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Neurosciences et apprentissage Lyon 22-03-07 Réseaux cérébraux et apprentissage moteur courriel : Habib Benali Directeur de recherche.

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1 Neurosciences et apprentissage Lyon Réseaux cérébraux et apprentissage moteur courriel : Habib Benali Directeur de recherche INSERM UMR-S 678 INSERM, UPMC Laboratoire dImagerie Fonctionnelle, Paris Laboratoire International de Neuroimagerie et Modélisation, INSERM-Université de Montréal

2 Neurosciences et apprentissage Lyon Mémoire La mémoire est la capacité biologique, commune à tous les êtres vivants, qui sert à enregistrer, conserver et utiliser de linformation. Définition de la mémoire

3 Neurosciences et apprentissage Lyon Mémoire A. Mémoire à court terme (MCT). Cette forme de mémoire dure de quelques secondes à quelques minutes. 1. Permet le rappel de linformation immédiatement après leur présentation (par exemple, un numéro de téléphone) 2. Mémoire pour linformation qui na 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:

4 Neurosciences et apprentissage Lyon 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

5 Neurosciences et apprentissage Lyon

6 Adaptation sensori-motrice Cibles apparaissent dans un ordre aléatoire Condition Inversée nécessite

7 Neurosciences et apprentissage Lyon Apprentissage de séquences motrices Tâche de Séquence motrice ou ( )

8 Neurosciences et apprentissage Lyon Neuroimagerie

9 Neurosciences et apprentissage Lyon Spécialisation des Systèmes CS et CC dans lApprentissage dhabiletés Motrices La représentation à long terme du modèle interne exigé pour : - ladaptation aux changements environnementaux implique un réseau distribué qui comprend le système cortico-cérébelleux. - lapprentissage de séquences motrices implique un réseau distribué qui comprend le système cortico-striatal

10 Neurosciences et apprentissage Lyon Motor sequence learning Motor adaptation Fast Learning Cognitive processes Cognitive processes Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology Motor cortical regionsParietal Cortices Associative striatumCerebellar cortices Frontal associative regions Sensorimotor striatum Cerebellar cortices and nuclei Medial temporal lobe (hippocampus) Bases neurales de lapprentissage moteur

11 Neurosciences et apprentissage Lyon Consolidation Fast Learning Motor sequence learning Motor adaptation Cognitive processes Cognitive processes Slow Learning Motor cortical regions StriatumCerebellumParietal cortex Motor cortical regions Parietal Cortices Associative striatumCerebellar cortices Frontal associative regions Sensorimotor striatum Cerebellar cortices and nuclei Medial temporal lobe (hippocampus) Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology Bases neurales de lapprentissage moteur

12 Neurosciences et apprentissage Lyon Automatization Slow Learning Fast Learning Cerebellum Motor cortical regions Striatum Parietal cortex Motor cortical regions Parietal cortex Motor cortical regions StriatumCerebellum Consolidation Motor sequence learning Motor adaptation Cognitive processes Cognitive processes Parietal cortex Motor cortical regions Parietal Cortices Associative striatumCerebellar cortices Frontal associative regions Sensorimotor striatum Cerebellar cortices and nuclei Medial temporal lobe (hippocampus) Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology Bases neurales de lapprentissage moteur

13 Neurosciences et apprentissage Lyon Retention Cerebellum Motor cortical regions Striatum Parietal cortex Fast Learning Slow Learning Time delay Cerebellum Motor cortical regions Striatum Parietal cortex Automatization Motor cortical regions StriatumCerebellum Consolidation Motor sequence learning Motor adaptation Cognitive processes Cognitive processes Parietal cortex Motor cortical regions Parietal Cortices Associative striatumCerebellar cortices Frontal associative regions Sensorimotor striatum Cerebellar cortices and nuclei Medial temporal lobe (hippocampus) Doyon & Benali (2005), Current Opinion Neurobiology Bases neurales de lapprentissage moteur

14 Neurosciences et apprentissage Lyon Réseau de neurones à large-échelle Varela et al. Nature reviews neuroscience (2001) Apprentissage Moteur et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau

15 Neurosciences et apprentissage Lyon

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19 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

20 Neurosciences et apprentissage Lyon Adaptation sensori-motrice et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Méthode Introduction IRMf 1 Entraînement 1 Entraînement 2 IRMf 2 Jour 1Jour 2

21 Neurosciences et apprentissage Lyon Trajet suivi par le sujet Ellipse Adaptation sensori-motrice et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Méthode

22 Neurosciences et apprentissage Lyon temps Performance Adaptation sensori-motrice et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Performance

23 Neurosciences et apprentissage Lyon Unités cérébrales Adaptation sensori-motrice et Connectivité Fonctionnelle du Cerveau: Réseau

24 Neurosciences et apprentissage Lyon Block 1 (p<0.01) r 0 1 R-Cereb Cx L-Cereb Cx Ant-Cereb L-Visual A. R-Visual A. R-Pre-Cu L-Pre-Cu L-Par Cx R-Par Cx R-M1 L-M1 SMA R-PM L-PM R-DLPFC L-DLPFC Cing L-Put R-Put L-Thal R-Thal L-CaudN R-CaudN Réseau Fonctionnel

