L'effet des coups de tête et des commotions cérébrales sur le fonctionnement cognitif des joueurs de soccer

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les neurosciences cognitives du langage, de l'autisme et des styles cognitifs

VERSION ANGLAISE DISPONIBLE AU DÉPARTEMENT; THÈSE RÉALISÉE CONJOINTEMENT AVEC L'ÉCOLE DES SCIENCES DE LA COMMUNICATION DE L'UNIVERSITÉ MCGILL (DRS. K. STEINHAUER ET J.E. DRURY).

Activité électrocorticale lors du traitement de stimuli émotionnels et différences sexuelles associées à la schizophrénie

D’importantes faiblesses dans l'expérience, l'expression et la reconnaissance des émotions chez les patients souffrant de schizophrénie ont été relativement bien documentées au fil des années. Par ailleurs, les différences sexuelles dans le comportement et l'activité cérébrale associée aux processus émotionnels ont été rapportées dans la population générale. Il apparaît donc surprenant que si peu ait été publié afin d’améliorer notre compréhension des différences sexuelles dans la schizophrénie. La présente étude vise à comparer les différences dans le mode de fonctionnement d’hommes et de femmes atteints de schizophrénie. Il s’agit, avec cette population, de comprendre la réponse comportementale et électrocorticale associés au traitement des images émotionnelles. Ces données ont été enregistrées à l’aide des potentiels évoqués cognitifs (PÉC), et des temps de réponses lors du visionnement passif d’images émotionnelles. L’activation des composantes P200, N200 antérieure et P300 a été comparée chez 18 patients avec une schizophrénie stabilisée (9 femmes et 9 hommes) et 24 participants formant un groupe contrôle (13 femmes et 11 hommes) sans problème psychiatrique. L’analyse des PÉC a globalement révélé que la valence et l’activation émotionnelle influencent les composantes précoces de même que les composantes tardives de façon indépendante, ce qui prouve l’importance d’investiguer ces deux dimensions émotionnelles sur plusieurs composantes. Une découverte d’intérêt réside dans l’observation de différences sexuelles qui entrent en interaction avec le groupe, à différentes latences et attribuées tant à la valence qu’à l’activation. De plus, les données provenant des hormones gonadiques montrent que la progestérone pourrait avoir un impact fonctionnel sur les processus de traitement des émotions tant chez les femmes que chez les hommes. Cependant, d’autres études sont nécessaires pour pouvoir comprendre davantage le rôle des hormones gonadiques en neuropsychopathologie.

