Neural substrates and functional connectivity associated with sleep-dependent and independent consolidation of new motor skills

La mémoire n’est pas un processus unitaire et est souvent divisée en deux catégories majeures: la mémoire déclarative (pour les faits) et procédurale (pour les habitudes et habiletés motrices). Pour perdurer, une trace mnésique doit passer par la consolidation, un processus par lequel elle devient plus robuste et moins susceptible à l’interférence. Le sommeil est connu comme jouant un rôle clé pour permettre le processus de consolidation, particulièrement pour la mémoire déclarative. Depuis plusieurs années cependant, son rôle est aussi reconnu pour la mémoire procédurale. Il est par contre intéressant de noter que ce ne sont pas tous les types de mémoire procédurale qui requiert le sommeil afin d’être consolidée. Entre autres, le sommeil semble nécessaire pour consolider un apprentissage de séquences motrices (s’apparentant à l’apprentissage du piano), mais pas un apprentissage d’adaptation visuomotrice (tel qu’apprendre à rouler à bicyclette). Parallèlement, l’apprentissage à long terme de ces deux types d’habiletés semble également sous-tendu par des circuits neuronaux distincts; c’est-à-dire un réseau cortico-striatal et cortico-cérébelleux respectivement. Toutefois, l’implication de ces réseaux dans le processus de consolidation comme tel demeure incertain. Le but de cette thèse est donc de mieux comprendre le rôle du sommeil, en contrôlant pour le simple passage du temps, dans la consolidation de ces deux types d’apprentissage, à l’aide de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle et d’analyses de connectivité cérébrale. Nos résultats comportementaux supportent l’idée que seul l’apprentissage séquentiel requiert le sommeil pour déclencher le processus de consolidation. Nous suggérons de plus que le putamen est fortement associé à ce processus. En revanche, les performances d’un apprentissage visuomoteur s’améliorent indépendamment du sommeil et sont de plus corrélées à une plus grande activation du cervelet. Finalement, en explorant l’effet du sommeil sur la connectivité cérébrale, nos résultats démontrent qu’en fait, un système cortico-striatal semble être plus intégré suite à la consolidation. C’est-à-dire que l’interaction au sein des régions du système est plus forte lorsque la consolidation a eu lieu, après une nuit de sommeil. En opposition, le simple passage du temps semble nuire à l’intégration de ce réseau cortico-striatal. En somme, nous avons pu élargir les connaissances quant au rôle du sommeil pour la mémoire procédurale, notamment en démontrant que ce ne sont pas tous les types d’apprentissages qui requièrent le sommeil pour amorcer le processus de consolidation. D’ailleurs, nous avons également démontré que cette dissociation de l’effet du sommeil est également reflétée par l’implication de deux réseaux cérébraux distincts. À savoir, un réseau cortico-striatal et un réseau cortico-cérébelleux pour la consolidation respective de l’apprentissage de séquence et d’adaptation visuomotrice. Enfin, nous suggérons que la consolidation durant le sommeil permet de protéger et favoriser une meilleure cohésion au sein du réseau cortico-striatal associé à notre tâche; un phénomène qui, s’il est retrouvé avec d’autres types d’apprentissage, pourrait être considéré comme un nouveau marqueur de la consolidation.

Étude multimodale de la consolidation d’habiletés motrices à ‎l’aide de l’IRMf et de l’EEG

