The neuroscience of cognitive enhancement : enhanced attention, working memory and visual information processing speed using 3D-MOT

Des interventions ciblant l’amélioration cognitive sont de plus en plus à l’intérêt dans nombreux domaines, y compris la neuropsychologie. Bien qu'il existe de nombreuses méthodes pour maximiser le potentiel cognitif de quelqu’un, ils sont rarement appuyé par la recherche scientifique. D’abord, ce mémoire examine brièvement l'état des interventions d'amélioration cognitives. Il décrit premièrement les faiblesses observées dans ces pratiques et par conséquent il établit un modèle standard contre lequel on pourrait et devrait évaluer les diverses techniques ciblant l'amélioration cognitive. Une étude de recherche est ensuite présenté qui considère un nouvel outil de l'amélioration cognitive, une tâche d’entrainement perceptivo-cognitive : 3-dimensional multiple object tracking (3D-MOT). Il examine les preuves actuelles pour le 3D-MOT auprès du modèle standard proposé. Les résultats de ce projet démontrent de l’augmentation dans les capacités d’attention, de mémoire de travail visuel et de vitesse de traitement d’information. Cette étude représente la première étape dans la démarche vers l’établissement du 3D-MOT comme un outil d’amélioration cognitive.

Expertise sportive et entraînement perceptivo-cognitif de l’athlète

Pour être performant au plus haut niveau, les athlètes doivent posséder une capacité perceptivo-cognitive supérieure à la moyenne. Cette faculté, reflétée sur le terrain par la vision et l’intelligence de jeu des sportifs, permet d’extraire l’information clé de la scène visuelle. La science du sport a depuis longtemps observé l’expertise perceptivo-cognitive au sein de l’environnement sportif propre aux athlètes. Récemment, des études ont rapporté que l’expertise pouvait également se refléter hors de ce contexte, lors d’activités du quotidien par exemple. De plus, les récentes théories entourant la capacité plastique du cerveau ont amené les chercheurs à développer des outils pour entraîner les capacités perceptivo-cognitives des athlètes afin de les rendre plus performants sur le terrain. Ces méthodes sont la plupart du temps contextuelles à la discipline visée. Cependant, un nouvel outil d’entraînement perceptivo-cognitif, nommé 3-Dimensional Multiple Object Tracking (3D-MOT) et dénué de contexte sportif, a récemment vu le jour et a fait l’objet de nos recherches. Un de nos objectifs visait à mettre en évidence l’expertise perceptivo-cognitive spécifique et non-spécifique chez des athlètes lors d’une même étude. Nous avons évalué la perception du mouvement biologique chez des joueurs de soccer et des non-athlètes dans une salle de réalité virtuelle. Les sportifs étaient systématiquement plus performants en termes d’efficacité et de temps de réaction que les novices pour discriminer la direction du mouvement biologique lors d’un exercice spécifique de soccer (tir) mais également lors d’une action issue du quotidien (marche). Ces résultats signifient que les athlètes possèdent une meilleure capacité à percevoir les mouvements biologiques humains effectués par les autres. La pratique du soccer semble donc conférer un avantage fondamental qui va au-delà des fonctions spécifiques à la pratique d’un sport. Ces découvertes sont à mettre en parallèle avec la performance exceptionnelle des athlètes dans le traitement de scènes visuelles dynamiques et également dénuées de contexte sportif. Des joueurs de soccer ont surpassé des novices dans le test de 3D-MOT qui consiste à suivre des cibles en mouvement et stimule les capacités perceptivo-cognitives. Leur vitesse de suivi visuel ainsi que leur faculté d’apprentissage étaient supérieures. Ces résultats confirmaient des données obtenues précédemment chez des sportifs. Le 3D-MOT est un test de poursuite attentionnelle qui stimule le traitement actif de l’information visuelle dynamique. En particulier, l’attention sélective, dynamique et soutenue ainsi que la mémoire de travail. Cet outil peut être utilisé pour entraîner les fonctions perceptivo-cognitives des athlètes. Des joueurs de soccer entraînés au 3D-MOT durant 30 sessions ont montré une amélioration de la prise de décision dans les passes de 15% sur le terrain comparés à des joueurs de groupes contrôles. Ces données démontrent pour la première fois un transfert perceptivo-cognitif du laboratoire au terrain suivant un entraînement perceptivo-cognitif non-contextuel au sport de l’athlète ciblé. Nos recherches aident à comprendre l’expertise des athlètes par l’approche spécifique et non-spécifique et présentent également les outils d’entraînements perceptivo-cognitifs, en particulier le 3D-MOT, pour améliorer la performance dans le sport de haut-niveau.