25 Neurosciences et apprentissage Lyon Block 2 (p<0.01) L-Cereb Cx R-Cereb Cx Ant-Cereb L-Visual A. R-Visual A. R-Pre-Cu L-Pre-Cu L-Par Cx R-Par Cx R-M1 L-M1 SMA R-PM L-PM R-DLPFC L-DLPFC Cing L-Put R-Put L-Thal R-Thal L-CaudN R-CaudN r 0 1 Réseau Fonctionnel

26 Neurosciences et apprentissage Lyon r 0 1 R-Cereb Cx L-Cereb Cx Ant-Cereb L-Visual A. R-Visual A. R-Pre-Cu L-Pre-Cu L-Par Cx R-Par Cx R-M1 L-M1 SMA R-PM L-PM R-DLPFC L-DLPFC Cing L-Put R-Put L-Thal R-Thal L-CaudN R-CaudN Block 3 (p<0.01) Réseau Fonctionnel

27 Neurosciences et apprentissage Lyon R-Cereb Cx L-Cereb Cx Ant-Cereb L-Visual A. R-Visual A. R-Pre-Cu L-Pre-Cu L-Par Cx R-Par Cx R-M1 L-M1 SMA R-PM L-PM R-DLPFC L-DLPFC Cing L-Put R-Put L-Thal R-Thal L-CaudN R-CaudN Block 4 (p<0.01) r 0 1 Réseau Fonctionnel

28 Neurosciences et apprentissage Lyon block # connections * Nombre de connections par block * * * Jour 1 Jour 2 Connectivité fonctionnelle : Dynamique

29 Neurosciences et apprentissage Lyon 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 Cx R-Par Cx Graphe de spécialisation : connectivités de block 1 to 2, stables après Consolidation Motor adaptation Motor cortical areas Parietal cortex StriatumCerebellum Motor corticalareas CerebellumParietal cortex Connectivité fonctionnelle : Dynamique

30 Neurosciences et apprentissage Lyon Graphe de spécialisation: connectivités de block 1 to 2, et après SMA R-PM L-Put R-Put Consolidation Motor adaptation Motor cortical areas Parietal cortex StriatumCerebellum Motor corticalareas CerebellumParietal cortex Connectivité fonctionnelle : Dynamique

31 Neurosciences et apprentissage Lyon Apprentissage de séquences motrices Tâche de Séquence motrice Fréquence du mouvement fixe à 2Hz

32 Neurosciences et apprentissage Lyon Hypothèse : lactivité se déplace dun territoire associatif à un territoire sensorimoteur du striatum au cours de lapprentissage Erreurs Jours Erreurs (%) Apprise Nouvelle Tests de Vitesse Fréquence du mouvement Jours Fréquence (Hz) +97% -58% Etude de la dynamique de lactivation dans les GB au cours dun apprentissage de 4 semaines Apprentissage de séquences motrices : Protocole expérimental Lehéricy, Benali et al. PNAS 2005

33 Neurosciences et apprentissage Lyon Régions dont lactivité baisse au cours de la session1 [ (avant) versus (après 50 min de pratique) ] D G Lehéricy, Benali et al. PNAS 2005 Aires corticales motrices Striatum Cervelet Consolidation Aires corticales motrices Striatum Cervelet Apprentissage de séquence motrice Cortex pariétal Apprentissage de séquences motrices : Réseau fonctionnel

34 Neurosciences et apprentissage Lyon Lactivation se déplace dun territoire à un autre au sein du striatum lors de lapprentissage dorsal ventral Putamen droit Signal séries 50 minJ 28Début10 min50 minJ 28Début10 min Droit / controlatéral gauche / ipsilatéral Lehéricy, Benali et al. PNAS 2005 Apprentissage de séquences motrices : GB CN Pu T

35 Neurosciences et apprentissage Lyon Connectivités anatomiques : IRM de diffusion isotrope anisotrope mesures modèle

36 Neurosciences et apprentissage Lyon Connectivités anatomiques : connexions cortico - striatales INRIA λ 1, e 1 λ 3, e 3 λ 2, e 2

37 Connectivités anatomiques : connexions cortico - striatales

38 Neurosciences et apprentissage Lyon Construction du faisceau cortico – striatal Cartes DTI moyenne normalisée Région activée

39 Neurosciences et apprentissage Lyon Cartes DTI moyennes normalisées Tous les sujets Changement de circuit cortico – striatal lors de lapprentissage Avant apprentissage Après apprentissage preSMA Cortex sensoriel primaire Cortex Moteur C Lenglet, INRIA

40 Neurosciences et apprentissage Lyon CN Pu VS T M1 PM PF OF Organisation des circuits cortico – ganglions de la base (sensorimoteur, premoteur, associatif, limbique) Alexander Ann Rev Neurosci 1986 Selemon, Goldman-Rakic J Neurosci 1985 Parent, Hazrati Brain Res Rev 1995

41 Neurosciences et apprentissage Lyon preSMA SMA 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 lapprentissage

42 Neurosciences et apprentissage Lyon Schème Expérimental: Effet du Sommeil sur lApprentissage Moteur (12 h après) Retest Sommeil Entraînement PASSAGE du Temps Groupe Nuit (n=26) Groupe Jour (n=25) Soir Matin ) hours heures 12 heures Entraînement Retest (12 h après) SoirMatin

43 Neurosciences et apprentissage Lyon Apprentissage dune séquence de mouvements Effet du Sommeil sur lApprentissage Moteur

44 Neurosciences et apprentissage Lyon Effet du Sommeil sur lApprentissage Moteur : Interférence Apprentissage dune séquence de mouvements

45 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


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