Wearable neuroimaging and emotion : investigating emotional responses to architectural environments with functional near-infrared spectroscopy (fNIRS)

Supported by contemporary theories of architectural aesthetics and neuro-aesthetics this paper presents a case for the use of portable fNIRS imaging in the assessment of emotional responses to spatial environments experienced by both blind and sighted. The aim of the paper is to outline the implications of fNIRS for spatial research and practice within the field of architecture, thereby suggesting a potential taxonomy of particular formations of space and affect. Empirical neurological study of affect and spatial experience from an architectural design perspective remains in many instances unchartered. Clinical research using the portable non-invasive neuro-imaging device, functional near infrared spectroscopy (fNIRS) is proving convincing in its ability to detect emotional responses to visual, spatio-auditory and task based stimuli, providing a firm basis to potentially track cortical activity in the appraisal of architectural environments. Additionally, recent neurological studies have sought to explore the manifold sensory abilities of the visually impaired to better understand spatial perception in general. Key studies reveal that early blind participants perform as well as sighted due to higher auditory and somato-sensory spatial acuity. For instance, face vision enables the visually impaired to detect environments through skin pressure, enabling at times an instantaneous impression of the layout of an unfamiliar environment. Studies also report pleasant and unpleasant emotional responses such as ‘weightedness’ or ‘claustrophobia’ within certain interior environments, revealing a deeper perceptual sensitivity then would be expected. We conclude with justification that comparative fNIRS studies between the sighted and blind concerning spatial experience have the potential to provide greater understanding of emotional responses to architectural environments.

Emotion and architectural environments : a case for Functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) in assessing emotional responses to spatial environments

Collaboration between neuroscience and architecture is emerging as a key field of research as demonstrated in recent times by development of the Academy of Neuroscience for Architecture (ANFA) and other societies. Neurological enquiry of affect and spatial experience from a design perspective remains in many instances unchartered. Research using portable near infrared spectroscopy (fNIRs) - an emerging non-invasive neuro-imaging device, is proving convincing in its ability to detect emotional responses to visual, spatio-auditory and task based stimuli. This innovation provides a firm basis to potentially track cortical activity in the appraisal of architectural environments. Additionally, recent neurological studies have sought to explore the manifold sensory abilities of the visually impaired to better understand spatial perception in general. Key studies reveal that early blind participants perform as well as sighted due to higher auditory and somato-sensory spatial acuity. Studies also report pleasant and unpleasant emotional responses within certain interior environments revealing a deeper perceptual sensitivity than would be expected. Comparative fNIRS studies between the sighted and blind concerning spatial experience has the potential to provide greater understanding of emotional responses to architectural environments. Supported by contemporary theories of architectural aesthetics, this paper presents a case for the use of portable fNIRS imaging in the assessment of emotional responses to spatial environments experienced by both blind and sighted. The aim of the paper is to outline the implications of fNIRS upon spatial research and practice within the field of architecture and points to a potential taxonomy of particular formations of space and affect.

Examining the neural correlates of choice behavior in a gambling task using steady state topography

The present study investigated the behavioral and neuropsychological characteristics of decision-making behavior during a gambling task as well as how these characteristics may relate to the Somatic Marker Hypothesis and the Frequency of Gain model. The applicability to intertemporal choice was also discussed. Patterns of card selection during a computerized interpretation of the Iowa Gambling Task were assessed for 10 men and 10 women. Steady State Topography was employed to assess cortical processing throughout this task. Results supported the hypothesis that patterns of card selection were in line with both theories. As hypothesized, these 2 patterns of card selection were also associated with distinct patterns of cortical activity, suggesting that intertemporal choice may involve the recruitment of right dorsolateral prefrontal cortex for somatic labeling, left fusiform gyrus for object representations, and the left dorsolateral prefrontal cortex for an analysis of the associated frequency of gain or loss. It is suggested that processes contributing to intertemporal choice may include inhibition of negatively valenced options, guiding decisions away from those options, as well as computations favoring frequently rewarded options.