Corrélats neuronaux de la mémoire de travail en magnétoencéphalographie à l’état de repos

Purpose: There are few studies demonstrating the link between neural oscillations in magnetoencephalography (MEG) at rest and cognitive performance. Working memory is one of the most studied cognitive processes and is the ability to manipulate information on items kept in short-term memory. Heister & al. (2013) showed correlation patterns between brain oscillations at rest in MEG and performance in a working memory task (n-back). These authors showed that delta/theta activity in fronto-parietal areas is related to working memory performance. In this study, we use resting state MEG oscillations to validate these correlations with both of verbal (VWM) and spatial (SWM) working memory, and test their specificity in comparison with other cognitive abilities. Methods: We recorded resting state MEG and used clinical neuropsychological tests to assess working memory performance in 18 volunteers (6 males and 12 females). The other neuropsychological tests of the WAIS-IV were used as control tests to assess the specificity of the correlation patterns with working memory. We calculated means of Power Spectrum Density for different frequency bands (delta, 1-4Hz; theta, 4-8Hz; alpha, 8-13Hz; beta, 13-30Hz; gamma1, 30-59Hz; gamma2, 61-90Hz; gamma3, 90-120Hz; large gamma, 30-120Hz) and correlated MEG power normalised for the maximum in each frequency band at the sensor level with working memory performance. We then grouped the sensors showing a significant correlation by using a cluster algorithm. Results: We found positive correlations between both types of working memory performance and clusters in the bilateral posterior and right fronto-temporal regions for the delta band (r2 =0.73), in the fronto-middle line and right temporal regions for the theta band (r2 =0.63) as well as in the parietal regions for the alpha band (r2 =0.78). Verbal working memory and spatial working memory share a common fronto-parietal cluster of sensors but also show specific clusters. These clusters are specific to working memory, as compared to those obtained for other cognitive abilities and right posterior parietal areas, specially in slow frequencies, appear to be specific to working memory process. Conclusions: Slow frequencies (1-13Hz) but more precisely in delta/theta bands (1-8Hz), recorded at rest with magnetoencephalography, predict working memory performance and support the role of a fronto-parietal network in working memory.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Marqueurs électrophysiologiques des dysfonctions attentionnelles et de leur récupération suite à un traumatisme craniocérébral léger

