Epileptic networks are strongly connected with and without the effects of interictal discharges

OBJECTIVE Epilepsy is increasingly considered as the dysfunction of a pathologic neuronal network (epileptic network) rather than a single focal source. We aimed to assess the interactions between the regions that comprise the epileptic network and to investigate their dependence on the occurrence of interictal epileptiform discharges (IEDs). METHODS We analyzed resting state simultaneous electroencephalography-functional magnetic resonance imaging (EEG-fMRI) recordings in 10 patients with drug-resistant focal epilepsy with multifocal IED-related blood oxygen level-dependent (BOLD) responses and a maximum t-value in the IED field. We computed functional connectivity (FC) maps of the epileptic network using two types of seed: (1) a 10-mm diameter sphere centered in the global maximum of IED-related BOLD map, and (2) the independent component with highest correlation to the IED-related BOLD map, named epileptic component. For both approaches, we compared FC maps before and after regressing out the effect of IEDs in terms of maximum and mean t-values and percentage of map overlap. RESULTS Maximum and mean FC maps t-values were significantly lower after regressing out IEDs at the group level (p < 0.01). Overlap extent was 85% ± 12% and 87% ± 12% when the seed was the 10-mm diameter sphere and the epileptic component, respectively. SIGNIFICANCE Regions involved in a specific epileptic network show coherent BOLD fluctuations independent of scalp EEG IEDs. FC topography and strength is largely preserved by removing the IED effect. This could represent a signature of a sustained pathologic network with contribution from epileptic activity invisible to the scalp EEG.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Surface Elevation Change Processes in the Snohomish River Estuary, Washington

Estuaries provide crucial ecosystem functions and contain significant socio-economic value. Within Washington State, estuaries supply rearing habitat for juvenile salmon during their transition period from freshwater to open sea. In order to properly manage wetland resources and restore salmon habitat, the mechanisms through which estuaries evolve and adapt to pressures from climate change, most notably eustatic sea level rise, must be understood. Estuaries maintain elevation relative to sea level rise through vertical accretion of sediment. This report investigates the processes that contribute to local surface elevation change in the Snohomish Estuary, conveys preliminary surface elevation change results from RTK GPS monitoring, and describes how surface elevation change will be monitored with a network of RSET-MH’s. Part of the tidal wetlands within the Snohomish River Estuary were converted for agricultural and industrial purposes in the 1800’s, which resulted in subsidence of organic soils and loss of habitat. The Tulalip Tribes, the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Northwest Indian Fisheries Commission (NWIFC), and the Environmental Protection Agency (EPA) are conducting a large-scale restoration project to improve ecosystem health and restore juvenile salmon habitat. A study by Crooks et al. (2014) used 210Pb and carbon densities within sediment cores to estimate wetland re-building capacities, sediment accretion rates, and carbon sequestration potential within the Snohomish Estuary. This report uses the aforementioned study in combination with research on crustal movement, tidal patterns, sediment supply, and sea level rise predictions in the Puget Sound to project how surface elevation will change in the Snohomish Estuary with respect to sea level rise. Anthropogenic modification of the floodplain has reduced the quantity of vegetation and functional connectivity within the Snohomish Estuary. There have been losses up to 99% in vegetation coverage from historic extents within the estuary in both freshwater and mesohaline environments. Hydrographic monitoring conducted by NOAA and the Tulalip Tribe shows that 85% of the historic wetland area is not connected to the main stem of the Snohomish (Jason Hall 2014, unpublished data, NOAA). As vegetation colonization and functional connectivity of the floodplains of the Snohomish estuary is re-established through passive and active restoration, sediment transport and accretion is expected to increase. Under the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) “medium- probability” scenario sea level is projected to rise at a rate of 4.28 mm/year in the Puget Sound. Sea level rise in the Snohomish Estuary will be exacerbated from crustal deformation from subsidence and post-glacial rebound, which are measured to be -1.4 mm/year and -0.02 mm/year, respectively. Sediment accretion rates calculated by Crooks et al. (2014) and RTK GPS monitoring of surface elevation change of the Marysville Mitigation site from 2011-2014 measured vertical accretion rates that range from -48-19 mm/year and have high spatial variability. Sediment supply is estimated at 490 thousand tons/year, which may be an under-estimate because of the exclusion of tidal transport in this value. The higher rates of sediment accretion measured in the Snohomish Estuary suggest that the Snohomish will likely match or exceed the pace of sea level rise under “medium-probability” projections. The network of RSET-MH instruments will track surface elevation change within the estuary, and provide a more robust dataset on rates of surface elevation change to quantify how vertical accretion and subsidence are contributing to surface elevation change on a landscape scale.

