Patterns of recovery following focal hemispheric lesions : relationship between lasting deficit and damage to specialized networks

Rapport de synthèse : Objectif : Les déficits cognitifs présents dans la phase aiguë d'une lésion hémisphérique focale ont tendance à être de nature plus importante et plus générale que les déficits résiduels qui persistent dans la phase chronique de récupération. Nous avons investigué, dans le cadre de ce travail, les modèles de récupération auditive et la relation qui se dessine entre les déficits et les dommages relatifs à des réseaux spécifiques, pris comme modèle cognitif des fonctions auditives. De nombreuses études humaines dans les domaines de la neuropsychologie, de la psychophysique ainsi que des études d'activation suggèrent que les processus de reconnaissance et de localisation sonores sont effectués par l'intermédiaire de réseaux distincts tant sur le plan anatomique que fonctionnel : il s'agit des zones de traitement du «What» et du «Where », qui sont toutes deux présentes dans les deux hémisphères. Des études ont démontré que des lésions hémisphériques focales gauches ou droites, centrées sur ces réseaux, sont associées dans la phase chronique de récupération à des déficits correspondant en ce qui concerne la reconnaissance et/ou la localisation sonore. Méthode : Dans le cadre de ce travail, nous avons analysé les résultats concernant les performances auditives chez 24 patients ayant subi des lésions hémisphériques focales avec déficits secondaires dans des tâches de reconnaissance, de localisation et/ou de perception du mouvement sonore lors d'un premier testing effectué en phase aiguë (9 patients), en phase subaiguë (6 patients) ou en phase chronique précoce (9 patients). La totalité de ces patients ont bénéficié d'un second testing en phase chronique. Les observations effectuées ont servi à l'élaboration de patterns de récupération auditive. Résultats : Tous les 24 patients avaient initialement un déficit dans le domaine de la localisation et/ou de la perception du mouvement sonore. Dans la phase aiguë, ce déficit survenait sans atteinte spécifique du réseau «Where » chez presque la moitié des patients ; en revanche, cette situation n'était jamais observée chez les patients testés en phase chronique précoce. Une absence de récupération avait tendance à être associée à un dommage spécifique au réseau concerné ainsi qu'à la persistance d'un déficit au-delà de la phase aiguë. Les déficits résiduels n'étaient par ailleurs pas strictement en lien avec la taille lésionnelle ou l'étendue de l'atteinte du réseau spécifique. Conclusion : Nos résultats suggèrent que des mécanismes distincts sous-tendent la récupération et la plasticité à différentes périodes temporelles post-lésionnelles.

Functional MRI Mapping of the Human Auditory Cortex

Mapping the human auditory cortex with standard functional imaging techniques is difficult because of its small size and angular position along the Sylvian fissure. As a result, the exact number and location of auditory cortex areas in the human remains unknown. In a first experiment, we measured the two largest tonotopic areas of primary auditory cortex (PAC, Al and R) using high-resolution functional MRI at 7 Tesla relative to the underlying anatomy of Heschl's gyrus (HG). The data reveals a clear anatomical- functional relationship that indicates the location of PAC across the range of common morphological variants of HG (single gyri, partial duplication and complete duplication). Human PAC tonotopic areas are oriented along an oblique posterior-to-anterior axis with mirror-symmetric frequency gradients perpendicular to HG, as in the macaque. In a second experiment, we tested whether these primary frequency-tuned units were modulated by selective attention to preferred vs. non-preferred sound frequencies in the dynamic manner needed to account for human listening abilities in noisy environments, such as cocktail parties or busy streets. We used a dual-stream selective attention experiment where subjects attended to one of two competing tonal streams presented simultaneously to different ears. Attention to low-frequency tones (250 Hz) enhanced neural responses within low-frequency-tuned voxels relative to high (4000 Hz), and vice versa when at-tention switched from high to low. Human PAC is able to tune into attended frequency channels and can switch frequencies on demand, like a radio. In a third experiment, we investigated repetition suppression effects to environmental sounds within primary and non-primary early-stage auditory areas, identified with the tonotopic mapping design. Repeated presentations of sounds from the same sources, as compared to different sources, gave repetition suppression effects within posterior and medial non-primary areas of the right hemisphere, reflecting their potential involvement in semantic representations. These three studies were conducted at 7 Tesla with high-resolution imaging. However, 7 Tesla scanners are, for the moment, not yet used for clinical diagnosis and mostly reside in institutions external to hospitals. Thus, hospital-based clinical functional and