L’objectif principal de cette thèse était d’obtenir, via l’électrophysiologie cognitive, des indices de fonctionnement post-traumatisme craniocérébral léger (TCCL) pour différents niveaux de traitement de l’information, soit l’attention sélective, les processus décisionnels visuoattentionnels et les processus associés à l’exécution d’une réponse volontaire. L’hypothèse centrale était que les mécanismes de production des lésions de même que la pathophysiologie caractérisant le TCCL engendrent des dysfonctions visuoattentionnelles, du moins pendant la période aiguë suivant le TCCL (i.e. entre 1 et 3 mois post-accident), telles que mesurées à l’aide d’un nouveau paradigme électrophysiologique conçu à cet effet. Cette thèse présente deux articles qui décrivent le travail effectué afin de rencontrer ces objectifs et ainsi vérifier les hypothèses émises. Le premier article présente la démarche réalisée afin de créer une nouvelle tâche d’attention visuospatiale permettant d’obtenir les indices électrophysiologiques (amplitude, latence) et comportementaux (temps de réaction) liés aux processus de traitement visuel et attentionnel précoce (P1, N1, N2-nogo, P2, Ptc) à l’attention visuelle sélective (N2pc, SPCN) et aux processus décisionnels (P3b, P3a) chez un groupe de participants sains (i.e. sans atteinte neurologique). Le deuxième article présente l’étude des effets persistants d’un TCCL sur les fonctions visuoattentionelles via l’obtention des indices électrophysiologiques ciblés (amplitude, latence) et de données comportementales (temps de réaction à la tâche et résultats aux tests neuropsychologiques) chez deux cohortes d’individus TCCL symptomatiques, l’une en phase subaigüe (3 premiers mois post-accident), l’autre en phase chronique (6 mois à 1 an post-accident), en comparaison à un groupe de participants témoins sains. Les résultats des articles présentés dans cette thèse montrent qu’il a été possible de créer une tâche simple qui permet d’étudier de façon rapide et peu coûteuse les différents niveaux de traitement de l’information impliqués dans le déploiement de l’attention visuospatiale. Par la suite, l’utilisation de cette tâche auprès d’individus atteints d’un TCCL testés en phase sub-aiguë ou en phase chronique a permis d’objectiver des profils d’atteintes et de récupération différentiels pour chacune des composantes étudiées. En effet, alors que les composantes associées au traitement précoce de l’information visuelle (P1, N1, N2) étaient intactes, certaines composantes attentionnelles (P2) et cognitivo-attentionnelles (P3a, P3b) étaient altérées, suggérant une dysfonction au niveau des dynamiques spatio-temporelles de l’attention, de l’orientation de l’attention et de la mémoire de travail, à court et/ou à long terme après le TCCL, ceci en présence de déficits neuropsychologiques en phase subaiguë surtout et d’une symptomatologie post-TCCL persistante. Cette thèse souligne l’importance de développer des outils diagnostics sensibles et exhaustifs permettant d’objectiver les divers processus et sous-processus cognitifs susceptible d’être atteints après un TCCL.

Hyperactivations frontales en mémoire de travail dans le trouble cognitif léger

Des études récentes ont rapporté que les individus âgés avec un trouble cognitif léger (TCL) ont de plus grandes activations en lien avec la réalisation d’une tâche cognitive que des personnes âgées saines. Des auteurs ont proposé que ces hyperactivations pourraient refléter des processus de plasticité cérébrale compensatoires ayant lieu pendant la phase précoce de la maladie d’Alzheimer. Des processus de compensations fonctionnelles pourraient émerger en réponse à une perte d’intégrité structurelle dans les régions du cerveau normalement requises pour compléter une tâche. Dans ce mémoire, j’ai évalué cette hypothèse chez des personnes avec TCL en faisant appel à une tâche de mémoire de travail comportant plusieurs niveaux de difficulté ainsi qu’aux techniques d’imagerie par résonnance magnétique (IRM) structurelle et fonctionnelle. Des analyses de régression multiples ont été utilisées afin d’identifier les régions cérébrales dont l’activité variait en fonction de l’intégrité neuronale telle que définie par le volume de l’hippocampe. Les valeurs estimées des paramètres du signal de ces régions furent ensuite extraites afin de procéder à des analyses corrélationnelles sur la performance ainsi que sur le volume de différentes structures cérébrales. Les résultats indiquent des hyperactivations dans les régions frontales droites chez les participants TCL souffrant d’une plus grande atteinte neuronale. De plus, le niveau d’activation est négativement corrélé au volume de structures frontales et pariétales. Ces résultats indique la présence d’une hyperactivation compensatoire dans la phase du TCL associée à la réalisation d’une tâche de mémoire de travail.