La représentation du but dans le cortex premoteur et moteur primaire lors d'un apprentissage d'utilisation d'outil chez le macaque

Goal representation during a tool use learning task in the primary and premotor cortex of macaque monkey

• Auteur / Autrice : Sebastien Kirchherr
• Direction : Pier Francesco Ferrari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neuroscience
• Date : Soutenance le 09/02/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Neurosciences et Cognition (NSCo) (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de sciences cognitives Marc Jeannerod (Lyon ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Leonardo Fogassi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pier Francesco Ferrari, Patrizia Fattori, Irène Cristofori, Claudio Brozzoli, Bjørg Kilavik
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrizia Fattori
• DOI : 10.70675/7c99423fza964z47d7zbb5bz9cac2a832a80

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage -- Chez les animaux

Cerveau -- Évolution

Apprentissage moteur

Singes

Mots clés libres

Apprentissage moteur

Utilisation d'outil

Électrode chronique

Primate non-humain

Mouvement dirigé vers un but

Motor learning

Tool use

Multi-electrode array

Non-human primate

Goal directed movement

Résumé

Le cerveau a évolué pour contrôler le comportement dans un environnement en constante évolution. Cela signifie que l'individu ne peut pas se satisfaire de la situation actuelle, mais qu'il doit utiliser ses expériences passées pour organiser séquentiellement son comportement afin d'atteindre son objectif. Lorsque l'individu fait face à une situation nouvelle, les expériences sont moins utiles, et peut s’apparenter à une résolution de problèmes. Pour modéliser cette situation, nous avons soumis deux singes macaques à une tâche d'apprentissage d'utilisation d'outil. L'utilisation d'outils ne faisant pas partie du répertoire moteur des singes en captivité, cette tâche est idéale pour étudier le rôle du cortex moteur dans la résolution de problème. Nous avons également exposé les singes à l'observation de différentes interactions, avec la main et avec différents outils, avant et pendant la tâche d'apprentissage de l'utilisation d'outils. Cette tâche visuelle modélise la façon dont la résolution de problèmes et/ou l'apprentissage d'une compétence modifie l'activité dans le cortex moteur pendant l'observation d'actions identiques ou similaires. Nous avons effectué des enregistrements longitudinaux de l'activité neuronale dans le cortex primaire et prémoteur en utilisant des multi-électrodes chroniques, avec une quantification longitudinale du comportement. L'étude 1 a montré que les différents comportements peuvent être catégorisés et que leurs changements au cours de l'apprentissage permettent d'identifier trois étapes d'apprentissage avec des transitions autour de la sélection du but (ou compréhension) et la seconde transition autour de l'émergence de la flexibilité d'utilisation. L'étude 2 a montré que l'entraînement à l'utilisation d'un outil avait plus d'impact sur l'observation de l'action dans le cortex prémoteur que dans le cortex moteur primaire. Ces résultats soulignent le rôle du cortex prémoteur dans le mouvement dirigé vers un but et peut-être le rôle de l'expérience motrice dans cette fonction. L'étude 3 se concentre sur l'implémentation de hidden Markov models adaptés aux enregistrements longitudinaux avec des multi-électrodes chroniques. Pour ce faire, nous avons utilisé notre tâche de contrôle, le singe effectuant un mouvement de main de type '' reach-to-grasp '', qui est déjà acquis par le singe et ne montre aucune plasticité associée à l'apprentissage pendant l'enregistrement. Nous avons montré que le modèle identifie les états spatio-temporels de l'activité de la population neuronale dans le cortex moteur primaire qui sont étroitement liés à l'événement comportemental du mouvement sur plusieurs jours d'enregistrement.

The brain has evolved to control behavior in a constantly changing environment. This means that the individual cannot be satisfied with the current situation, but must use past experiences to sequentially organize his or her behavior to achieve the upcoming or distal goal. When the individual faces a new situation, experiences are less useful, and it can be approached by a problem-solving paradigm. To model this situation, we subjected two macaque monkeys to a tool-use learning task. Tool use is not part of the motor repertoire of monkeys in captivity, so it is ideal to study the learning of a means-end skill learning. We also exposed monkeys to observation of different types of reaching and grasping actions, with the hand and with different tools before and during the tool learning task. This visual task models how problem solving and/or skill learning changes activity in the motor cortex during observation of the same or similar actions. We performed longitudinal recordings of neural activity in primary and premotor cortex using chronically implanted multi-electrode arrays, with longitudinal quantification of behavior. Study 1 showed that different behaviors can be categorized and that their changes during learning allow the identification of three stages of learning with transitions around goal selection (or understanding) and the second transition around the emergence of flexibility in use. Study 2 showed that training to use a tool had more impact on the observation of reach-to-grasp action on multi-unit activity in premotor cortex than in primary motor cortex. These results underlie the role of premotor cortex in goal-directed movement and perhaps the role of motor experience in this function. Study 3 focuses on the implementation of hidden Markov models to fit longitudinal recordings with multi-electrode arrays. To do this, we used our control task, monkey performing a reach-to-grasp hand movement, which is already acquired by the monkey and shows no plasticity associated with learning during recording. We showed that the model identifies spatiotemporal states of population activity in the primary motor cortex that are closely related to the behavioral event of the movement over several days of recording.