structural studies are mainly performed using lower field systems (1.5 or 3 Tesla). In a fourth experiment, we acquired tonotopic maps at 3 and 7 Tesla and evaluated the consistency of a tonotopic mapping paradigm between scanners. Mirror-symmetric gradients within PAC were highly similar at 7 and 3 Tesla across renderings at different spatial resolutions. We concluded that the tonotopic mapping paradigm is robust and suitable for definition of primary tonotopic areas, also at 3 Tesla. Finally, in a fifth study, we considered whether focal brain lesions alter tonotopic representations in the intact ipsi- and contralesional primary auditory cortex in three patients with hemispheric or cerebellar lesions, without and with auditory complaints. We found evidence for tonotopic reorganisation at the level of the primary auditory cortex in cases of brain lesions independently of auditory complaints. Overall, these results reflect a certain degree of plasticity within primary auditory cortex in different populations of subjects, assessed at different field strengths. - La cartographie du cortex auditif chez l'humain est difficile à réaliser avec des techniques d'imagerie fonctionnelle standard, étant donné sa petite taille et position angulaire le long de la fissure sylvienne. En conséquence, le nombre et l'emplacement exacts des différentes aires du cortex auditif restent inconnus chez l'homme. Lors d'une première expérience, nous avons mesuré, avec de l'imagerie par résonance magnétique à haute intensité (IRMf à 7 Tesla) chez des sujets humains sains, deux larges aires au sein du cortex auditif primaire (PAC; Al et R) avec une représentation spécifique des fréquences pures préférées - ou tonotopie. Nos résultats ont démontré une relation anatomico- fonctionnelle qui définit clairement la position du PAC à travers toutes les variantes du gyrus d'Heschl's (HG). Les aires tonotopiques du PAC humain sont orientées le long d'un axe postéro-antérieur oblique avec des gradients de fréquences spécifiques perpendiculaires à HG, d'une manière similaire à celles mesurées chez le singe. Dans une deuxième expérience, nous avons testé si ces aires primaires pouvaient être modulées, de façon dynamique, par une attention sélective pour des fréquences préférées par rapport à celles non-préférées. Cette modulation est primordiale lors d'interactions sociales chez l'humain en présence de bruits distracteurs tels que d'autres discussions ou un environnement sonore nuisible (comme par exemple, dans la circulation routière). Dans cette étude, nous avons utilisé une expérience d'attention sélective où le sujet devait être attentif à une des deux voies sonores présentées simultanément à chaque oreille. Lorsque le sujet portait était attentif aux sons de basses fréquences (250 Hz), la réponse neuronale relative à ces fréquences augmentait par rapport à celle des hautes fréquences (4000 Hz), et vice versa lorsque l'attention passait des hautes aux basses fréquences. De ce fait, nous pouvons dire que PAC est capable de focaliser sur la fréquence attendue et de changer de canal selon la demande, comme une radio. Lors d'une troisième expérience, nous avons étudié les effets de suppression due à la répétition de sons environnementaux dans les aires auditives primaires et non-primaires, d'abord identifiées via le protocole de la première étude. La présentation répétée de sons provenant de la même source sonore, par rapport à de sons de différentes sources sonores, a induit un effet de suppression dans les aires postérieures et médiales auditives non-primaires de l'hémisphère droite, reflétant une implication de ces aires dans la représentation de la catégorie sémantique. Ces trois études ont été réalisées avec de l'imagerie à haute résolution à 7 Tesla. Cependant, les scanners 7 Tesla ne sont pour le moment utilisés que pour de la recherche fondamentale, principalement dans des institutions externes, parfois proches du patient mais pas directement à son chevet. L'imagerie fonctionnelle et structurelle clinique se fait actuellement principalement avec des infrastructures cliniques à 1.5 ou 3 Tesla. Dans le cadre dune quatrième expérience, nous avons avons évalués la cohérence du paradigme de cartographie tonotopique à travers différents scanners (3 et 7 Tesla) chez les mêmes sujets. Nos résultats démontrent des gradients de fréquences définissant PAC très similaires à 3 et 7 Tesla. De ce fait, notre paradigme de définition des aires primaires auditives est robuste et applicable cliniquement. Finalement, nous avons évalués l'impact de lésions focales sur les représentations tonotopiques des aires auditives primaires des hémisphères intactes contralésionales et ipsilésionales chez trois patients avec des lésions hémisphériques ou cérébélleuses avec ou sans plaintes auditives. Nous avons trouvé l'évidence d'une certaine réorganisation des représentations topographiques au niveau de PAC dans le cas de lésions cérébrales indépendamment des plaintes auditives. En conclusion, nos résultats démontrent une certaine plasticité du cortex auditif primaire avec différentes populations de sujets et différents champs magnétiques.

