Multimodal MRI analysis of structural and functional networks in the human brain : application to two clinical studies : driving abilities under THC intoxication and early white matter changes in FXTAS

Les approches multimodales dans l'imagerie cérébrale non invasive sont de plus en plus considérées comme un outil indispensable pour la compréhension des différents aspects de la structure et de la fonction cérébrale. Grâce aux progrès des techniques d'acquisition des images de Resonance Magnetique et aux nouveaux outils pour le traitement des données, il est désormais possible de mesurer plusieurs paramètres sensibles aux différentes caractéristiques des tissues cérébraux. Ces progrès permettent, par exemple, d'étudier les substrats anatomiques qui sont à la base des processus cognitifs ou de discerner au niveau purement structurel les phénomènes dégénératifs et développementaux. Cette thèse met en évidence l'importance de l'utilisation d'une approche multimodale pour étudier les différents aspects de la dynamique cérébrale grâce à l'application de cette approche à deux études cliniques: l'évaluation structurelle et fonctionnelle des effets aigus du cannabis fumé chez des consommateurs réguliers et occasionnels, et l'évaluation de l'intégrité de la substance grise et blanche chez des jeunes porteurs de la prémutations du gène FMR1 à risque de développer le FXTAS (Fragile-X Tremor Ataxia Syndrome). Nous avons montré que chez les fumeurs occasionnels de cannabis, même à faible concentration du principal composant psychoactif (THC) dans le sang, la performance lors d'une tâche visuo-motrice est fortement diminuée, et qu'il y a des changements dans l'activité des trois réseaux cérébraux impliqués dans les processus cognitifs: le réseau de saillance, le réseau du contrôle exécutif, et le réseau actif par défaut (Default Mode). Les sujets ne sont pas en mesure de saisir les saillances dans l'environnement et de focaliser leur attention sur la tâche. L'augmentation de la réponse hémodynamique dans le cortex cingulaire antérieur suggère une augmentation de l'activité introspective. Une investigation des ef¬fets au niveau cérébral d'une exposition prolongée au cannabis, montre des changements persistants de la substance grise dans les régions associées à la mémoire et au traitement des émotions. Le niveau d'atrophie dans ces structures corrèle avec la consommation de cannabis au cours des trois mois précédant l'étude. Dans la deuxième étude, nous démontrons des altérations structurelles des décennies avant l'apparition du syndrome FXTAS chez des sujets jeunes, asymptomatiques, et porteurs de la prémutation du gène FMR1. Les modifications trouvées peuvent être liées à deux mécanismes différents. Les altérations dans le réseau moteur du cervelet et dans la fimbria de l'hippocampe, suggèrent un effet développemental de la prémutation. Elles incluent aussi une atrophie de la substance grise du lobule VI du cervelet et l'altération des propriétés tissulaires de la substance blanche des projections afférentes correspondantes aux pédoncules cérébelleux moyens. Les lésions diffuses de la substance blanche cérébrale peu¬vent être un marquer précoce du développement de la maladie, car elles sont liées à un phénomène dégénératif qui précède l'apparition des symptômes du FXTAS. - Multimodal brain imaging is becoming a leading tool for understanding different aspects of brain structure and function. Thanks to the advances in Magnetic Resonance imaging (MRI) acquisition schemes and data processing techniques, it is now possible to measure different parameters sensitive to different tissue characteristics. This allows for example to investigate anatomical substrates underlying cognitive processing, or to disentangle, at a pure structural level degeneration and developmental processes. This thesis highlights the importance of using a multimodal approach for investigating different aspects of brain dynamics by applying this approach to two clinical studies: functional and structural assessment of the acute effects of cannabis smoking in regular and occasional users, and grey and white matter assessment in young FMR1 premutation carriers at risk of developing FXTAS. We demonstrate that in occasional smokers cannabis smoking, even at low concentration of the main psychoactive component (THC) in the blood, strongly decrease subjects' performance on a visuo-motor tracking task, and globally alters the activity of the three brain networks involved in cognitive processing: the Salience, the Control Executive, and the Default Mode networks. Subjects are unable to capture saliences in the environment and to orient attention to the task; the increase in Hemodynamic Response in the Anterior Cingulate Cortex suggests an increase in self-oriented mental activity. A further investigation on long term exposure to cannabis, shows a persistent grey matter modification in brain regions associated with memory and affective processing. The degree of atrophy in these structures also correlates with the estimation of drug use in the three months prior the participation to the study. In the second study we demonstrate structural changes in young asymptomatic premutation carriers decades before the onset of FXTAS that might be related to two different mechanisms. Alteration of the cerebellar motor network and of the hippocampal fimbria/ fornix, may reflect a potential neurodevelopmental effect of the premutation. These include grey matter atrophy in lobule VI and modification of white matter tissue property in the corresponding afferent projections through the Middle Cerebellar Peduncles. Diffuse hemispheric white matter lesions that seem to appear closer to the onset of FXTAS and be related to a neurodegenerative phenomenon may mark the imminent onset of FXTAS.