Étude de la négativité de discordance dans l'amusie congénitale

L’amusie congénitale est un trouble neuro-développemental qui s’exprime par un déficit de discrimination tonale fine. Le cerveau des amusiques ne répond pas aux petites différences de hauteur, tel que révélé par l’absence de la composante de potentiel évoqué P3b, qui est associée aux processus de discrimination tonale tardifs et conscients. Peu d’études se sont penchées sur les mécanismes précoces et préconscients de discrimination tonale chez les amusiques, qui peuvent être étudiés par l’entremise d’une composante de potentiel évoqué appelée la négativité de discordance (MMN). Certaines études ont démontré qu’il est possible d’enregistrer la MMN pendant la présentation d’un film avec la trame sonore en simultané aux sons visant à évoquer la composante. Toutefois, une étude a démontré que la présentation de la trame sonore réduisait l’amplitude de la MMN, sans néanmoins clarifier la nature de l’effet d’interférence en cause. Les objectifs du présent projet sont d’abord, d’investiguer les effets à l’origine de la réduction d’amplitude de la MMN observée lors de la présentation d’un film avec la trame sonore, puis d’évaluer cette même composante chez les amusiques. La première étude visait à déterminer si un effet d’interférence attentionnelle ou acoustique était en cause dans la réduction d’amplitude observée sur la MMN lors de la présentation de la trame sonore d’un film. Les résultats ont montré qu’un effet de masquage acoustique, attribuable à la trame sonore, était responsable de la réduction d’amplitude de la MMN, cette dernière augmentant au fur et à mesure que l’intensité sonore de la trame du film était réduite. La seconde étude a été conduite dans le but d’investiguer la MMN chez les amusiques et de vérifier si le complexe d’ondes anormales N2b-P3b, observé en réponse aux grandes différences tonales chez les amusiques, pouvait être attribuable à un effet de saillance des stimuli. Dans un premier temps, nous avons comparé la MMN des amusiques à celle des contrôles, puis nous avons modifié le paradigme expérimental visant à évoquer la N2b-P3b en ajustant les probabilités d’occurrence des sons présentés aux contrôles en fonction des sons perçus par les amusiques. Les résultats ont montré que le cerveau des amusiques parvient à discriminer les différences de hauteur à un niveau précoce et préconscient, tel que révélé par une MMN normale, mais que les réponses cérébrales plus tardives, associées au processus de discrimination des hauteurs conscient, sont anormales chez les amusiques, et ce, uniquement pour les petites différences de hauteur, tel que révélé par l’absence de la P3b. En conclusion, ces résultats démontrent que l’amplitude de la MMN est affectée de manière significative par la présentation de la trame sonore d’un film et que cela est attribuable à un effet d’interférence acoustique. Dans un deuxième temps, nous avons démontré que les mécanismes précoces et préconscients de discrimination tonale sont préservés chez les amusiques, et que le déficit sous-jacent à l’amusie congénitale est attribuable à une atteinte du processus de discrimination tonale fine associé à un niveau de traitement cérébral tardif et conscient, le complexe d’ondes anormales N2b-P3b étant pour sa part attribuable à un effet de saillance des stimuli.

Les effets de la distance physique sur les processus attentionnels sont dépendants de la similarité distracteur-cible : étude à partir des potentiels reliés aux évènements

L’attention visuelle est un processus cognitif qui priorise le traitement de l’information visuelle d’une région particulière du champ visuel. En électroencéphalographie, la méthode des potentiels reliés aux évènements permet l’extraction de composantes associées à divers processus cognitifs. La N2pc, une composante latéralisée caractérisée par une déflexion négative entre 180 et 300 ms post-stimulus du côté controlatéral à l’hémichamp dans lequel l’attention est déployée, reflète les processus impliqués dans le déploiement de l’attention visuo-spatiale. De nombreuses études antérieures ont soulevé plusieurs facteurs pouvant moduler cette composante, provenant d’autant de processus de bas niveau que de processus de haut niveau. Cette présente étude comporte une série d’expériences qui approfondit les connaissances sur le rôle de l’attention sur le traitement et la représentation des items dans les champs récepteurs des aires extrastriées du cortex visuel. Ces études démontrent ainsi que l’attention peut effectivement éliminer l’influence d’un distracteur dissimilaire à la cible lorsque celui-ci se retrouve dans le même champ visuel que l’item auquel l’attention est attribuée. Cependant, lorsque l’item est similaire à la cible, son influence ne peut être éliminée. De plus, cette présente étude identifie le rôle des filtres précoces et tardifs de haut niveau sur la sélection attentionnelle.

Étude électrophysiologique de l’impact de la couleur dans le déploiement attentionnel

L’influence de la couleur dans les mécanismes perceptuels et attentionnels a été étudiée. Quatre couleurs (le rouge, le vert, le bleu et le jaune) ont été calibrées individuellement à travers la technique heterochromatic flicker photometry. Suivant cela, les participants ont déployé leur attention à une cible (un cercle de couleur avec une ligne orientée). Les données électrophysiologiques ont été enregistrées pendant que les sujets performaient la tâche de recherche visuelle, et les analyses ont été basées sur les potentiels évoqués (PÉs). Trois composantes des PÉs ont été examinées : la posterior contralateral positivity (Ppc); la N2pc, reflétant le déploiement de l’attention visuo-spatiale et la temporal and contralateral positivity (Ptc). Des conditions dans lesquelles la cible était bleu ou rouge, lorsque comparées à des conditions avec une cible jaune ou verte suscitaient une N2pc plus précoce. Une amplitude plus élevée est aussi observée pour les cibles rouges pour les composantes Ppc et Ptc, reflétant une sélectivité pré-attentionelle. Ces résultats suggèrent de la prudence dans l’interprétation de données comparant des cibles de différentes couleurs dans des tâches de PÉs, et ce même lorsque les couleurs sont équiluminantes.