Optimization and Machine Learning Frameworks for Complex Network Analysis

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Cerebellar language and cognitive functions in childhood: A comparative review of the clinical research

Background: Recent research addressing evidence from functional neuroimaging studies, neurophysiological research, and new advances in neuropsychology together with traditional cerebellar lesion studies have recently implicated the cerebellum in adult language and cognitive functions. However, more limited information is currently available in describing the functional connectivity present in the paediatric population. Aims: It is the purpose of this paper to review recent clinical research pertaining to paediatric populations, outlining the impact of site of lesion and specific associated clinical changes in children with cerebellar disturbances. Main contribution: The specific contribution of the right cerebellar hemisphere to language function is identified to also exist in the paediatric population, highlighting the existence of functional connections between this region of the brain and left frontal cortical areas early in development. Conclusions: Implications for future research in paediatric populations are extensive, as a greater awareness and an understanding of the recently acknowledged involvement of the cerebellum in cognition and nonmotor linguistic function is anticipated to also add new dimension and direction to the analysis of childhood language outcomes associated with the cerebellum.

Causality and synchronisation in complex systems with applications to neuroscience

This thesis presents an investigation, of synchronisation and causality, motivated by problems in computational neuroscience. The thesis addresses both theoretical and practical signal processing issues regarding the estimation of interdependence from a set of multivariate data generated by a complex underlying dynamical system. This topic is driven by a series of problems in neuroscience, which represents the principal background motive behind the material in this work. The underlying system is the human brain and the generative process of the data is based on modern electromagnetic neuroimaging methods . In this thesis, the underlying functional of the brain mechanisms are derived from the recent mathematical formalism of dynamical systems in complex networks. This is justified principally on the grounds of the complex hierarchical and multiscale nature of the brain and it offers new methods of analysis to model its emergent phenomena. A fundamental approach to study the neural activity is to investigate the connectivity pattern developed by the brain’s complex network. Three types of connectivity are important to study: 1) anatomical connectivity refering to the physical links forming the topology of the brain network; 2) effective connectivity concerning with the way the neural elements communicate with each other using the brain’s anatomical structure, through phenomena of synchronisation and information transfer; 3) functional connectivity, presenting an epistemic concept which alludes to the interdependence between data measured from the brain network. The main contribution of this thesis is to present, apply and discuss novel algorithms of functional connectivities, which are designed to extract different specific aspects of interaction between the underlying generators of the data. Firstly, a univariate statistic is developed to allow for indirect assessment of synchronisation in the local network from a single time series. This approach is useful in inferring the coupling as in a local cortical area as observed by a single measurement electrode. Secondly, different existing methods of phase synchronisation are considered from the perspective of experimental data analysis and inference of coupling from observed data. These methods are designed to address the estimation of medium to long range connectivity and their differences are particularly relevant in the context of volume conduction, that is known to produce spurious detections of connectivity. Finally, an asymmetric temporal metric is introduced in order to detect the direction of the coupling between different regions of the brain. The method developed in this thesis is based on a machine learning extensions of the well known concept of Granger causality. The thesis discussion is developed alongside examples of synthetic and experimental real data. The synthetic data are simulations of complex dynamical systems with the intention to mimic the behaviour of simple cortical neural assemblies. They are helpful to test the techniques developed in this thesis. The real datasets are provided to illustrate the problem of brain connectivity in the case of important neurological disorders such as Epilepsy and Parkinson’s disease. The methods of functional connectivity in this thesis are applied to intracranial EEG recordings in order to extract features, which characterize underlying spatiotemporal dynamics before during and after an epileptic seizure and predict seizure location and onset prior to conventional electrographic signs. The methodology is also applied to a MEG dataset containing healthy, Parkinson’s and dementia subjects with the scope of distinguishing patterns of pathological from physiological connectivity.