La consolidation est le processus qui transforme une nouvelle trace mnésique labile en ‎une autre plus stable et plus solide. Une des tâches utilisées en laboratoire pour ‎l’exploration de la consolidation motrice dans ses dimensions comportementale et ‎cérébrale est la tâche d’apprentissage de séquences motrices. Celle-ci consiste à ‎reproduire une même série de mouvements des doigts, apprise de manière implicite ou ‎explicite, tout en mesurant l’amélioration dans l’exécution. Les études récentes ont ‎montré que, dans le cas de l’apprentissage explicite de cette tâche, la consolidation de la ‎trace mnésique associée à cette nouvelle habileté dépendrait du sommeil, et plus ‎particulièrement des fuseaux en sommeil lent. Et bien que deux types de fuseaux aient ‎été décrits (lents et rapides), le rôle de chacun d’eux dans la consolidation d’une ‎séquence motrice est encore mal exploré. En effet, seule une étude s’est intéressée à ce ‎rôle, montrant alors une implication des fuseaux rapides dans ce processus mnésique ‎suite à une nuit artificiellement altérée. D’autre part, les études utilisant l’imagerie ‎fonctionnelle (IRMf et PET scan) menées par différentes équipes dont la notre, ont ‎montré des changements au niveau de l’activité du système cortico-striatal suite à la ‎consolidation motrice. Cependant, aucune corrélation n’a été faite à ce jour entre ces ‎changements et les caractéristiques des fuseaux du sommeil survenant au cours de la nuit ‎suivant un apprentissage moteur. Les objectifs de cette thèse étaient donc: 1) de ‎déterminer, à travers des enregistrements polysomnographiques et des analyses ‎corrélationnelles, les caractéristiques des deux types de fuseaux (i.e. lents et rapides) ‎associées à la consolidation d’une séquence motrice suite à une nuit de sommeil non ‎altérée, et 2) d’explorer, à travers des analyses corrélationnelles entre les données ‎polysomnographiques et le signal BOLD (« Blood Oxygenated Level Dependent »), ‎acquis à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), ‎l’association entre les fuseaux du sommeil et les activations cérébrales suite à la ‎consolidation de la séquence motrice. Les résultats de notre première étude ont montré ‎une implication des fuseaux rapides, et non des fuseaux lents, dans la consolidation ‎d’une séquence motrice apprise de manière explicite après une nuit de sommeil non ‎altérée, corroborant ainsi les résultats des études antérieures utilisant des nuits de ‎sommeil altérées. En effet, les analyses statistiques ont mis en évidence une ‎augmentation significative de la densité des fuseaux rapides durant la nuit suivant ‎l’apprentissage moteur par comparaison à la nuit contrôle. De plus, cette augmentation ‎corrélait avec les gains spontanés de performance suivant la nuit. Par ailleurs, les ‎résultats de notre seconde étude ont mis en évidence des corrélations significatives entre ‎l’amplitude des fuseaux de la nuit expérimentale d’une part et les gains spontanés de ‎performance ainsi que les changements du signal BOLD au niveau du système cortico-‎striatal d’autre part. Nos résultats suggèrent donc un lien fonctionnel entre les fuseaux ‎du sommeil, les gains de performance ainsi que les changements neuronaux au niveau ‎du système cortico-striatal liés à la consolidation d’une séquence motrice explicite. Par ‎ailleurs, ils supportent l’implication des fuseaux rapides dans ce type de consolidation ; ‎ceux-ci aideraient à l’activation des circuits neuronaux impliqués dans ce processus ‎mnésique et amélioreraient par la même occasion la consolidation motrice liée au ‎sommeil.‎

Variabilité individuelle de l'allocation fonctionnelle des régions cérébrales perceptives dans l'autisme