Sibling rivalry and vocal negotiation in the barn owl Tyto alba

Chez les animaux, les jeunes dépendant des parents durant leur développement sont en compétition pour obtenir la nourriture, qu'ils quémandent par des cris et postures ostentatoires et se disputent physiquement. Les frères et soeurs n'ont pas la même compétitivité, en particulier s'ils diffèrent en âge, et leur niveau de faim fluctue dans le temps. Comme dans tout type de compétition, chacun doit ajuster son investissement aux rivaux, c'est à dire aux besoins et comportements de ses frères et soeurs. Dans le contexte de la famille, selon la théorie de sélection de parentèle, les jeunes bénéficient de leur survie mutuelle et donc de la propagation de la part de gènes qu'ils ont en commun. L'hypothèse de la « négociation frères-soeurs » prédit que, sous certaines conditions, les jeunes négocient entre eux la nourriture, ce qui réduit les coûts de compétition et permet de favoriser les frères et soeurs les plus affamés. La littérature actuelle se focalise sur les signaux de quémande entre enfants et parents et les interactions compétitives frères-soeurs sont étudiées principalement au sein de paires, alors que les nichées ou portées en comprennent souvent de nombreux. Cette thèse vise à mieux comprendre comment et jusqu'à quel point plusieurs jeunes ajustent mutuellement leurs signaux de besoin. C'est une question importante, étant donné que cela influence la répartition de nourriture entre eux, donc la résolution du conflit qui les oppose et à terme leur valeur évolutive. Le modèle d'étude est la chouette effraie (Tyto alba), chez laquelle jusqu'à neufs poussins émettent des milliers de cris chacun par nuit. Ils négocieraient entre eux la prochaine proie indivisible rapportée au nid avant que les parents ne reviennent : un poussin affamé crie plus qu'un autre moins affamé, ce qui dissuade ce dernier de crier en retour et par la suite de quémander la nourriture aux parents. L'investissement optimal correspondrait donc à écarter son frère en permanence vu que l'arrivée des parents est imprévisible, mais à moindre coût. Dans un premier axe, nous avons exploré au sein de dyades les mécanismes acoustiques permettant aux poussins de doser leur effort vocal durant les heures de compétition où ils sont laissés seuls au nid. Nous avons trouvé que les poussins évitent de crier simultanément, ce qui optimiserait la discrimination du nombre et de la durée de leurs cris, lesquels reflètent de façon honnête leur niveau de faim et donc leur motivation. L'alternance des cris paraît particulièrement adaptée au fait que les poussins se fient à des variations temporelles subtiles dans le rythme et la durée de leurs vocalisations pour prendre la parole. En particulier, allonger ses cris tout en criant moins dissuade efficacement le rival de répondre, ce qui permet de monopoliser la parole dans de longs « monologues ». Ces règles seraient universelles puisqu'elles ne dépendent pas de la séniorité, de la faim, ni de la parenté et les poussins répondent à un playback de façon similaire à un vrai frère. Tous ces résultats apportent la première preuve expérimentale que les juvéniles communiquent de façon honnête sur leurs besoins, ajustent activement le rythme de leurs cris et utilisent des composantes multiples de leurs vocalisations d'une façon qui réduit le coût de la compétition. De plus, il s'agit de la première démonstration que des règles de conversation régissent de longs échanges vocaux chez les animaux de façon comparable aux règles basiques observées chez l'Homme. Dans un second axe, nous avons exploré les stratégies comportementales que les poussins adoptent pour rivaliser avec plusieurs frères et soeurs, par le biais d'expériences de playback. Nous avons trouvé que les poussins mémorisent des asymétries de compétitivité entre deux individus qui dialoguent et répondent plus agressivement au moins compétitif une fois qu'ils sont confrontés à chacun isolément. Dans la même ligne, quand ils entendent un nombre variable d'individus criant à un taux variable, les poussins investissent le plus contre des rivaux moins nombreux et moins motivés. En accord avec les prédictions des modèles théoriques, les poussins de chouette effraie escaladent donc les conflits pour lesquels leur chance de gagner contrebalance le plus l'énergie dépensée. Nous révélons ainsi que 1) les jeunes frères et soeurs 'espionnent' les interactions de leurs rivaux pour évaluer leur compétitivité relative, ce qui est sans doute moins coûteux qu'une confrontation directe avec chacun, et 2) dosent leur investissement vocal en fonction du nombre de rivaux actuellement en compétition et de leur motivation de façon concomitante. Ces résultats montrent que les interactions entre frères et soeurs au nid reposent sur des mécanismes similaires à ceux observés, mais encore de façon anecdotique, chez les adultes non apparentés qui se disputent les territoires et partenaires sexuels. Cette thèse souligne donc combien il est crucial de considérer dorénavant la famille comme un réseau de communication à part