Dynamics of contour, object and face processing in the human visual cortex

The neural basis of visual perception can be understood only when the sequence of cortical activity underlying successful recognition is known. The early steps in this processing chain, from retina to the primary visual cortex, are highly local, and the perception of more complex shapes requires integration of the local information. In Study I of this thesis, the progression from local to global visual analysis was assessed by recording cortical magnetoencephalographic (MEG) responses to arrays of elements that either did or did not form global contours. The results demonstrated two spatially and temporally distinct stages of processing: The first, emerging 70 ms after stimulus onset around the calcarine sulcus, was sensitive to local features only, whereas the second, starting at 130 ms across the occipital and posterior parietal cortices, reflected the global configuration. To explore the links between cortical activity and visual recognition, Studies II III presented subjects with recognition tasks of varying levels of difficulty. The occipito-temporal responses from 150 ms onwards were closely linked to recognition performance, in contrast to the 100-ms mid-occipital responses. The averaged responses increased gradually as a function of recognition performance, and further analysis (Study III) showed the single response strengths to be graded as well. Study IV addressed the attention dependence of the different processing stages: Occipito-temporal responses peaking around 150 ms depended on the content of the visual field (faces vs. houses), whereas the later and more sustained activity was strongly modulated by the observers attention. Hemodynamic responses paralleled the pattern of the more sustained electrophysiological responses. Study V assessed the temporal processing capacity of the human object recognition system. Above sufficient luminance, contrast and size of the object, the processing speed was not limited by such low-level factors. Taken together, these studies demonstrate several distinct stages in the cortical activation sequence underlying the object recognition chain, reflecting the level of feature integration, difficulty of recognition, and direction of attention.

Language learning in infancy

Although immensely complex, speech is also a very efficient means of communication between humans. Understanding how we acquire the skills necessary for perceiving and producing speech remains an intriguing goal for research. However, while learning is likely to begin as soon as we start hearing speech, the tools for studying the language acquisition strategies in the earliest stages of development remain scarce. One prospective strategy is statistical learning. In order to investigate its role in language development, we designed a new research method. The method was tested in adults using magnetoencephalography (MEG) as a measure of cortical activity. Neonatal brain activity was measured with electroencephalography (EEG). Additionally, we developed a method for assessing the integration of seen and heard syllables in the developing brain as well as a method for assessing the role of visual speech when learning phoneme categories. The MEG study showed that adults learn statistical properties of speech during passive listening of syllables. The amplitude of the N400m component of the event-related magnetic fields (ERFs) reflected the location of syllables within pseudowords. The amplitude was also enhanced for syllables in a statistically unexpected position. The results suggest a role for the N400m component in statistical learning studies in adults. Using the same research design with sleeping newborn infants, the auditory event-related potentials (ERPs) measured with EEG reflected the location of syllables within pseudowords. The results were successfully replicated in another group of infants. The results show that even newborn infants have a powerful mechanism for automatic extraction of statistical characteristics from speech. We also found that 5-month-old infants integrate some auditory and visual syllables into a fused percept, whereas other syllable combinations are not fully integrated. Auditory syllables were paired with visual syllables possessing a different phonetic identity, and the ERPs for these artificial syllable combinations were compared with the ERPs for normal syllables. For congruent auditory-visual syllable combinations, the ERPs did not differ from those for normal syllables. However, for incongruent auditory-visual syllable combinations, we observed a mismatch response in the ERPs. The results show an early ability to perceive speech cross-modally. Finally, we exposed two groups of 6-month-old infants to artificially created auditory syllables located between two stereotypical English syllables in the formant space. The auditory syllables followed, equally for both groups, a unimodal statistical distribution, suggestive of a single phoneme category. The visual syllables combined with the auditory syllables, however, were different for the two groups, one group receiving visual stimuli suggestive of two separate phoneme categories, the other receiving visual stimuli suggestive of only one phoneme category. After a short exposure, we observed different learning outcomes for the two groups of infants. The results thus show that visual speech can influence learning of phoneme categories. Altogether, the results demonstrate that complex language learning skills exist from birth. They also suggest a role for the visual component of speech in the learning of phoneme categories.

Localization of sources of human evoked responses

The evoked response, a signal present in the electro-encephalogram when specific sense modalities are stimulated with brief sensory inputs, has not yet revealed as much about brain function as it apparently promised when first recorded in the late 1940's. One of the problems has been to record the responses at a large number of points on the surface of the head; thus in order to achieve greater spatial resolution than previously attained, a 50-channel recording system was designed to monitor experiments with human visually evoked responses.

Conventional voltage versus time plots of the responses were found inadequate as a means of making qualitative studies of such a large data space. This problem was solved by creating a graphical display of the responses in the form of equipotential maps of the activity at successive instants during the complete response. In order to ascertain the necessary complexity of any models of the responses, factor analytic procedures were used to show that models characterized by only five or six independent parameters could adequately represent the variability in all recording channels.

One type of equivalent source for the responses which meets these specifications is the electrostatic dipole. Two different dipole models were studied: the dipole in a homogeneous sphere and the dipole in a sphere comprised of two spherical shells (of different conductivities) concentric with and enclosing a homogeneous sphere of a third conductivity. These models were used to determine nonlinear least squares fits of dipole parameters to a given potential distribution on the surface of a spherical approximation to the head. Numerous tests of the procedures were conducted with problems having known solutions. After these theoretical studies demonstrated the applicability of the technique, the models were used to determine inverse solutions for the evoked response potentials at various times throughout the responses. It was found that reliable estimates of the location and strength of cortical activity were obtained, and that the two models differed only slightly in their inverse solutions. These techniques enabled information flow in the brain, as indicated by locations and strengths of active sites, to be followed throughout the evoked response.