Effets électrophysiologiques d’une thérapie cognitivo-comportementale pour traiter le syndrome de Gilles de la Tourette et le trouble de tics chroniques

Les troubles des tics, comme le syndrome de Gilles de la Tourette et le trouble de tics chroniques, sont des conditions neuropsychiatriques impliquant des tics moteurs et/ou phoniques. En plus de nombreuses comorbidités, les patients qui en sont atteints ont aussi des difficultés neuropsychologiques, notamment au niveau de l’inhibition et des fonctions motrices. La thérapie cognitivo-comportementale permet d’améliorer les tics et la condition générale de ces patients. Nous avons donc enregistré, durant une tâche de compatibilité stimulus-réponse, les potentiels évoqués cognitifs et les potentiels de latéralisation motrice (lateralized readiness potential; LRP) chez 20 patients atteints de trouble des tic avant et après une thérapie cognitivo-comportementale, et chez 20 participants contrôles. Chez les patients atteints de trouble des tics, nos résultats ont révélé une apparition plus tardive de l’amorce du LRP moyenné par rapport au stimulus, une amplitude plus élevée du LRP moyenné par rapport à la réponse, et une suractivation frontale liée aux processus d’inhibition. Suite à la thérapie, le retard au niveau de la latence de l’amorce du LRP moyenné par rapport à la réponse est comblé et l’amplitude du LRP moyenné par rapport à la réponse est normalisée, mais pas la suractivation frontale liée à l’inhibition. Cela suggère donc que la thérapie induit une modification des processus prémoteurs de sélection et de préparation de la réponse, ainsi que des processus d’exécution motrice, mais n’altère pas la suractivation frontale reliée aux fonctions inhibitrices. Étant donnés ces résultats, nous suggérons que la thérapie cognitivo-comportementale induit une modification du fonctionnement des aires motrices du cerveau.

Comparaison des potentiels évoqués cognitifs de patients présentant des tics chroniques simples ou complexes

Les tics affectent 1% des individus et sont associés avec une diminution de la qualité de vie. L’importante hétérogénéité phénoménologique retrouvée chez ceux-ci représente un obstacle majeur pour l’évaluation et le traitement de ces symptômes, et explique potentiellement la présence de données neurobiologiques contradictoires. Certaines variables rarement contrôlées, comme la complexité des tics et la demande motrice des tâches pourraient expliquer l’hétérogénéité de ces résultats. Une meilleure compréhension des processus cognitifs affectés pourrait être atteinte par l’étude de la chronométrie des événements cérébraux. Ainsi, notre objectif était d’évaluer l’impact de la complexité des tics et du type de réponse sur les potentiels électrocorticaux liés à l’inhibition, à l’attention et à la mémoire de patients tics. Nous avons comparé 12 patients présentant des tics simples avec 12 patients atteints de tics complexes, qui furent appariés à 15 participants contrôles sains. Deux tâches oddball furent accomplies, dont l’une exigeait une réponse motrice et l’autre une réponse non-motrice (compter le nombre de stimuli). Durant ces tâches, nous avons enregistré des composantes électrocorticales indexant des processus d’attention (P200), d’inhibition (N200) et de mémoire (P300). Pour la tâche non-motrice, nos résultats révélèrent une N200 plus ample chez les deux groupes de patients tics et une P300 réduite seulement chez ceux avec des tics simples. Quant à la tâche motrice, les deux groupes de patients tics présentaient une P300 réduite. Selon nos résultats, la complexité des tics et la demande motrice des tâches peuvent affecter les mécanismes neuronaux sous-tendant les différentes étapes du traitement de l’information.

