The behavioral relevance and top-down susceptibility of early, low level multisensory interactions in humans

Abstract (English)General backgroundMultisensory stimuli are easier to recognize, can improve learning and a processed faster compared to unisensory ones. As such, the ability an organism has to extract and synthesize relevant sensory inputs across multiple sensory modalities shapes his perception of and interaction with the environment. A major question in the scientific field is how the brain extracts and fuses relevant information to create a unified perceptual representation (but also how it segregates unrelated information). This fusion between the senses has been termed "multisensory integration", a notion that derives from seminal animal single-cell studies performed in the superior colliculus, a subcortical structure shown to create a multisensory output differing from the sum of its unisensory inputs. At the cortical level, integration of multisensory information is traditionally deferred to higher classical associative cortical regions within the frontal, temporal and parietal lobes, after extensive processing within the sensory-specific and segregated pathways. However, many anatomical, electrophysiological and neuroimaging findings now speak for multisensory convergence and interactions as a distributed process beginning much earlier than previously appreciated and within the initial stages of sensory processing.The work presented in this thesis is aimed at studying the neural basis and mechanisms of how the human brain combines sensory information between the senses of hearing and touch. Early latency non-linear auditory-somatosensory neural response interactions have been repeatedly observed in humans and non-human primates. Whether these early, low-level interactions are directly influencing behavioral outcomes remains an open question as they have been observed under diverse experimental circumstances such as anesthesia, passive stimulation, as well as speeded reaction time tasks. Under laboratory settings, it has been demonstrated that simple reaction times to auditory-somatosensory stimuli are facilitated over their unisensory counterparts both when delivered to the same spatial location or not, suggesting that audi- tory-somatosensory integration must occur in cerebral regions with large-scale spatial representations. However experiments that required the spatial processing of the stimuli have observed effects limited to spatially aligned conditions or varying depending on which body part was stimulated. Whether those divergences stem from task requirements and/or the need for spatial processing has not been firmly established.Hypotheses and experimental resultsIn a first study, we hypothesized that auditory-somatosensory early non-linear multisensory neural response interactions are relevant to behavior. Performing a median split according to reaction time of a subset of behavioral and electroencephalographic data, we found that the earliest non-linear multisensory interactions measured within the EEG signal (i.e. between 40-83ms post-stimulus onset) were specific to fast reaction times indicating a direct correlation of early neural response interactions and behavior.In a second study, we hypothesized that the relevance of spatial information for task performance has an impact on behavioral measures of auditory-somatosensory integration. Across two psychophysical experiments we show that facilitated detection occurs even when attending to spatial information, with no modulation according to spatial alignment of the stimuli. On the other hand, discrimination performance with probes, quantified using sensitivity (d'), is impaired following multisensory trials in general and significantly more so following misaligned multisensory trials.In a third study, we hypothesized that behavioral improvements might vary depending which body part is stimulated. Preliminary results suggest a possible dissociation between behavioral improvements andERPs. RTs to multisensory stimuli were modulated by space only in the case when somatosensory stimuli were delivered to the neck whereas multisensory ERPs were modulated by spatial alignment for both types of somatosensory stimuli.ConclusionThis thesis provides insight into the functional role played by early, low-level multisensory interac-tions. Combining psychophysics and electrical neuroimaging techniques we demonstrate the behavioral re-levance of early and low-level interactions in the normal human system. Moreover, we show that these early interactions are hermetic to top-down influences on spatial processing suggesting their occurrence within cerebral regions having access to large-scale spatial representations. We finally highlight specific interactions between auditory space and somatosensory stimulation on different body parts. Gaining an in-depth understanding of how multisensory integration normally operates is of central importance as it will ultimately permit us to consider how the impaired brain could benefit from rehabilitation with multisensory stimula-Abstract (French)Background théoriqueDes stimuli multisensoriels sont plus faciles à reconnaître, peuvent améliorer l'apprentissage et sont traités plus rapidement comparé à des stimuli unisensoriels. Ainsi, la capacité qu'un organisme possède à extraire et à synthétiser avec ses différentes modalités sensorielles des inputs sensoriels pertinents, façonne sa