striatum Cerebellar cortices and nuclei

Medial temporal lobe (hippocampus)

Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology

Bases neurales de l’apprentissage moteur

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Rete

ntio

n

Cerebellum

Motor cortical regionsMotor cortical regions

StriatumParietal cortex Parietal cortex

Fast

Lea

rnin

gSl

ow L

earn

ing

Time delay

CerebellumMotor cortical regionsMotor cortical regions

StriatumParietal cortex Parietal cortex

Automatization

Motor cortical regionsStriatum Cerebellum

Consolidation

Motor sequencelearning

Motor adaptation

Cognitiveprocesses

Cognitiveprocesses

Parietal cortex

Motor cortical regions Parietal Cortices

Associative striatum Cerebellar cortices

Frontal associative regions

Sensorimotor striatum Cerebellar cortices and nuclei

Medial temporal lobe (hippocampus)

Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology

Bases neurales de l’apprentissage moteur

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Réseau de neurones à large-échelle

Varela et al. Nature reviews neuroscience (2001)

Apprentissage Moteur et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau

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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

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Adaptation sensori-motrice et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Méthode

Introduction IRMf 1 Entraînement 1 Entraînement 2 IRMf 2

Jour 1 Jour 2

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Trajet suivi par le sujet

Ellipse

Adaptation sensori-motrice et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Méthode

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temps

Performance

Adaptation sensori-motrice et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Performance

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Unités cérébrales

Adaptation sensori-motrice et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Réseau

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Block 1 (p<0.01)

r

0

1

R-Cereb Cx

L-Cereb Cx

Ant-Cereb

L-Visual A.

R-Visual A.

R-Pre-CuL-Pre-Cu

L-Par Cx

R-Par Cx

R-M1

L-M1SMA

R-PM

L-PMR-DLPFC

L-DLPFC

Cing

L-Put

R-Put L-ThalR-Thal

L-CaudN

R-CaudN

Réseau Fonctionnel

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Block 2 (p<0.01)

L-Cereb Cx

R-Cereb Cx

Ant-Cereb

L-Visual A.

R-Visual A.

R-Pre-CuL-Pre-Cu

L-Par Cx

R-Par Cx

R-M1

L-M1SMA

R-PM

L-PMR-DLPFC

L-DLPFC

Cing

L-Put

R-Put L-ThalR-Thal

L-CaudN

R-CaudN

r

0

1

Réseau Fonctionnel

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r

0

1

R-Cereb Cx

L-Cereb Cx

Ant-Cereb

L-Visual A.

R-Visual A.

R-Pre-CuL-Pre-Cu

L-Par Cx

R-Par Cx

R-M1

L-M1SMA

R-PM

L-PMR-DLPFC

L-DLPFC

Cing

L-Put

R-Put L-ThalR-Thal

L-CaudN

R-CaudN

Block 3 (p<0.01)Réseau Fonctionnel

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R-Cereb Cx

L-Cereb Cx

Ant-Cereb

L-Visual A.

R-Visual A.

R-Pre-CuL-Pre-Cu

L-Par Cx

R-Par Cx

R-M1

L-M1SMA

R-PM

L-PMR-DLPFC

L-DLPFC

Cing

L-Put

R-Put L-ThalR-Thal

L-CaudN

R-CaudN

Block 4 (p<0.01)

r

0

1

Réseau Fonctionnel

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block

# connections * Nombre de connections par block

*

*

*

Jour 1 Jour 2

Connectivité fonctionnelle : Dynamique

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L-Cereb Cx

R-Cereb Cx

Ant-Cereb

SMA

L-Visual A.

R-Visual A.R-DLPFC

L-DLPFC

Cing

R-PM

L-Pre-Cu

R-Pre-Cu

L-Par CxR-Par Cx

Graphe de spécialisation : connectivités de block 1 to 2, stables après

Consolidation

Motor adaptation

Motor cortical areas Parietal cortex

Striatum Cerebellum

Motor cortical areas

CerebellumParietal cortex

Connectivité fonctionnelle : Dynamique

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Graphe de spécialisation: connectivités de block 1 to 2, et après

SMAR-PM

L-Put

R-PutConsolidation

Motor adaptation

Motor cortical areas Parietal cortex

Striatum Cerebellum

Motor cortical areas

CerebellumParietal cortex

Connectivité fonctionnelle : Dynamique

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Apprentissage de séquences motrices