Identification des corrélats neuronaux associés à la clôture perceptive des objets : une étude en potentiels évoqués

La capacité du système visuel humain à compléter une image partiellement dévoilée et à en dériver une forme globale à partir de ses fragments visibles incomplets est un phénomène qui suscite, jusqu’à nos jours, l’intérêt de nombreux scientifiques œuvrant dans différents milieux de recherche tels que l’informatique, l’ingénierie en intelligence artificielle, la perception et les neurosciences. Dans le cadre de la présente thèse, nous nous sommes intéressés spécifiquement sur les substrats neuronaux associés à ce phénomène de clôture perceptive. La thèse actuelle a donc pour objectif général d’explorer le décours spatio-temporel des corrélats neuronaux associés à la clôture perceptive au cours d’une tâche d’identification d’objets. Dans un premier temps, le premier article visera à caractériser la signature électrophysiologique liée à la clôture perceptive chez des personnes à développement typique dans le but de déterminer si les processus de clôture perceptive reflèteraient l’interaction itérative entre les mécanismes de bas et de haut-niveau et si ceux-ci seraient sollicités à une étape précoce ou tardive lors du traitement visuel de l’information. Dans un deuxième temps, le second article a pour objectif d’explorer le décours spatio-temporel des mécanismes neuronaux sous-tendant la clôture perceptive dans le but de déterminer si les processus de clôture perceptive des personnes présentant un trouble autistique se caractérisent par une signature idiosyncrasique des changements d’amplitude des potentiels évoqués (PÉs). En d’autres termes, nous cherchons à déterminer si la clôture perceptive en autisme est atypique et nécessiterait davantage la contribution des mécanismes de bas-niveau et/ou de haut-niveau. Les résultats du premier article indiquent que le phénomène de clôture perceptive est associé temporellement à l’occurrence de la composante de PÉs N80 et P160 tel que révélé par des différences significatives claires entre des objets et des versions méconnaissables brouillées. Nous proposons enfin que la clôture perceptive s’avère un processus de transition reflétant les interactions proactives entre les mécanismes neuronaux œuvrant à apparier l’input sensoriel fragmenté à une représentation d’objets en mémoire plausible. Les résultats du second article révèlent des effets précoces de fragmentation et d’identification obtenus au niveau de composantes de potentiels évoqués N80 et P160 et ce, en toute absence d’effets au niveau des composantes tardives pour les individus avec autisme de haut niveau et avec syndrome d’Asperger. Pour ces deux groupes du trouble du spectre autistique, les données électrophysiologiques suggèrent qu’il n’y aurait pas de pré-activation graduelle de l’activité des régions corticales, entre autres frontales, aux moments précédant et menant vers l’identification d’objets fragmentés. Pour les participants autistes et avec syndrome d’Asperger, les analyses statistiques démontrent d’ailleurs une plus importante activation au niveau des régions postérieures alors que les individus à développement typique démontrent une activation plus élevée au niveau antérieur. Ces résultats pourraient suggérer que les personnes du spectre autistique se fient davantage aux processus perceptifs de bas-niveau pour parvenir à compléter les images d’objets fragmentés. Ainsi, lorsque confrontés aux images d’objets partiellement visibles pouvant sembler ambiguës, les individus avec autisme pourraient démontrer plus de difficultés à générer de multiples prédictions au sujet de l’identité d’un objet qu’ils perçoivent. Les implications théoriques et cliniques, les limites et perspectives futures de ces résultats sont discutées.