Une étude clinique de l'activité de médecin de premier secours : vers une modélisation d'une profession complexe

Ce travail a pour objectif d'étudier l'évolution du métier de médecin de premier recours à la lumière du réel de son activité. Afin de pallier les lacunes de la littérature, nous proposons d'investiguer les perceptions et les pratiques rapportées de médecins de premier recours, considérant leur activité comme située dans un contexte spécifique. Un cadre théorique multiréférencé, intégrant les apports de Bischoff (2012), de la théorie de l'activité (Engeström et al., 1999), de l'ergonomie (Daniellou, 1996 ; Falzon, 2004a; Leplat, 1997) et de certains courants de la psychologie du travail (Curie et al., 1990 ; Curie, 2000b ; Malrieu, 1989) permet de tenir compte de la complexité du travail des médecins de premier recours. Une méthodologie mixte, alliant une approche qualitative par entretiens semi-structurés (n=20) à une approche quantitative par questionnaire (n=553), a été développée. Les résultats de l'analyse thématique des entretiens mettent en évidence trois thèmes majeurs : l'Evolution du métier (Thème 1), caractérisé par les changements perçus, les demandes des populations qui consultent et les paradoxes et vécus des médecins ; les Ajustements et supports (Thème 2) mis en place par les médecins pour faire face aux changements et aux difficultés de leur métier ; les Perceptions et les attentes par rapport au métier (Thème 3), mettant en avant des écarts perçus entre la formation et la réalité du métier. La partie quantitative permet de répondre aux questionnements générés à partir des résultats qualitatifs et de généraliser certains d'entre eux. Suite à l'intégration des deux volets de l'étude, nous présentons une nouvelle modélisation du métier de médecin de premier recours, soulignant son aspect dynamique et évolutif. Cette modélisation rend possible l'analyse de l'activité réelle des médecins, en tenant compte des contraintes organisationnelles, des paradoxes inhérents au métier et du vécu des médecins de premier recours. L'analyse des limites de cette étude ouvre à de nouvelles perspectives de recherche. A l'issue de ce travail, nous proposons quelques usages pragmatiques, qui pourront être utiles aux médecins de premier recours et aux médecins en formation, non seulement dans la réalisation de leur activité, mais également pour le maintien de leur équilibre et leur épanouissement au sein du métier. - This study aims to investigate the evolution of primary care physicians' work, in the light of the reality of their activity. In order to overcome the limitations of the literature, we propose to focus on primary care physicians' reported perceptions and practices, considering their activity as situated in a specific context. The theoretical framework refers to Bischoff (2012), Activity theory (Engeström et al., 1999), ergonomy (Daniellou, 1996; Falzon, 2004a; Leplat, 1997) and work psychology (Curie et al., 1990 ; Curie, 2000b ; Malrieu, 1989) and enables to take into account the complexity of primary care physicians' work. This mixed methods study proposes semi-structured interviews (n=20) and a questionnaire (n=553). Thematic analysis of interviews points out three major themes : Evolution of work (Theme 1) is characterised by perceived changes, patients' expectations and paradoxes ; Adjustments and supports (Theme 2), that help to face changes and difficulties of work ; Perceptions related to work, including differences between work reality as represented during medical education/training and actual work reality. Quantitative part of the study enables to answer questions generated from qualitative results and to generalise some of them. Integration of qualitative and quantitative results leads to a new modelling of primary care physicians ' work, that is dynamic and evolutionary. This modelling is useful to analyse the primary care physicians' activity, including organisational constraints, paradoxes of work and how primary care physicians are experiencing them. Despite its limitations, this study offers new research perspectives. To conclude, we state pragmatic recommendations that could be helpful to primary care physicians in private practice and junior doctors, in order to realise their activity, to maintain their balance and to sustain their professional fulfilment.

Emergence of oriented circuits driven by synaptic pruning associated with spike-timing-dependent plasticity (STDP)