entière pour mieux comprendre comment les jeunes résolvent les conflits autour du partage des ressources parentales. Plus généralement, elle révèle l'importance de la dynamique temporelle des vocalisations dans les conflits et la communication des animaux. A la lumière de nos résultats, la chouette effraie apparaît comme un modèle clé pour de futures recherches sur la résolution des conflits et la communication acoustique. - In species with parental care, offspring contest priority access to food by begging through conspicuous postures and vocalisations and by physically jockeying. Siblings differ in their competitiveness, especially in the case of age and size hierarchies, and their hunger level fluctuates in time. As in competition in general, each individual should adjust its investment to opponents that is to say to its siblings' needs and behaviours. In the particular context of family, according to kin selection theory, siblings derive extra fitness benefits from their mutual survival and hence the spreading of the genes they share. The "sibling negotiation" predicts that, under certain conditions, young would negotiate among them priority access to food, which reduces competition costs and enables promoting the most hungry siblings. To date, the literature focuses on signals of need between parents and offspring and competitive interactions (in particular among siblings) are mostly studied within pairwise interactions, yet they commonly involve more numerous rivals. This PhD aims at better understanding how and the extent to which several young siblings compete through signalling. This is important since this influences how food is allocated among them, thus the outcome of sibling rivalry and ultimately their fitness. I use the barn owl (Tyto alba) as a model, in which the one to nine nestlings emit a simple noisy call thousands of times per night. Thereby, they would negotiate among them priority access to the indivisible food next delivered prior to parents' feeding visits. A hungry nestling emits more calls than a less hungry sibling, which deters it to call in return and ultimately beg food at parents. The optimal investment thus corresponds to constantly deterring the rival to compete, given that parents' arrival is unpredictable, but at the lowest costs. In the first axis of my thesis, we explored within dyads the acoustic mechanisms by which owlets dose vocal effort when competing during the hours they are left alone. We found that owlets avoid overlapping each other's calls. This would enhance the discrimination of both call number and duration, which honestly reflect individuals' hunger level and hence motivation to compete. Such antiphony seems best adapted to the fact that siblings actually use subtle temporal variations in the rhythm and duration of their calls to take or give their turn. Owlets alternate monologs, in which lengthening calls efficiently deters the rival to respond while reducing call number. Such rules depend neither on seniority, hunger level nor kinship since nestlings responded similarly to a live sibling and an unrelated playback individual. Taken together, these findings provide the first experimental proof that dependent young honestly communicate about their need, actively adjust the timing of their calls and use multicomponent signals in a way that reduces vocal costs. Moreover, this is the first demonstration of conversational rules underlying animal long-lasting vocal exchanges comparable to the basic turn-taking signals observed in humans. In the second axis, we focused on the behavioural strategies owlets adopt to compete with more than one sibling, using playback experiments. We found that singleton bystanders memorised competitive asymmetries between two playback individuals dialoguing and responded more aggressively to the submissive one once they later faced each of both alone. Moreover, when hearing a varying number of nestlings calling at varying rates, owlets vocally invested the most towards fewer and less motivated rivals. In line with predictions from models on conflict settlement, barn owls thus escalate contests in which their chance of winning best counterbalances the energy spent. These results reveal that young socially eavesdrop on their siblings' interactions to assess their relative competitiveness at likely lower costs than direct confrontation, and dose vocal effort relative to both their number and motivation. This shows that young siblings' interactions imply mechanisms similar to those observed, yet still anecdotally, in unrelated adults that contest mates and territories. This PhD therefore highlights how crucial it is to further consider family as a communication network to better understand how siblings resolve conflicts over the share of parental resources. More generally, it provides important insights into the role of the temporal dynamics of signalling during animal contests and communication. In the light of our findings, the barn owl emerges as a key model for future research on conflict resolution and acoustic communication in animals.