Introduction : Une augmentation de la plasticité cérébrale est susceptible d’être impliquée dans la réallocation des régions corticales et dans les nombreuses altérations microstructurelles observées en autisme. Considérant les nombreux résultats démontrant un surfonctionnement perceptif et un fonctionnement moteur atypique en autisme, l’augmentation de la plasticité cérébrale suggère une plus grande variabilité individuelle de l’allocation fonctionnelle chez cette population, plus spécifiquement dans les régions perceptives et motrices. Méthode : Afin de tester cette hypothèse, 23 participants autistes de haut-niveau et 22 non-autistes appariés pour l’âge, le quotient intellectuel, les résultats au test des Matrices de Raven et la latéralité, ont réalisé une tâche d’imitation visuo-motrice dans un appareil d’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf). Pour chaque participant, les coordonnées du pic d’activation le plus élevé ont été extraites des aires motrices primaires (Aire de Brodmann 4 (BA4)) et supplémentaires (BA6), du cortex visuo-moteur pariétal supérieur (BA7) ainsi que des aires visuelles primaires (BA17) et associatives (BA18+19) des deux hémisphères. L’étendue des activations, mesurée en fonction du nombre de voxels activés, et la différence d’intensité des activations, calculée en fonction du changement moyen d’intensité du signal ont également été considérées. Pour chaque région d’intérêt et hémisphère, la distance entre la localisation de l’activation maximale de chaque participant par rapport à celle de la moyenne de son groupe a servi de variable d’intérêt. Les moyennes de ces distances individuelles obtenues pour chaque groupe et chacune des régions d’intérêt ont ensuite été soumises à une ANOVA à mesures répétées afin de déterminer s’il existait des différences de variabilité dans la localisation des activations entre les groupes. Enfin, l’activation fonctionnelle générale à l’intérieur de chaque groupe et entre les groupes a également été étudiée. Résultats : Les résultats démontrent qu’une augmentation de la variabilité individuelle en terme de localisation des activations s’est produite à l’intérieur des deux groupes dans les aires associatives motrices et visuelles comparativement aux aires primaires associées. Néanmoins, malgré le fait que cette augmentation de variabilité dans les aires associatives soit partagée, une comparaison directe de celle-ci entre les groupes a démontré que les autistes présentaient une plus grande variabilité de la localisation des activations fonctionnelles dans le cortex visuo-moteur pariétal supérieur (BA7) et les aires associatives visuelles (BA18+19) de l’hémisphère gauche. Conclusion : Des stratégies différentes et possiblement uniques pour chaque individu semblent être observées en autisme. L’augmentation de la variabilité individuelle de la localisation des activations fonctionnelles retrouvée chez les autistes dans les aires associatives, où l’on observe également davantage de variabilité chez les non-autistes, suggère qu’une augmentation et/ou une altération des mécanismes de plasticité est impliquée dans l’autisme.