Hemispheric asymmetries in recognition memory for negative and neutral words

Federmeier and Benjamin (2005) have suggested that semantic encoding for verbal information in the right hemisphere can be more effective when memory demands are higher. However, other studies (Kanske & Kotz, 2007) also suggest that visual word recognition differ in function of emotional valence. In this context, the present study was designed to evaluate the effects of retention level upon recognition memory processes for negative and neutral words. Sample consisted of 15 right-handed undergraduate portuguese students with normal or corrected to normal vision. Portuguese concrete negative and neutral words were selected in accordance to known linguistic capabilities of the right hemisphere. The participants were submitted to a visual half-field word presentation using a continuous recognition memory paradigm. Eye movements were continuously monitored with a Tobii T60 eye-tracker that showed no significant differences in fixations to negative and neutral words. Reaction times in word recognition suggest an overall advantage of negative words in comparison to the neutral words. Further analysis showed faster responses for negative words than for neutral words when were recognised at longer retention intervals for left-hemisphere encoding. Electrophysiological data through event related potentials revealed larger P2 amplitude over centro-posterior electrode sites for words studied in the left hemifield suggesting a priming effect for right-hemisphere encoding. Overall data suggest different hemispheric memory strategies for the semantic encoding of negative and neutral words.

Electrophysiological correlates of spatial orienting towards angry faces: a source localization study

The goal of this study was to examine behavioral and electrophysiological correlates of involuntary orienting toward rapidly presented angry faces in non-anxious, healthy adults using a dot-probe task in conjunction with high-density event-related potentials and a distributed source localization technique. Consistent with previous studies, participants showed hypervigilance toward angry faces, as indexed by facilitated response time for validly cued probes following angry faces and an enhanced P1 component. An opposite pattern was found for happy faces suggesting that attention was directed toward the relatively more threatening stimuli within the visual field (neutral faces). Source localization of the P1 effect for angry faces indicated increased activity within the anterior cingulate cortex, possibly reflecting conflict experienced during invalidly cued trials. No modulation of the early C1 component was found for affect or spatial attention. Furthermore, the face-sensitive N170 was not modulated by emotional expression. Results suggest that the earliest modulation of spatial attention by face stimuli is manifested in the P1 component, and provide insights about mechanisms underlying attentional orienting toward cues of threat and social disapproval.

Neural correlates of true and false memory in mild cognitive impairment

The goal of this research was to investigate the changes in neural processing in mild cognitive impairment. We measured phase synchrony, amplitudes, and event-related potentials in veridical and false memory to determine whether these differed in participants with mild cognitive impairment compared with typical, age-matched controls. Empirical mode decomposition phase locking analysis was used to assess synchrony, which is the first time this analysis technique has been applied in a complex cognitive task such as memory processing. The technique allowed assessment of changes in frontal and parietal cortex connectivity over time during a memory task, without a priori selection of frequency ranges, which has been shown previously to influence synchrony detection. Phase synchrony differed significantly in its timing and degree between participant groups in the theta and alpha frequency ranges. Timing differences suggested greater dependence on gist memory in the presence of mild cognitive impairment. The group with mild cognitive impairment had significantly more frontal theta phase locking than the controls in the absence of a significant behavioural difference in the task, providing new evidence for compensatory processing in the former group. Both groups showed greater frontal phase locking during false than true memory, suggesting increased searching when no actual memory trace was found. Significant inter-group differences in frontal alpha phase locking provided support for a role for lower and upper alpha oscillations in memory processing. Finally, fronto-parietal interaction was significantly reduced in the group with mild cognitive impairment, supporting the notion that mild cognitive impairment could represent an early stage in Alzheimer’s disease, which has been described as a ‘disconnection syndrome’.