Effect of dopamine on synchronous neuronal oscillations in the globus pallidus-subthalamic nucleus network

Changes in the pattern of activity of neurones within the basal ganglia are relevant in the pathophysiology and symptoms of Parkinson’s disease. The globus pallidus (GP) – subthalamic nucleus (STN) network has been proposed to form a pacemaker driving regenerative synchronous bursting activity. In order to test whether this activity can be sustained in vitro a 20o parasagittal slice of mouse midbrain was developed which preserved functional connectivity between the STN and GP. Mouse STN and GP cells were characterised electrophysiologically by the presence or absence of a voltage sag in response to hyperpolarising current steps indicative of Ih and the presence of rebound depolarisations. The presence of evoked and spontaneous post-synaptic GABA and glutamatergic currents indicated functional connectivity between the STN and GP. In control slices, STN cells fired action potentials at a regular rate, activity which was unaffected by bath application of the GABAA receptor antagonist picrotoxin (50 μM) or the glutamate receptor antagonist CNQX (10 μM). Paired extracellular recordings of STN cells showed uncorrelated firing. Oscillatory burst activity was induced pharmacologically using the glutamate receptor agonist, NMDA (20 μM), in combination with the potassium channel blocker apamin (50 -100 nM). The burst activity was unaffected by bath application of picrotoxin or CNQX while paired STN recordings showed uncorrelated activity indicating that the activity is not produced by the neuronal network. Thus, no regenerative activity is evident in this mouse brain preparation, either in control slices or when bursting is pharmacologically induced, suggesting the requirement of other afferent inputs that are not present in the slice. Using single-unit extracellular recording, dopamine (30 μM) produced an excitation of STN cells. This excitation was independent of synaptic transmission and was mimicked by both the Dl-like receptor agonist SKF38393 (10 μM) and the D2-like receptor agonist quinpirole (10 μM). However, the excitation was partially reduced by the D1-like antagonist SCH23390 (2 μM) but not by the D2-like antagonists sulpiride (10 μM) and eticlopride (10 μM). Using whole-recordings, dopamine was shown to induce membrane depolarisation. This depolarisation was caused either by a D1-like receptor mediated increase in a conductance which reversed at -34 mV, consistent with a non-specific cation conductance, or a D2-like receptor mediated decrease in conductance which reversed around -100 mV, consistent with a potassium conductance. Bath application of dopamine altered the pattern of the burst-firing produced by NMDA an apamin towards a more regular pattern. This effect was associated with a decrease in amplitude and ll1crease in frequency of TTX-resistant plateau potentials which underlie the burst activity.

Changes in neural complexity during the perception of 3D images using random dot stereograms

One developing theme in consciousness research is that consciousness is not the product of any specific component of the brain, rather it is an emergent property of the changing patterns of connectivity between different specialised functional components. For example, the dynamic core hypothesis proposes that conscious experience requires high levels of neural complexity, where complexity is defined in terms of functional connectivity. To test this hypothesis, electroencephalography was recorded while participants were shown random dot-stereograms. Consistent with the dynamic core hypothesis, neural complexity increased as the participants changed from simply viewing the stereogram to consciously perceiving the hidden 3D image.

Resting state morphology predicts the effect of theta burst stimulation in false belief reasoning:ventrolateral prefrontal cortex in false belief reasoning

When required to represent a perspective that conflicts with one's own, functional magnetic resonance imaging (fMRI) suggests that the right ventrolateral prefrontal cortex (rvlPFC) supports the inhibition of that conflicting self-perspective. The present task dissociated inhibition of self-perspective from other executive control processes by contrasting belief reasoning-a cognitive state where the presence of conflicting perspectives was manipulated-with a conative desire state wherein no systematic conflict existed. Linear modeling was used to examine the effect of continuous theta burst stimulation (cTBS) to rvlPFC on participants' reaction times in belief and desire reasoning. It was anticipated that cTBS applied to rvlPFC would affect belief but not desire reasoning, by modulating activity in the Ventral Attention System (VAS). We further anticipated that this effect would be mediated by functional connectivity within this network, which was identified using resting state fMRI and an unbiased model-free approach. Simple reaction-time analysis failed to detect an effect of cTBS. However, by additionally modeling individual measures from within the stimulated network, the hypothesized effect of cTBS to belief (but, importantly, not desire) reasoning was demonstrated. Structural morphology within the stimulated region, rvlPFC, and right temporoparietal junction were demonstrated to underlie this effect. These data provide evidence that inconsistencies found with cTBS can be mediated by the composition of the functional network that is being stimulated. We suggest that the common claim that this network constitutes the VAS explains the effect of cTBS to this network on false belief reasoning. Hum Brain Mapp, 2016. © 2016 Wiley Periodicals, Inc.