ABSTRACT: Massive synaptic pruning following over-growth is a general feature of mammalian brain maturation. Pruning starts near time of birth and is completed by time of sexual maturation. Trigger signals able to induce synaptic pruning could be related to dynamic functions that depend on the timing of action potentials. Spike-timing-dependent synaptic plasticity (STDP) is a change in the synaptic strength based on the ordering of pre- and postsynaptic spikes. The relation between synaptic efficacy and synaptic pruning suggests that the weak synapses may be modified and removed through competitive "learning" rules. This plasticity rule might produce the strengthening of the connections among neurons that belong to cell assemblies characterized by recurrent patterns of firing. Conversely, the connections that are not recurrently activated might decrease in efficiency and eventually be eliminated. The main goal of our study is to determine whether or not, and under which conditions, such cell assemblies may emerge out of a locally connected random network of integrate-and-fire units distributed on a 2D lattice receiving background noise and content-related input organized in both temporal and spatial dimensions. The originality of our study stands on the relatively large size of the network, 10,000 units, the duration of the experiment, 10E6 time units (one time unit corresponding to the duration of a spike), and the application of an original bio-inspired STDP modification rule compatible with hardware implementation. A first batch of experiments was performed to test that the randomly generated connectivity and the STDP-driven pruning did not show any spurious bias in absence of stimulation. Among other things, a scale factor was approximated to compensate for the network size on the ac¬tivity. Networks were then stimulated with the spatiotemporal patterns. The analysis of the connections remaining at the end of the simulations, as well as the analysis of the time series resulting from the interconnected units activity, suggest that feed-forward circuits emerge from the initially randomly connected networks by pruning. RESUME: L'élagage massif des synapses après une croissance excessive est une phase normale de la ma¬turation du cerveau des mammifères. L'élagage commence peu avant la naissance et est complété avant l'âge de la maturité sexuelle. Les facteurs déclenchants capables d'induire l'élagage des synapses pourraient être liés à des processus dynamiques qui dépendent de la temporalité rela¬tive des potentiels d'actions. La plasticité synaptique à modulation temporelle relative (STDP) correspond à un changement de la force synaptique basé sur l'ordre des décharges pré- et post- synaptiques. La relation entre l'efficacité synaptique et l'élagage des synapses suggère que les synapses les plus faibles pourraient être modifiées et retirées au moyen d'une règle "d'appren¬tissage" faisant intervenir une compétition. Cette règle de plasticité pourrait produire le ren¬forcement des connexions parmi les neurones qui appartiennent à une assemblée de cellules caractérisée par des motifs de décharge récurrents. A l'inverse, les connexions qui ne sont pas activées de façon récurrente pourraient voir leur efficacité diminuée et être finalement éliminées. Le but principal de notre travail est de déterminer s'il serait possible, et dans quelles conditions, que de telles assemblées de cellules émergent d'un réseau d'unités integrate-and¬-fire connectées aléatoirement et distribuées à la surface d'une grille bidimensionnelle recevant à la fois du bruit et des entrées organisées dans les dimensions temporelle et spatiale. L'originalité de notre étude tient dans la taille relativement grande du réseau, 10'000 unités, dans la durée des simulations, 1 million d'unités de temps (une unité de temps correspondant à une milliseconde), et dans l'utilisation d'une règle STDP originale compatible avec une implémentation matérielle. Une première série d'expériences a été effectuée pour tester que la connectivité produite aléatoirement et que l'élagage dirigé par STDP ne produisaient pas de biais en absence de stimu¬lation extérieure. Entre autres choses, un facteur d'échelle a pu être approximé pour compenser l'effet de la variation de la taille du réseau sur son activité. Les réseaux ont ensuite été stimulés avec des motifs spatiotemporels. L'analyse des connexions se maintenant à la fin des simulations, ainsi que l'analyse des séries temporelles résultantes de l'activité des neurones, suggèrent que des circuits feed-forward émergent par l'élagage des réseaux initialement connectés au hasard.

Etude des Liens entre Activité Physique et Traits de la Personnalité

Le mode de vie toujours plus sédentaire des individus dans notre société pousse les professionnels de la santé à chercher de nouvelles stratégies en matière de promotion de l'activité physique. Cette étude, réalisée à l'aide de la distribution d'un questionnaire dans une population âgée entre 25 et 50 ans, vise à mesurer les liens entre l'attirance envers l'activité physique, les caractéristiques individuelles (lieu d'habitation, âge, genre, etc.) et les traits de personnalité (anxiété, névrosisme, extraversion, etc.). L'attirance envers l'activité sportive est évaluée sous forme d'attributs liés au sport, tels que « équipe », « endurance », « loisirs », « sthétisme », etc. Les résultats montrent que 1) le névrotisme et le psychoticisme ne sont positivement liés à aucun de ces attributs. Conformément à la littérature, l'extraversion, la susceptibilité à l'ennui et la recherche de sensations sont liés au plus grand nombre d'attributs; 2) l'estime de soi et les croyances sur la santé favorisant l'anxiété sont deux traits nouveaux issus de nos résultats. En effet, l'estime de soi est liée aux attributs « loisirs » et « santé », et les croyances sur la santé sont liées aux attributs « individuel », « esthétisme », « prestige » et « santé »; 3) le BMI, l'âge et le genre sont également des facteurs discriminants concernant les raisons de pratiquer une activité sportive. En conclusion, bien que des recherches complémentaires soient nécessaires, le succès de l'adhésion à une pratique régulière et à long terme dépend d'un conseil adapté à chaque individu selon ses caractéristiques individuelles et ses traits de personnalité.