Individual differences and the role of the L1 in L2 processing: an ERP investigation

This study used ERP (event-related potentials) to examine both the role of the L1 and the role of individual differences in the processing of agreement violations. Theories of L2 acquisition differ with regard to whether or not native-like acquisition of L2 features is possible (Schwartz and Sprouse, 1994, 1996; Tsimpli and Mastropavlou, 2007), and the results of previous ERP studies are inconsistent when it comes to whether or not native-like processing is observed in response to L2 agreement violations (e.g., Sabourin, 2003; Tokowicz and MacWhinney, 2005). Furthermore, studies of learners in early stages of L2 acquisition have found variability in the emergence of native-like responses (e.g., McLaughlin et al., 2010; Tanner et al., 2009), but sources of variability have not been investigated. The current study examines responses to gender and number agreement violations in English-speaking learners of Spanish (n=24). Stimuli targeted agreement in three conditions: subject-verb agreement (el barco flota/*flotan), which is similar in Spanish and English; number agreement on adjectival predicates (la isla rocosa/*rocosas), a context in which agreement is not instantiated in English; and gender agreement on adjectival predicates (la isla rocosa/*rocoso), which is unique to Spanish. Grammaticality judgments and ERP responses were also tested for correlations with aptitude scores on the Modern Languages Aptitude Test (MLAT; Carroll and Sapon, 1959) and the Raven Advanced Progressive Matrices (Raven, 1965). Results are in line with theories that claim native-like processing is acquirable, since learners demonstrated similar ERP responses to a control group of native Spanish-speakers (n=8) with regard to all three agreement types. Additionally, the MLAT (but not the Raven) was significantly correlated with sensitivity to number violations, both in terms of grammaticality judgments and ERP amplitudes, indicating a role for verbal but not nonverbal aptitude in L2 processing.

N1 enhancement in synesthesia during visual and audio-visual perception in semantic cross-modal conflict situations: an ERP study

Synesthesia entails a special kind of sensory perception, where stimulation in one sensory modality leads to an internally generated perceptual experience of another, not stimulated sensory modality. This phenomenon can be viewed as an abnormal multisensory integration process as here the synesthetic percept is aberrantly fused with the stimulated modality. Indeed, recent synesthesia research has focused on multimodal processing even outside of the specific synesthesia-inducing context and has revealed changed multimodal integration, thus suggesting perceptual alterations at a global level. Here, we focused on audio-visual processing in synesthesia using a semantic classification task in combination with visually or auditory-visually presented animated and in animated objects in an audio-visual congruent and incongruent manner. Fourteen subjects with auditory-visual and/or grapheme-color synesthesia and 14 control subjects participated in the experiment. During presentation of the stimuli, event-related potentials were recorded from 32 electrodes. The analysis of reaction times and error rates revealed no group differences with best performance for audio-visually congruent stimulation indicating the well-known multimodal facilitation effect. We found enhanced amplitude of the N1 component over occipital electrode sites for synesthetes compared to controls. The differences occurred irrespective of the experimental condition and therefore suggest a global influence on early sensory processing in synesthetes.

Automated identification of neural correlates of continuous variables

Background: The electroencephalogram (EEG) may be described by a large number of different feature types and automated feature selection methods are needed in order to reliably identify features which correlate with continuous independent variables. New method: A method is presented for the automated identification of features that differentiate two or more groups inneurologicaldatasets basedupona spectraldecompositionofthe feature set. Furthermore, the method is able to identify features that relate to continuous independent variables. Results: The proposed method is first evaluated on synthetic EEG datasets and observed to reliably identify the correct features. The method is then applied to EEG recorded during a music listening task and is observed to automatically identify neural correlates of music tempo changes similar to neural correlates identified in a previous study. Finally,the method is applied to identify neural correlates of music-induced affective states. The identified neural correlates reside primarily over the frontal cortex and are consistent with widely reported neural correlates of emotions. Comparison with existing methods: The proposed method is compared to the state-of-the-art methods of canonical correlation analysis and common spatial patterns, in order to identify features differentiating synthetic event-related potentials of different amplitudes and is observed to exhibit greater performance as the number of unique groups in the dataset increases. Conclusions: The proposed method is able to identify neural correlates of continuous variables in EEG datasets and is shown to outperform canonical correlation analysis and common spatial patterns.