The study of the contribution of repetition-dependent mechanisms to consolidation processes in the primary motor cortex and the electrophysiological manifestations of monetary reward processing over cortical motor areas

Abstract

Abstract : The present thesis seeks to provide insights into the contribution of the two major learning mechanisms driving motor memory consolidation in the primary motor cortex (M1): repetition-dependent and reward-based learning mechanisms. However, because evidence remains scarce on this last learning mechanism, the study of the neural manifestation of reward processing in motor areas was investigated. More specifically, the first scientific contribution presented in this thesis sought to address the contribution of repetition-dependent mechanisms to motor memory consolidation in M1. As such, the first project used single-pulse transcranial magnetic stimulation (TMS) to interfere with M1 activity as participants executed newly learned motor behaviors during a performance asymptote. Results revealed that motor memory formation in M1 was initiated when behaviors were repeating, suggesting that repetition-dependent mechanisms contributed to retention in M1. The second scientific contribution sought to use scalp electroencephalography (EEG) recordings to investigate the electrophysiological manifestations of reward processing over cortical motor areas. Overall, results revealed that increases in beta-band power (20-30 Hz) over contralateral motor electrodes are modulated by reward processing. Although these results did not allow specifically addressing the contribution of reward-based learning mechanisms to consolidation in M1, they nonetheless provide the plausible neural substrates involved in this learning mechanism. The discussion first sought to integrate these two projects and second to provide an overview of the future perspectives that the two projects have led to. Overall, the proposed research projects mainly revolve around the demonstration of the associations– even maybe causality – between motor memory consolidation in M1, reward processing, beta-band power and dopaminergic activity. Throughout the discussion, working hypotheses as well as the methodological means to test them – ranging from non-invasive brain stimulation to electroencephalography recordings and even to the study of interindividual variations in the expression of dopamine-related genes – are outlined.

Le présent mémoire cherche à fournir un aperçu des mécanismes neurophysiologiques qui sous-tendent les deux mécanismes principaux d’apprentissage impliqués dans la consolidation des mémoires motrices dans le cortex moteur primaire (M1). Bien que le modèle cellulaire le plus accepté pour la formation des mémoires motrices soit la potentialisation à long-terme (long-term potentiation, en anglais), la littérature suggère que les mécanismes d’apprentissage qui initient le stockage synaptique des mémoires motrices dépendent de la plasticité Hebienne (i.e., répétitions dans les mouvements) et des récompenses vécues pendant l’acquisition d’une nouvelle habileté motrice.

La première contribution scientifique du présent mémoire aborde la contribution des mécanismes Hebbiens d’apprentissage à la consolidation des mémoires motrices dans le M1. Dans ce premier projet, la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) a été utilisée pour interférer avec l’activité neuronale du M1 lorsque les participants acquéraient et exécutaient de nouveaux comportements moteurs pendant l’atteinte d’un plateau de performance (i.e., répétitions dans les mouvements). Les résultats démontrent que la formation des mémoires motrices dans le M1 est initiée lorsque les comportements moteurs sont de plus en plus répétés, ce qui suggère que le stockage synaptique des mémoires motrices dans M1 est dépendant de la répétition des comportements pendant l’acquisition. Le deuxième projet scientifique a cherché à mettre en lumière la contribution des régions motrices au traitement des récompenses dans un contexte moteur en utilisant l’enregistrement d’activités électroencéphalographiques. Entre autres, suite à l’octroi d’une récompense, les résultats démontrent une augmentation de la puissance spectrale dans la bande de fréquences bêta (20-30 Hz) des électrodes motrices contralatérales à la main utilisée pendant la tâche motrice. Dans l’ensemble, bien que ce deuxième projet ne puisse statuer sur la contribution spécifique du M1 dans la consolidation des mémoires motrices sur la base des récompenses vécues pendant l’acquisition, les résultats qui en émergent pourraient être un reflet des substrats neuronaux impliqués dans ce mécanisme d’apprentissage.

Dans un premier temps, la discussion intègre ces deux contributions et, dans un deuxième temps, donne un aperçu des perspectives futures de recherche qui émanent de ces deux contributions scientifiques. Globalement, les hypothèses de recherche suggérées se concentrent principalement autour de la démonstration d’une association ou d’un lien causal entre la formation des mémoires motrices dans le M1, le traitement de récompenses, les réponses spectrales en bêta ainsi que l’activité dopaminergique. Au travers de la discussion, les hypothèses spécifiques ainsi que les moyens méthodologiques pour les tester – qui vont des techniques de stimulation cérébrale non invasives à l’enregistrement d’activité électroencéphalographique et même jusqu’à l’étude des variations génétiques interindividuelles dans l’expression des gènes régulant l’activité dopaminergique – sont décrits.