perception et son interaction avec l'environnement. Une question majeure dans le domaine scientifique est comment le cerveau parvient à extraire et à fusionner des stimuli pour créer une représentation percep- tuelle cohérente (mais aussi comment il isole les stimuli sans rapport). Cette fusion entre les sens est appelée "intégration multisensorielle", une notion qui provient de travaux effectués dans le colliculus supérieur chez l'animal, une structure sous-corticale possédant des neurones produisant une sortie multisensorielle différant de la somme des entrées unisensorielles. Traditionnellement, l'intégration d'informations multisen- sorielles au niveau cortical est considérée comme se produisant tardivement dans les aires associatives supérieures dans les lobes frontaux, temporaux et pariétaux, suite à un traitement extensif au sein de régions unisensorielles primaires. Cependant, plusieurs découvertes anatomiques, électrophysiologiques et de neuroimageries remettent en question ce postulat, suggérant l'existence d'une convergence et d'interactions multisensorielles précoces.Les travaux présentés dans cette thèse sont destinés à mieux comprendre les bases neuronales et les mécanismes impliqués dans la combinaison d'informations sensorielles entre les sens de l'audition et du toucher chez l'homme. Des interactions neuronales non-linéaires précoces audio-somatosensorielles ont été observées à maintes reprises chez l'homme et le singe dans des circonstances aussi variées que sous anes- thésie, avec stimulation passive, et lors de tâches nécessitant un comportement (une détection simple de stimuli, par exemple). Ainsi, le rôle fonctionnel joué par ces interactions à une étape du traitement de l'information si précoce demeure une question ouverte. Il a également été démontré que les temps de réaction en réponse à des stimuli audio-somatosensoriels sont facilités par rapport à leurs homologues unisensoriels indépendamment de leur position spatiale. Ce résultat suggère que l'intégration audio- somatosensorielle se produit dans des régions cérébrales possédant des représentations spatiales à large échelle. Cependant, des expériences qui ont exigé un traitement spatial des stimuli ont produits des effets limités à des conditions où les stimuli multisensoriels étaient, alignés dans l'espace ou encore comme pouvant varier selon la partie de corps stimulée. Il n'a pas été établi à ce jour si ces divergences pourraient être dues aux contraintes liées à la tâche et/ou à la nécessité d'un traitement de l'information spatiale.Hypothèse et résultats expérimentauxDans une première étude, nous avons émis l'hypothèse que les interactions audio- somatosensorielles précoces sont pertinentes pour le comportement. En effectuant un partage des temps de réaction par rapport à la médiane d'un sous-ensemble de données comportementales et électroencépha- lographiques, nous avons constaté que les interactions multisensorielles qui se produisent à des latences précoces (entre 40-83ms) sont spécifique aux temps de réaction rapides indiquant une corrélation directe entre ces interactions neuronales précoces et le comportement.Dans une deuxième étude, nous avons émis l'hypothèse que si l'information spatiale devient perti-nente pour la tâche, elle pourrait exercer une influence sur des mesures comportementales de l'intégration audio-somatosensorielles. Dans deux expériences psychophysiques, nous montrons que même si les participants prêtent attention à l'information spatiale, une facilitation de la détection se produit et ce toujours indépendamment de la configuration spatiale des stimuli. Cependant, la performance de discrimination, quantifiée à l'aide d'un index de sensibilité (d') est altérée suite aux essais multisensoriels en général et de manière plus significative pour les essais multisensoriels non-alignés dans l'espace.Dans une troisième étude, nous avons émis l'hypothèse que des améliorations comportementales pourraient différer selon la partie du corps qui est stimulée (la main vs. la nuque). Des résultats préliminaires suggèrent une dissociation possible entre une facilitation comportementale et les potentiels évoqués. Les temps de réactions étaient influencés par la configuration spatiale uniquement dans le cas ou les stimuli somatosensoriels étaient sur la nuque alors que les potentiels évoqués étaient modulés par l'alignement spatial pour les deux types de stimuli somatosensorielles.ConclusionCette thèse apporte des éléments nouveaux concernant le rôle fonctionnel joué par les interactions multisensorielles précoces de bas niveau. En combinant la psychophysique et la neuroimagerie électrique, nous démontrons la pertinence comportementale des ces interactions dans le système humain normal. Par ailleurs, nous montrons que ces interactions précoces sont hermétiques aux influences dites «top-down» sur le traitement spatial suggérant leur occurrence dans des régions cérébrales ayant accès à des représentations spatiales de grande échelle. Nous soulignons enfin des interactions spécifiques entre l'espace auditif et la stimulation somatosensorielle sur différentes parties du corps. Approfondir la connaissance concernant les bases neuronales et les mécanismes impliqués dans l'intégration multisensorielle dans le système normale est d'une importance centrale car elle permettra d'examiner et de mieux comprendre comment le cerveau déficient pourrait bénéficier d'une réhabilitation avec la stimulation multisensorielle