L'équité d'accès aux ressources en eau : fin ou moyen d'amélioration de l'efficacité de l'irrigation ? : la gestion des ressources en eau dans l'état du Gujarat (Inde) dans la perpective de la political ecology

La thèse présentée ici est le résultat d'une étroite collaboration avec une ONG indienne, AKRSP(I), intervenant dans le développement de l'irrigation au Gujarat depuis plus de 25 ans. Un SIG prototype a été mis en oeuvre et nous permet de proposer ime analyse spatiale et quantitative de l'action de cette ONG ainsi qu'une réflexion plus générale sur les leviers de mise en valeur et de gestion des ressources en eau à des fins agricoles. On peut souligner trois principaux enseignements: Les perspectives d'application des SIG au sein des ONG sont manifestes. Les exigences des bailleurs de fonds peuvent néanmoins faire obstacle à leur développement car, indi-rectement, ils favorisent la mise en oeuvre de SI voués à la justification plutôt qu'à la planification et au suivi des programmes d'actions. Ce résultat soulève la question de la pertinence de l'encadrement, des critères d'évaluation et de la conditionnalité de l'aide publique au développement. Les ONG ont un fort potentiel pour participer à la mise en valeur des ressources en eau en Inde et aider à relever le défi agro-démographique indien, en particulier dans les zones marginales où les services étatiques sont en retrait. Les stratégies d'action basées principalement sur l'application des instruments économiques et techniques doivent cependant être modifiées. Nous montrons qu'elles favorisent une inégalité d'accès aux ressources qui débouche sur une efficacité limitée des pratiques d'irrigation, sur un plan agro-technique. Ces résultats soulignent la nécessité de poursuivre une réflexion critique des discours et solutions dominants en matière de gestion des ressources en eau. Deux pistes d'amélioration sont avancées: 1. considérer l'équité d'accès comme un moyen d'optimiser la gestion de la ressource (limiter le volume d'eau par agriculteur pour encourager les choix de cultures irriguées peu consommatrices et l'adoption des technologies d'économie d'eau), 2. prêter attention à l'ordre dans lequel les différents instruments de gestion disponibles sont employés afin de les articuler dans un séquençage temporel pertinent. La Political Ecology apparait comme un cadre conceptuel très pertinent pour engager cette réflexion critique. Elle permet d'intégrer différentes échelles d'asymétries de pouvoirs à la compréhension des situations et des blocages observables localement : inégalités de capabilités et forces socio-politiques à l'échelle locale, politiques agro-industrielles (coton) et jeux d'alliances politiques des castes à l'échelle nationale, discours et conflits idéologiques ou orientations stratégiques des bailleurs de fonds à l'échelle internationale... Notre recherche empirique contribue modestement au développement de cette Political Ecology de la mise en valeur et de la gestion des ressources en eau. - The present research is based on a close collaboration with an indian NGO, AKRSP(I), which is active in the development of irrigation facilities in Gujarat for the past 25 years. We built a GIS prototype providing quantitative and spatial datas to analyse the NGO intervention and propose a general reflection about water resources development and management issues. Three main findings may be emphasized : The potential of GIS within the workings of an NGO is obvious, as an information ma-nagement tool as much as for developing analytical capacity. However, financial backers expectations may not favour a relevant development of this technology. Indirectly, they promote Information Systems built to justify rather than to plan or monitor action pro¬grammes. This raises the question of stricter framework, conditionality criters and stan¬dardised assessment indicators surrounding official development assistance. There is strong potential that NGOs can assist with the improvement of water resources in India. They can help in overcoming Indian demographic-related agricultural challenges, especially in marginal