Observational learning of motor skills : Looking for optimal models

L’observation d’un modèle pratiquant une habileté motrice promeut l’apprentissage de l’habileté en question. Toutefois, peu de chercheurs se sont attardés à étudier les caractéristiques d’un bon modèle et à mettre en évidence les conditions d’observation pouvant optimiser l’apprentissage. Dans les trois études composant cette thèse, nous avons examiné les effets du niveau d’habileté du modèle, de la latéralité du modèle, du point de vue auquel l’observateur est placé, et du mode de présentation de l’information sur l’apprentissage d’une tâche de timing séquentielle composée de quatre segments. Dans la première expérience de la première étude, les participants observaient soit un novice, soit un expert, soit un novice et un expert. Les résultats des tests de rétention et de transfert ont révélé que l’observation d’un novice était moins bénéfique pour l’apprentissage que le fait d’observer un expert ou une combinaison des deux (condition mixte). Par ailleurs, il semblerait que l’observation combinée de modèles novice et expert induise un mouvement plus stable et une meilleure généralisation du timing relatif imposé comparativement aux deux autres conditions. Dans la seconde expérience, nous voulions déterminer si un certain type de performance chez un novice (très variable, avec ou sans amélioration de la performance) dans l’observation d’une condition mixte amenait un meilleur apprentissage de la tâche. Aucune différence significative n’a été observée entre les différents types de modèle novices employés dans l’observation de la condition mixte. Ces résultats suggèrent qu’une observation mixte fournit une représentation précise de ce qu’il faut faire (modèle expert) et que l’apprentissage est d’autant plus amélioré lorsque l’apprenant peut contraster cela avec la performance de modèles ayant moins de succès. Dans notre seconde étude, des participants droitiers devaient observer un modèle à la première ou à la troisième personne. L’observation d’un modèle utilisant la même main préférentielle que soi induit un meilleur apprentissage de la tâche que l’observation d’un modèle dont la dominance latérale est opposée à la sienne, et ce, quel que soit l’angle d’observation. Ce résultat suggère que le réseau d’observation de l’action (AON) est plus sensible à la latéralité du modèle qu’à l’angle de vue de l’observateur. Ainsi, le réseau d’observation de l’action semble lié à des régions sensorimotrices du cerveau qui simulent la programmation motrice comme si le mouvement observé était réalisé par sa propre main dominante. Pour finir, dans la troisième étude, nous nous sommes intéressés à déterminer si le mode de présentation (en direct ou en vidéo) influait sur l’apprentissage par observation et si cet effet est modulé par le point de vue de l’observateur (première ou troisième personne). Pour cela, les participants observaient soit un modèle en direct soit une présentation vidéo du modèle et ceci avec une vue soit à la première soit à la troisième personne. Nos résultats ont révélé que l’observation ne diffère pas significativement selon le type de présentation utilisée ou le point de vue auquel l’observateur est placé. Ces résultats sont contraires aux prédictions découlant des études d’imagerie cérébrale ayant montré une activation plus importante du cortex sensorimoteur lors d’une observation en direct comparée à une observation vidéo et de la première personne comparée à la troisième personne. Dans l’ensemble, nos résultats indiquent que le niveau d’habileté du modèle et sa latéralité sont des déterminants importants de l’apprentissage par observation alors que le point de vue de l’observateur et le moyen de présentation n’ont pas d’effets significatifs sur l’apprentissage d’une tâche motrice. De plus, nos résultats suggèrent que la plus grande activation du réseau d’observation de l’action révélée par les études en imagerie mentale durant l’observation d’une action n’induit pas nécessairement un meilleur apprentissage de la tâche.

Changes in cortical and sub-cortical patterns of activity associated with aging during the performance of a lexical set-shifting task

Bien que le passage du temps altère le cerveau, la cognition ne suit pas nécessairement le même destin. En effet, il existe des mécanismes compensatoires qui permettent de préserver la cognition (réserve cognitive) malgré le vieillissement. Les personnes âgées peuvent utiliser de nouveaux circuits neuronaux (compensation neuronale) ou des circuits existants moins susceptibles aux effets du vieillissement (réserve neuronale) pour maintenir un haut niveau de performance cognitive. Toutefois, la façon dont ces mécanismes affectent l’activité corticale et striatale lors de tâches impliquant des changements de règles (set-shifting) et durant le traitement sémantique et phonologique n’a pas été extensivement explorée. Le but de cette thèse est d’explorer comment le vieillissement affecte les patrons d’activité cérébrale dans les processus exécutifs d’une part et dans l’utilisation de règles lexicales d’autre part. Pour cela nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) lors de la performance d’une tâche lexicale analogue à celle du Wisconsin. Cette tâche a été fortement liée à de l’activité fronto-stritale lors des changements de règles, ainsi qu’à la mobilisation de régions associées au traitement sémantique et phonologique lors de décisions sémantiques et phonologiques, respectivement. Par conséquent, nous avons comparé l’activité cérébrale de jeunes individus (18 à 35 ans) à celle d’individus âgés (55 à 75 ans) lors de l’exécution de cette tâche. Les deux groupes ont montré l’implication de boucles fronto-striatales associées à la planification et à l’exécution de changements de règle. Toutefois, alors que les jeunes semblaient activer une « boucle cognitive » (cortex préfrontal ventrolatéral, noyau caudé et thalamus) lorsqu’ils se voyaient indiquer qu’un changement de règle était requis, et une « boucle motrice » (cortex postérieur préfrontal et putamen) lorsqu’ils devaient effectuer le changement, les participants âgés montraient une activation des deux boucles lors de l’exécution des changements de règle seulement. Les jeunes adultes tendaient à présenter une augmentation de l’activité du cortex préfrontal ventrolatéral, du gyrus fusiforme, du lobe ventral temporale et du noyau caudé lors des décisions sémantiques, ainsi que de l’activité au niveau de l’aire de Broca postérieur, de la junction temporopariétale et du cortex moteur lors de décisions phonologiques. Les participants âgés ont montré de l’activité au niveau du cortex préfrontal latéral et moteur durant les deux types de décisions lexicales. De plus, lorsque les décisions sémantiques et phonologiques ont été comparées entre elles, les jeunes ont montré des différences significatives au niveau de plusieurs régions cérébrales, mais pas les âgés. En conclusion, notre première étude a montré, lors du set-shifting, un délai de l’activité cérébrale chez les personnes âgées. Cela nous a permis de conceptualiser l’Hypothèse Temporelle de Compensation (troisième manuscrit) qui consiste en l’existence d’un mécanisme compensatoire caractérisé par un délai d’activité cérébrale lié au vieillissement permettant de préserver la cognition au détriment de la vitesse d’exécution. En ce qui concerne les processus langagiers (deuxième étude), les circuits sémantiques et phonologiques semblent se fusionner dans un seul circuit chez les individus âgés, cela représente vraisemblablement des mécanismes de réserve et de compensation neuronales qui permettent de préserver les habilités langagières.