Developing multidimensional metrics for evaluating paediatric neurodevelopmental disorders

Healthy brain functioning depends on efficient communication of information between brain regions, forming complex networks. By quantifying synchronisation between brain regions, a functionally connected brain network can be articulated. In neurodevelopmental disorders, where diagnosis is based on measures of behaviour and tasks, a measure of the underlying biological mechanisms holds promise as a potential clinical tool. Graph theory provides a tool for investigating the neural correlates of neuropsychiatric disorders, where there is disruption of efficient communication within and between brain networks. This research aimed to use recent conceptualisation of graph theory, along with measures of behaviour and cognitive functioning, to increase understanding of the neurobiological risk factors of atypical development. Using magnetoencephalography to investigate frequency-specific temporal dynamics at rest, the research aimed to identify potential biological markers derived from sensor-level whole-brain functional connectivity. Whilst graph theory has proved valuable for insight into network efficiency, its application is hampered by two limitations. First, its measures have hardly been validated in MEG studies, and second, graph measures have been shown to depend on methodological assumptions that restrict direct network comparisons. The first experimental study (Chapter 3) addressed the first limitation by examining the reproducibility of graph-based functional connectivity and network parameters in healthy adult volunteers. Subsequent chapters addressed the second limitation through adapted minimum spanning tree (a network analysis approach that allows for unbiased group comparisons) along with graph network tools that had been shown in Chapter 3 to be highly reproducible. Network topologies were modelled in healthy development (Chapter 4), and atypical neurodevelopment (Chapters 5 and 6). The results provided support to the proposition that measures of network organisation, derived from sensor-space MEG data, offer insights helping to unravel the biological basis of typical brain maturation and neurodevelopmental conditions, with the possibility of future clinical utility.

Pediatric CNS pathophysiology

Research in pediatric central nervous system pathophysiology is focused around three primary goals: identification of neurodevelopmental disorders, understanding the differences in brain development which underlie these disorders, and improving treatment for these young children. Autism spectrum disorders (ASDs) are a complex set of disorders which are characterized by difficulties in language and social interactions. These behavioral measures are highly variable and a number of underlying causes can generate similar behavioral effects. Therefore, it is important to identify neurophysiological markers to better identify and characterize these disorders. Recent ASD findings using MEG show atypical latency and amplitude responses and poor cortical connectivity in children with ASDs across the cognitive spectrum from basic auditory processing, multisensory integration, to face and semantic processing. These results further support the view that ASDs are a complex neurologically-based disorder. On the other hand, the cause of Down syndrome is well understood as originating from a partial or full replication of chromosome 21. However, the cognitive and neurological consequences of this chromosomal abnormality are not yet well understood. Using a simple observation and motor execution task, poor functional connectivity in sensory-motor areas, particularly in the gamma band range, has been identified in children with Down syndrome and is consistent with behavioral deficits in the sensory-motor realm. Additional studies are needed to better understand whether targeted identification of these abnormalities can facilitate treatment in this disorder. Finally, while epilepsy can be reliably diagnosed, seizure control is still limited in many cases where the seizure onset zone is not readily apparent. Advances in pre-surgical evaluation and intra-operative co-registration will be described. These studies describing pediatric CNS pathophysiology will be discussed. © Springer-Verlag 2010.