rural areas neglected by state services. However, intervention strategies mainly based on technical and economic management tools has to be adapted. We found that they lead to inequitable access and distribution of water resources what induces a low efficiency of irrigation practices from an agro-technical point of view. These results underline the need to go further in criticizing dominant ideas and guidelines regarding water resources management. We suggest two other options : 1. to consider equitable access has a tool to improve the effective use of water for agricul¬tural purposes (limiting the volume of water available per farmer would encourage them to adopt low water consumption crops and water saving technics), 2. to consider more carefully the order of use of the various management tools available and to structure them in a relevant sequence. Here, Political Ecology seems to be a relevant conceptual framework to enter into such a critical reflection, integrating different levels and scales of political asymmetries at the core of environmental issues. Indeed, the understanding of regional water situations and social stumbling blocks needs not only to consider local capabilities and socio-political inequities, but also agro-industrial policy (e.i. cotton) and caste political alliances at a national scale, as well as ideological and narrative struggles or strategical orientations of financial backers at an international level. Our empirical research modestly contributes to the development of such a Political Ecology of water resources development and management.

Conflict and co-operation in ant societies

Cette thèse se propose d?étudier les forces évolutives qui influencent la bal- ance entre coopération et conflit. Deux exemples sont analysés en détail, les sociétés d?insectes et l?association entre la fourmi Formica exsecta et son sym- bionte intracellulaire Wolbachia. Chacune de ces deux associations animales est caractérisée par la coexistence de coopération et de conflit. Les colonies d?insectes sociaux sont un exemple typique de coopération. Néanmoins, la détermination haplodiploïde du sexe crée des apparentements asymétriques entre les membres de la colonie qui se traduisent par des con- flits entre reines et ouvrières. Un des conflits les plus importants porte sur le sexe-ratio, l?investissement optimal en sexués males et femelles étant équilibré pour la reine, mais biaisé en faveur des femelles pour les ouvrières. Jusqu?ici, les modèles étudiant ce conflit se basaient uniquement sur les asymétries d?ap- parentement. La première partie de cette thèse (Chapitres 1 et 2) propose d?introduire dans des modèles de sexe-ratio les mécanismes proximaux utilisés par les deux parties pour influencer le sexe-ratio. Ces mécanismes, par leurs ef- fets négatifs sur la productivité de la colonie, peuvent entraîner des déviations importantes du sexe-ratio par rapport à la valeur prédite par des modèles clas- siques. De plus, la prise en compte de ces mécanismes nous permet d?étudier dans quelle mesure les parties opposées sont sélectionnées pour influencer le sexe-ratio. Enfin, les modèles génèrent des prédictions quant à l?issue du con- flit, c?est-à-dire un compromis où reines et ouvrières partagent le contrôle de l?investissement. La seconde partie du travail porte sur l?infection de la fourmi Formica ex- secta par le symbionte cytoplasmique Wolbachia. Ce symbionte, présent chez un grand nombre d?espèces d?Arthropodes, est transmis maternellement. Afin de se répandre dans la population d?hôtes, Wolbachia manipule la physiolo- gie reproductive de l?organisme qui l?abrite. Le Chapitre 3 décrit une étude consacrée aux variations du sexe-ratio produit dans des colonies de fourmis? en fonction de la présence ou de l?absence de Wolbachia. Le Chapitre 4 étudie l?association entre les lignées du symbionte et les haplotypes mitochondriaux des hôtes. L?étude de l?association entre les deux éléments maternellement transmis est d?un intérêt particulier chez Formica exsecta car le taux de migra- tion femelle très faible engendre une forte strucure génétique mitochondriale.