Longitudinal assessment of neural activity in Parkinson’s disease with mild cognitive impairment using task based fMRI

La maladie de Parkinson (PD) a été uniquement considérée pour ses endommagements sur les circuits moteurs dans le cerveau. Il est maintenant considéré comme un trouble multisystèmique, avec aspects multiples non moteurs y compris les dommages intérêts pour les circuits cognitifs. La présence d’un trouble léger de la cognition (TCL) de PD a été liée avec des changements structurels de la matière grise, matière blanche ainsi que des changements fonctionnels du cerveau. En particulier, une activité significativement réduite a été observée dans la boucle corticostriatale ‘cognitive’ chez des patients atteints de PD-TCL vs. PD non-TCL en utilisant IRMf. On sait peu de cours de ces modèles fonctionnels au fil du temps. Dans cette étude, nous présentons un suivi longitudinal de 24 patients de PD non démente qui a subi une enquête neuropsychologique, et ont été séparés en deux groupes - avec et sans TCL (TCL n = 11, non-TCL n = 13) en fonction du niveau 2 des recommandations de la Movement Disrders Society pour le diagnostic de PD-TCL. Ensuite, chaque participant a subi une IRMf en effectuant la tâche de Wisconsin pendant deux sessions, 19 mois d'intervalle. Nos résultats longitudinaux montrent qu'au cours de la planification de période de la tâche, les patients PD non-TCL engageant les ressources normales du cortex mais ils ont activé en plus les zones corticales qui sont liés à la prise de décision tel que cortex médial préfrontal (PFC), lobe pariétal et le PFC supérieure, tandis que les PD-TCL ont échoué pour engager ces zones en temps 2. Le striatum n'était pas engagé pour les deux groupes en temps 1 et pour le groupe TCL en temps 2. En outre, les structures médiales du lobe temporal étaient au fil du temps sous recrutés pour TCL et Non-TCL et étaient positivement corrélés avec les scores de MoCA. Le cortex pariétal, PFC antérieur, PFC supérieure et putamen postérieur étaient négativement corrélés avec les scores de MoCA en fil du temps. Ces résultats révèlent une altération fonctionnelle pour l’axe ganglial-thalamo-corticale au début de PD, ainsi que des niveaux différents de participation corticale pendant une déficience cognitive. Cette différence de recrutement corticale des ressources pourrait refléter longitudinalement des circuits déficients distincts de trouble cognitive légère dans PD.