Pratiques parentales coercitives, anxiété et traitement de la peur chez les jeunes en bonne santé: corrélats neuronaux, biologiques, physiologiques et comportementaux

L’adversité tôt dans la vie est associée au développement de symptômes anxieux pouvant perdurer jusqu’à l’âge adulte (Casey et el, 2010, Pine 2003). Des études chez l’adulte suggèrent que ces liens pourraient être associés à des altérations du « circuit de la peur » qui inclut l’amygdale, l’hippocampe antérieur, l’insula et le cortex préfrontal (Marek, 2013, Etkin & Wager, 2007). Ceci a cependant peu été étudié chez les jeunes. L’objectif principal de cette thèse était de définir les corrélats comportementaux, physiologiques, biologiques et neuronaux du traitement de la peur chez les jeunes en bonne santé, en lien ou non avec un historique d’adversité -- sous la forme de pratiques parentales coercitives -- et d’anxiété. D’abord, puisque nous nous intéressions aux pratiques parentales coercitives chroniques, nous avons examiné leur évolution et facteurs de risque, en nous concentrant sur la période de 17 à 72 mois. Un total de 2045 dyades mère-enfant ont été incluses dans une analyse de courbe de croissance latente. Nous avons démontré que la coercition maternelle suit une évolution non linéaire durant cette période et atteint un sommet à 42 mois. Les facteurs de risque relatifs à l’enfant et à la mère, mesurés à 17 mois, permettent de prédire les niveaux de coercition à 42 mois. Finalement, les prédicteurs relatifs à l’enfant et l’efficacité maternelle prédisent l’évolution des pratiques parentales coercitives entre 17 et 72 mois. Ensuite, afin de définir une méthodologie solide pour étudier le traitement de la peur chez des jeunes, nous avons adapté une tâche développée par Lau et ses collaborateurs (2008), employant des visages féminins comme stimuli. Le sexe des participants et des visages employés comme stimuli pouvant potentiellement moduler le traitement de la peur (Kret & de Gelder, 2012; McClure, 2000), nous avons étudié leurs influences respectives sur les réponses électrodermales et subjectives de peur durant le conditionnement et l’extinction de la peur chez 117 jeunes. Nous avons démontré que les stimuli féminins suscitent des réponses davantage comparables entre les garçons et les filles que les stimuli masculins. De plus, nous avons observé un effet du « même sexe », caractérisé par un conditionnement différentiel uniquement face aux stimuli du même sexe que le participant. Finalement, nous avons exploré les différences individuelles et conjointes associées aux différents niveaux de pratiques parentales coercitives et d’anxiété en termes de réponses de peur et d’activité cérébrale, durant le conditionnement et l’extinction de la peur chez 84 jeunes. Nous avons démontré que la coercition est spécifiquement associée au fonctionnement du lobe temporal médian et aux interactions entre l’amygdale et l’insula, durant le conditionnement. Durant l’extinction, les niveaux d’anxiété étaient associés à des différences spécifiques d’activation du gyrus cingulaire antérieur (GCA) dorsal. Enfin, les pratiques parentales coercitives et l’anxiété interagissent et viennent moduler la connectivité fonctionnelle amygdale - GCA rostral, l’activation d’une sous-région du GCA dorsal et les réponses subjectives de peur. Ces résultats ajoutent une pièce au casse-tête des neurosciences développementales et fournissent des pistes intéressantes pour le développement d’interventions futures.

Comprendre l’interaction entre la douleur et le système moteur : une étude novatrice combinant la stimulation magnétique transcrânienne et l’électroencéphalographie

Résumé : L’interaction entre la douleur et le système moteur est bien connue en clinique et en réadaptation. Il est sans surprise que la douleur est un phénomène considérablement invalidant, affectant la qualité de vie de ceux et celles qui en souffrent. Toutefois, les bases neurophysiologiques qui sous-tendent cette interaction demeurent, encore aujourd’hui, mal comprises. Le but de la présente étude était de mieux comprendre les mécanismes corticaux impliqués dans l’interaction entre la douleur et le système moteur. Pour ce faire, une douleur expérimentale a été induite à l’aide d’une crème à base de capsaïcine au niveau de l’avant-bras gauche des participants. L'effet de la douleur sur la force des projections corticospinales ainsi que sur l’activité cérébrale a été mesuré à l’aide de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de l’électroencéphalographie (EEG), respectivement. L’analyse des données EEG a permis de révéler qu'en présence de douleur aiguë, il y a une augmentation de l’activité cérébrale au niveau du cuneus central (fréquence têta), du cortex dorsolatéral préfrontal gauche (fréquence alpha) ainsi que du cuneus gauche et de l'insula droite (toutes deux fréquence bêta), lorsque comparée à la condition initiale (sans douleur). Également, les analyses démontrent une augmentation de l'activité du cortex moteur primaire droit en présence de douleur, mais seulement chez les participants qui présentaient simultanément une diminution de leur force de projections corticales (mesurée avec la TMS t=4,45, p<0,05). Ces participants ont également montré une plus grande connectivité entre M1 et le cuneus que les participants dont la douleur n’a pas affecté la force des projections corticospinales (t=3,58, p<0,05). Ces résultats suggèrent qu’une douleur expérimentale induit, chez certains individus, une altération au niveau des forces de projections corticomotrices. Les connexions entre M1 et le cuneus seraient possiblement impliquées dans la survenue de ces changements corticomoteurs.