4

3 2 1

Tâche de Séquence motrice

Fréquence du mouvement fixe à 2Hz

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Hypothèse : l’activité se déplace d’un territoire associatif à un territoire sensorimoteur du

striatum au cours de l’apprentissage

Erreurs

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

1 7 14 21 28Jours

Erre

urs

(%)

AppriseNouvelle

Tests de Vitesse

Fréquence du mouvement

01234567

1 7 14 21 28Jours

Fréq

uenc

e (H

z)

+97%

-58%

Etude de la dynamique de l’activation dans les GB au cours d’un apprentissage

de 4 semaines

Apprentissage de séquences motrices : Protocole expérimental

Lehéricy , Benali et al. PNAS 2005

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Régions dont l’activité baisse au cours de la session1 [ (avant) versus (après 50 min de pratique) ]

DG

Lehéricy , Benali et al. PNAS 2005

Aires corticalesmotrices

Striatum Cervelet

Consolidation

Aires corticales motrices

Striatum Cervelet

Apprentissage de séquence

motrice

Cortex pariétal

Cortex pariétal

Apprentissage de séquences motrices : Réseau fonctionnel

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L’activation se déplace d’un territoire à un autre au sein du striatum lors de l’apprentissage

dorsalventral

Putamen droit

0.00.20.40.60.81.01.2

Sign

al

1 2 3 4 5séries

50 min J 28Début 10 min 50 min J 28Début 10 min

Droit / controlatéralgauche / ipsilatéral

Lehéricy , Benali et al. PNAS 2005

Apprentissage de séquences motrices : GB

CNPu T

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Connectivités anatomiques : IRM de diffusion

isotrope

anisotrope

mesures

Dxxx Td )(modèle

tDx 62

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Connectivités anatomiques : connexions cortico - striatales

INRIAλ1, e1

λ3, e3

λ2, e2

Connectivités anatomiques : connexions cortico - striatales

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Construction du faisceau cortico – striatal

Cartes DTI moyenne normalisée

Région activée

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Cartes DTI moyennes normalisées

Tous les sujets

Changement de circuit cortico – striatal lors de l’apprentissage

Avant apprentissage

Après apprentissage

preSMA

Cortex sensoriel primaire

Cortex Moteur

C Lenglet, INRIA

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CNPu

VS

T

M1PMPF

OF

Organisation des circuits cortico – ganglions de la base (sensorimoteur, premoteur, associatif, limbique)

Alexander Ann Rev Neurosci 1986Selemon, Goldman-Rakic J Neurosci 1985Parent, Hazrati Brain Res Rev 1995

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preSMASMA

Jour 1

Jour 28

Les aires activées dans le putamen après

apprentissage étaient connectées avec le cortex

moteur primaire et prémoteur postérieur

Les aires activées dans le putamen avant apprentissage étaient

connectées avec le cortex prémoteur

antérieur et postérieur

Changement de circuit cortico – striatal lors de l’apprentissage

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Schème Expérimental:

Effet du Sommeil sur l’Apprentissage Moteur

(12 h après)

Retest

SommeilEntraînement

PASSAGE du Temps

4

3 2 1

Groupe Nuit (n=26)

Groupe Jour (n=25)

Soir Matin

)

4

3 2 1

4

3 2 1

4

3 2 1

12 12 hoursheures

12 12 heures

Entraînement

Retest

(12 h après)

SoirMatin

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Apprentissage d’une séquence de mouvements

18

19

20

21

22

23

24

Post-training Retest Post-training Retest

Spee

d (#

seq

uenc

es p

er 3

0s)

SLEEP

PASSAGE

OF TI

ME

significant + 14%

non-significant + 2%

ANOVA 2 sessions X 2 groups = significant interaction effect: F(1, 23)=10,362 p=0,0038

Effet du Sommeil sur l’Apprentissage Moteur

Neurosciences et apprentissage Lyon 22-03-07

Effet du Sommeil sur l’Apprentissage Moteur : Interférence

Apprentissage d’une séquence de mouvements

Collaborateurs

Guillaume MARRELEC

Julien DOYON

Pierre BELLEC

Mélanie PELEGRINI-ISSAC

Saâd JBABDI

Vincent PERLBARG

Odile JOLIVET

Avi KARNI, Maria KORMAN,Pierre MAQUET, Philippe PEIGNEUX

Stéphane LEHERICY

Jean DAUNIZEAU