Thèse Année : 2024

Somatosensation and plasticity: perceptual, cognitive, and physiological effects

Somatosensation et plasticité : effets perceptuels, cognitifs et physiologiques

Résumé

Somatosensation is an essential function for human perception, action and cognition, being crucial for fine motor skills and self bodily awareness. My PhD work is interested in somatosensation and its plasticity at cognitive, perceptual and physiological levels. While it is widely accepted that somatosensation contributes to building multiple mental body representations (MBRs), its contribution to each MBR remains unclear. A first aim of my work was to answer this question by leveraging repetitive somatosensory stimulation (RSS), known to temporarily improve tactile acuity (TA) by inducing plastic changes in the primary (SI) and secondary (SII) somatosensory cortex. This randomized sham-controlled double-blind study conducted on 33 adults investigated the effects of RSS on three MBRs of the stimulated right index finger (rD2): the body image (BI), the body model, and the superficial schema. The results revealed that the BI is selectively affected by RSS, as the stimulated rD2 was perceived significantly smaller after RSS, while the other MBRs were left unaffected. This suggests that somatosensory processes contribute differently to the BI than to the other two MBRs. Somatosensation can be assessed by measuring TA. Accurately measuring this feature of touch is essential as it is used in clinical practice and research attempting to restore tactile perception. A widely used -but criticized- task is the two-point discrimination task (2PDT), while the grating orientation (GOT) and two-point orientation (2POT) tasks are suggested to be more reliable alternatives. Critically, whether these tasks measure similar aspects of TA has yet to be determined. The second aim of my thesis was to answer this question by comparing the performance in these tasks and linking them to anatomical measures at the fingertips, and by leveraging RSS. In this study, RSS was applied on the rD2 of 29 adults and its impact on the tasks was assessed at the rD2 as well as at the lD2 (control) and lD3 which has been recently found to display TA improvement following RSS. At baseline, 2POT and GOT correlated to the fingertip area. Following RSS, 2PDT and GOT were both improved at the rD2, 2PDT and 2POT also at lD3. Overall, the results suggest that the three tasks capture both similar and different aspects of TA. Because RSS is used to induce plasticity in the somatosensory system, understanding its mechanisms of action is important. While cortical changes in the SI and SII representations of the stimulated finger have been associated to the local effect of RSS, the physiological mechanisms responsible for local and remote effects (on the unstimulated hand) have not been explored yet. My third aim was to investigate them through EEG, testing the hypothesis of a modulation of cortical inhibition between the fingers’ representations of both hands. This study is made of two randomized sham-controlled double-blind experiments, each conducted on 41 adults, undergoing EEG and 2PDT. Because we identified a methodological bias in our first design, we conducted a second experiment aimed at obviating it. We found that after both sham and RSS, the intra- and inter-hemispheric inhibition significantly increased, potentially driven by the inhibition increase between lD2 and lD3 and between lD3 and rD3 which appear (non-significantly) larger than in other pairs, as well as larger after RSS than sham. Because of potential issues also in the second experiment, these results are preliminary, and another experiment is planned to solve them. The final experiment would hopefully clarify if RSS affects inhibition. Overall, studying somatosensation at multiple levels, my work shows that somatosensation contributes differently to the BI than to the other MBRs, which allows to refine current MBR models, and multiple tasks should be used to comprehensively assess TA, while it does not allow to conclude on the neural mechanisms underlying the effects of RSS.
La somatosensation est essentielle pour la perception, l'action et la cognition, déterminante pour la motricité fine et la conscience de soi. Mon doctorat s'intéresse à la somatosensation et à sa plasticité aux niveaux cognitif, perceptif et physiologique. S'il est admis que la somatosensation contribue à la construction de multiples représentations mentales du corps (MBRs), sa contribution à chaque MBR reste floue. Le premier objectif de mon travail était de répondre à cette question en exploitant la stimulation somatosensorielle répétée (RSS), connue pour améliorer temporairement l'acuité tactile (AT) via des changements plastiques dans le cortex somatosensoriel primaire (SI) et secondaire (SII). Cette étude randomisée en double aveugle contre sham, menée sur 33 adultes, a étudié les effets de la RSS sur trois MBR de l'index droit stimulé (rD2) : l'image corporelle (BI), le modèle corporel et le schéma superficiel. Les résultats révèlent que la BI est sélectivement affectée par la RSS, le rD2 étant perçu plus petit après la RSS, tandis que les autres MBRs n'ont pas été affectées. Cela suggère que la somatosensation contribue différemment à la BI qu’aux autres MBRs. La somatosensation peut être évaluée par la mesure de l'AT, mesure essentielle en clinique et dans la recherche sur la restauration tactile. Une tâche courante mais critiquée est le test de discrimination de deux points (2PDT), tandis que les tâches d'orientation de grille (GOT) et d'orientation de deux points (2POT) sont considérées plus fiables. Il reste à déterminer si elles mesurent des aspects similaires de l'AT. Le deuxième objectif de ma thèse était de répondre à cette question en comparant les performances dans ces tâches, les reliant à des mesures anatomiques des doigts, et en utilisant la RSS. Dans cette étude, la RSS a été appliquée au rD2 de 29 adultes et son impact sur les tâches a été évalué au rD2, lD2 (contrôle) et lD3, sur lequel on a récemment montré une amélioration de l'AT après la RSS. Le 2POT et le GOT étaient corrélés à la surface du bout des doigts. Après la RSS, le 2PDT et le GOT se sont améliorés au rD2, et le 2PDT et le 2POT également au lD3. Les résultats suggèrent que les trois tâches mesurent à la fois des aspects similaires et distincts de l'AT. La RSS étant utilisée pour induire une plasticité dans le système somatosensoriel, il est important de comprendre ses mécanismes d'action. Alors que les changements corticaux dans les représentations SI et SII du doigt stimulé ont été associés à l'effet local de la RSS, les mécanismes responsables des effets locaux et distants restent inexplorés. Mon troisième objectif était d'étudier ces mécanismes via l'EEG, en testant l'hypothèse d'une modulation de l'inhibition corticale (IC) entre les représentations des doigts des deux mains. Cette étude comporte deux expériences randomisées en double aveugle contre sham, chacune menée sur 41 adultes, soumis à un EEG et un 2PDT. Un biais méthodologique ayant été identifié dans notre premier protocole, une seconde expérience a été réalisée pour y remédier. Nous avons constaté qu'après sham et RSS, l'IC intra- et inter-hémisphérique augmentait significativement, possiblement grâce à l'augmentation de l’IC entre lD2 et lD3 et entre lD3 et rD3, (non significativement) plus élevée que dans les autres paires et plus élevée après RSS que sham. En raison de problèmes potentiels dans la deuxième expérience également, ces résultats sont préliminaires et une nouvelle expérience est prévue pour les clarifier. La dernière expérience devrait permettre de déterminer si la RSS affecte l'inhibition. En somme, en explorant la somatosensation à différents niveaux, mon travail montre qu’elle contribue différemment à la BI qu'aux autres MBRs, permettant ainsi d'affiner les modèles actuels. Il montre aussi que plusieurs tâches devraient être utilisées pour évaluer pleinement l'AT. En revanche, il ne permet pas de conclure sur les mécanismes neuronaux qui sous-tendent les effets de la RSS.
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tel-04929785 , version 1 (04-02-2025)

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  • HAL Id : tel-04929785 , version 1

Citer

Malika Azaroual-Sentucq. Somatosensation and plasticity: perceptual, cognitive, and physiological effects. Neuroscience. Université Claude Bernard Lyon 1, 2024. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04929785⟩
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