Pratiques parentales coercitives, anxiété et traitement de la peur chez les jeunes en bonne santé: corrélats neuronaux, biologiques, physiologiques et comportementaux

L’adversité tôt dans la vie est associée au développement de symptômes anxieux pouvant perdurer jusqu’à l’âge adulte (Casey et el, 2010, Pine 2003). Des études chez l’adulte suggèrent que ces liens pourraient être associés à des altérations du « circuit de la peur » qui inclut l’amygdale, l’hippocampe antérieur, l’insula et le cortex préfrontal (Marek, 2013, Etkin & Wager, 2007). Ceci a cependant peu été étudié chez les jeunes. L’objectif principal de cette thèse était de définir les corrélats comportementaux, physiologiques, biologiques et neuronaux du traitement de la peur chez les jeunes en bonne santé, en lien ou non avec un historique d’adversité -- sous la forme de pratiques parentales coercitives -- et d’anxiété. D’abord, puisque nous nous intéressions aux pratiques parentales coercitives chroniques, nous avons examiné leur évolution et facteurs de risque, en nous concentrant sur la période de 17 à 72 mois. Un total de 2045 dyades mère-enfant ont été incluses dans une analyse de courbe de croissance latente. Nous avons démontré que la coercition maternelle suit une évolution non linéaire durant cette période et atteint un sommet à 42 mois. Les facteurs de risque relatifs à l’enfant et à la mère, mesurés à 17 mois, permettent de prédire les niveaux de coercition à 42 mois. Finalement, les prédicteurs relatifs à l’enfant et l’efficacité maternelle prédisent l’évolution des pratiques parentales coercitives entre 17 et 72 mois. Ensuite, afin de définir une méthodologie solide pour étudier le traitement de la peur chez des jeunes, nous avons adapté une tâche développée par Lau et ses collaborateurs (2008), employant des visages féminins comme stimuli. Le sexe des participants et des visages employés comme stimuli pouvant potentiellement moduler le traitement de la peur (Kret & de Gelder, 2012; McClure, 2000), nous avons étudié leurs influences respectives sur les réponses électrodermales et subjectives de peur durant le conditionnement et l’extinction de la peur chez 117 jeunes. Nous avons démontré que les stimuli féminins suscitent des réponses davantage comparables entre les garçons et les filles que les stimuli masculins. De plus, nous avons observé un effet du « même sexe », caractérisé par un conditionnement différentiel uniquement face aux stimuli du même sexe que le participant. Finalement, nous avons exploré les différences individuelles et conjointes associées aux différents niveaux de pratiques parentales coercitives et d’anxiété en termes de réponses de peur et d’activité cérébrale, durant le conditionnement et l’extinction de la peur chez 84 jeunes. Nous avons démontré que la coercition est spécifiquement associée au fonctionnement du lobe temporal médian et aux interactions entre l’amygdale et l’insula, durant le conditionnement. Durant l’extinction, les niveaux d’anxiété étaient associés à des différences spécifiques d’activation du gyrus cingulaire antérieur (GCA) dorsal. Enfin, les pratiques parentales coercitives et l’anxiété interagissent et viennent moduler la connectivité fonctionnelle amygdale - GCA rostral, l’activation d’une sous-région du GCA dorsal et les réponses subjectives de peur. Ces résultats ajoutent une pièce au casse-tête des neurosciences développementales et fournissent des pistes intéressantes pour le développement d’interventions futures.

Social buffering of fear in zebrafish

Tese de Doutoramento em Biologia Comportamental apresentada ao ISPA - Instituto Universitário