The neural basis of tactile localization through tools - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

The neural basis of tactile localization through tools

Les bases neurales de la perception tactile à travers l'outil

Résumé

Touch is of primary importance when interacting with our environment. When we come in contact with an object, our brain receives a wealth of information from touch alone (e.g. texture, form, …) that are combined to create a consistent perception of that object. In order to interact with it, our brain also needs to process the exact location of that object that can guide motor behavior. Additionally, touch is not restricted to the body but can also extend to external objects. When we use a hand-held tool to contact an object, we feel the touch on the tool and not in the hand holding the tool. The ability to perceive touch on a tool actually extends along its entire surface, allowing us to accurately localize where it is touched, similarly as we would on our own body. While the neural mechanisms underlying the ability to localize touch on the body have been largely investigated, those underlying tactile localization on a tool have been mostly unexplored. Thus the aim of this thesis is to investigate the neural correlates of tactile localization on a hand-held tool. In a first study, we found that where a hand-held tool was touched was immediately coded in the neural dynamics of primary somatosensory and posterior parietal cortices. Moreover, touches on the tool and arm surfaces were localized by similar stages of cortical processing. Multivariate decoding algorithms and cortical source reconstruction provided further evidence that early limb-based processes were repurposed to map touch on a tool, as we notably found similar regions involved for localizing on each surface. In a second study, we investigated the oscillatory correlates of tool-extended tactile localization. We performed time-frequency decomposition on the EEG dataset of the first study and found that alpha activity was solely modulated by the location of tactile stimuli applied on a hand-held rod, while beta power was insignificantly affected by it. Source reconstruction suggested that this alpha power modulation was localized in a network of fronto-parietal regions previously implicated in higher-order tactile and spatial processing. In a third study, we aimed at comparing the reference frame-based neural processing—as reflected in alpha- and beta-band oscillatory activity—during body-based and tool-extended tactile localization. We used EEG to record oscillatory activity while participants performed a cued tactile localization task where contact was applied to either hands or the tips of hand-held rods. Posture of the hands/tool-tips was uncrossed or crossed at participants’ body midline, which allowed us to disentangle brain responses related to these different coordinate systems. We found that the scalp distributions of alpha and beta modulation were nearly identical when touch was on the body or on a tool. Only alpha oscillations were modulated by posture, suggesting that they are related to processing of touch in external spatial coordinates. Interestingly, this modulation was identical for mapping touch on the hand or on a tool. Furthermore, source reconstruction of this space-related alpha modulation revealed a similar bilateral network of parieto-occipital regions involved in mapping touch on tools and on hands. Our findings revealed similar neural mechanisms for mapping touch on a hand-held tool and on the body. This support the idea that neural processes devoted to body-related information are being repurposed for tool-use. Furthermore, alpha-band modulation followed the position of touch into external space. This is thus the first neural evidence that tactile localization on a hand-held tool involves the use of external spatial coordinates. Our work opens perspectives to develop tools used as extended sensors, like prosthetic device or cane, so that they can be more adapted to their users.
Notre sens du toucher est primordial pour interagir avec notre environnement. Lorsqu’un élément extérieur nous touche, notre cerveau reçoit une multitude d'informations tactiles (ex : texture, forme, …) qu’il combine afin de créer une image cohérente de cet élément. Pour interagir avec lui, notre cerveau doit également localiser la position exacte de cet élément afin d’exécuter un mouvement. Le toucher ne se limite pas au corps, mais peut également s'étendre aux objets extérieurs. Lorsque nous utilisons un outil pour toucher un objet, le contact est ressenti sur l'outil et non dans la main qui le tient. Nous pouvons percevoir un contact sur toute la surface d’un outil, et ainsi localiser précisément où il a été touché, comme cela est possible sur la peau. Alors que les mécanismes neuronaux sous-tendant la capacité de localiser le toucher sur le corps ont été largement étudiés, ceux à la base de la localisation tactile sur un outil ont pour l’instant été sous-explorés. L'objectif de cette thèse est donc d'étudier les corrélats neuronaux de la localisation tactile sur un outil. Dans une première étude, nous avons observer que la position d’un contact sur l’outil était immédiatement codée par la dynamique neuronale des cortex somatosensoriel primaire et pariétal postérieur. De plus, les contacts reçus sur l'outil et sur le bras étaient localisés par des étapes similaires de traitement cortical. Les algorithmes de décodage multivariés et la reconstruction de source ont également indiqué que les processus dédiés aux membres du corps sont réutilisés afin de localiser un toucher sur un outil. Dans une deuxième étude, nous avons examiné les corrélats oscillatoires de la localisation tactile sur un outil. Nous avons effectué une décomposition temps-fréquence des données EEG de la première étude et avons observé que seul le rythme alpha était modulé par l’emplacement des stimuli tactiles appliqués sur l’outil, tandis que le rythme bêta étant quant à lui non affecté. La reconstruction de source a montré que cette modulation du rythme alpha était localisée dans un réseau de régions fronto-pariétales qui ont déjà été impliquées dans le traitement de haut niveau des informations tactiles et spatiales. Dans une troisième étude, nous avons comparé l’encodage du toucher dans les systèmes de référence - tels que reflété dans l'activité oscillatoire des rythmes alpha et bêta - lors de la localisation du toucher sur le corps et sur l'outil. Grâce à l’EEG, nous avons enregistré l'activité oscillatoire de participants effectuant une tâche de localisation tactile guidée où les stimuli étaient appliqués soit sur les mains, soit sur les extrémités de bâtons tenu en main. Les mains ainsi que les bâtons étaient alternativement en position décroisée ou croisée par rapport à la ligne médiane du corps. Cela nous a permis de distinguer les réponses cérébrales liées aux différents systèmes de coordonnées. Nous avons constaté que les topographies de scalp des rythmes alpha et bêta suivant le stimulus tactile étaient presque identiques entre la main et l’outil. Seul le rythme alpha était affecté par le changement de posture, ce qui suggère son implication dans l’encodage du toucher avec un système de référence externe. Les résultats de nos études démontrent la similarité des mécanismes neuronaux pour localiser le toucher sur un outil tenu en main et sur le corps. Cela soutient l'idée que les processus neuronaux qui traitent les informations liées au corps sont réutilisés lors de l'utilisation d'un outil. En outre, le rythme alpha a été modulé en fonction de la position du toucher dans l'espace externe. Il s'agit ainsi de la première preuve, au niveau neuronal, que la localisation tactile sur un outil tenu en main implique l'utilisation de coordonnées spatiales externes. Nos travaux ouvrent des perspectives pour le développement et l’amélioration d’outils utilisés pour obtenir des informations sensorielles, comme les prothèses ou la canne blanche.

Domaines

Neurosciences
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04323424 , version 1 (05-12-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04323424 , version 1

Citer

Cécile Fabio. The neural basis of tactile localization through tools. Neuroscience. Université Claude Bernard - Lyon I, 2022. English. ⟨NNT : 2022LYO10216⟩. ⟨tel-04323424⟩
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