Effect of an attentional strategy on movement-related potentials recorded from subjects with Huntington's disease

Huntington's disease patients perform automatic movements in a bradykinetic manner, somewhat similar to patients with Parkinson's disease. Cortical activity relating to the preparation of movement in Parkinson's disease is significantly improved when a cognitive strategy is used. It is unknown whether patients with Huntington's disease can utilise an attentional strategy, and what effect this strategy would have on the premovement cortical activity. Movement-related potentials were recorded from 12 Huntington's disease patients and controls performing externally cued finger tapping movement, allowing an examination of cortical activity related to movement performance and bradykinesia in this disease. All subjects were tested in two conditions, which differed only by the presence or absence of the cognitive strategy. The Huntington's disease group, unlike controls, did not produce a rising premovement potential in the absence of the strategy. The Huntington's disease group did produce a rising premovement potential for the strategy condition, but the early slope of the potential was significantly reduced compared with the control group's early slope. These results are similar to those found previously with Parkinson's disease patients. The strategy may have put the task, which previously might have been under deficient automatic control, under attentional control. (C) 2002 Movement Disorder Society.

Movement-related potentials in Huntington's disease: movement preparation and execution

Movement-related potentials (MRPs) reflect increasing cortical activity related to the preparation and execution of voluntary movement. Execution and preparatory components may be separated by comparing MRPs recorded from actual and imagined movement. Imagined movement initiates preparatory processes, but not motor execution activity. MRPs are maximal over the supplementary motor area (SMA), an area of the cortex involved in the planning and preparation of movement. The SMA receives input from the basal ganglia, which are affected in Huntington's disease (HD), a hyperkinetic movement disorder. In order to further elucidate the effects of the disorder upon the cortical activity relating to movement, MRPs were recorded from ten HD patients, and ten age-matched controls, whilst they performed and imagined performing a sequential button-pressing task. HD patients produced MRPs of significantly reduced size both for performed and imagined movement. The component relating to movement execution was obtained by subtracting the MRP for imagined movement from the MRP for performed movement, and was found to be normal in HD. The movement preparation component was found by subtracting the MRP found for a control condition of watching the visual cues from the MRP for imagined movement. This preparation component in HD was reduced in early slope, peak amplitude, and post-peak slope. This study therefore reported abnormal MRPs in HD. particularly in terms of the components relating to movement preparation, and this finding may further explain the movement deficits reported in the disease.

Magnetoencephalography reveals slowing of resting peak oscillatory frequency in children born very preterm

Resting cortical activity is characterized by a distinct spectral peak in the alpha frequency range. Slowing of this oscillatory peak toward the upper theta-band has been associated with a variety of neurological and neuropsychiatric conditions and has been attributed to altered thalamocortical dynamics. Children born very preterm exhibit altered development of thalamocortical systems. To test the hypothesis that peak oscillatory frequency is slowed in children born very preterm, we recorded resting magnetoencephalography (MEG) from school age children born very preterm (= 32 wk gestation) without major intellectual or neurological impairment and age-matched full-term controls. Very preterm children exhibit a slowing of peak frequency toward the theta-band over bilateral frontal cortex, together with reduced alpha-band power over bilateral frontal and temporal cortex, suggesting that mildly dysrhythmic thalamocortical interactions may contribute to altered spontaneous cortical activity in children born very preterm.

Analyse des réponses neuronales du cortex visuel primaire du chat à la fréquence spatiale suite à des adaptations répétées

Les neurones du cortex visuel primaire (aire 17) du chat adulte répondent de manière sélective à différentes propriétés d’une image comme l’orientation, le contraste ou la fréquence spatiale. Cette sélectivité se manifeste par une réponse sous forme de potentiels d’action dans les neurones visuels lors de la présentation d’une barre lumineuse de forme allongée dans les champs récepteurs de ces neurones. La fréquence spatiale (FS) se mesure en cycles par degré (cyc./deg.) et se définit par la quantité de barres lumineuses claires et sombres présentées à une distance précise des yeux. Par ailleurs, jusqu’à récemment, l’organisation corticale chez l’adulte était considérée immuable suite à la période critique post-natale. Or, lors de l'imposition d'un stimulus non préféré, nous avons observé un phénomène d'entrainement sous forme d'un déplacement de la courbe de sélectivité à la suite de l'imposition d'une FS non-préférée différente de la fréquence spatiale optimale du neurone. Une deuxième adaptation à la même FS non-préférée induit une réponse neuronale différente par rapport à la première imposition. Ce phénomène de "gain cortical" avait déjà été observé dans le cortex visuel primaire pour ce qui est de la sélectivité à l'orientation des barres lumineuses, mais non pour la fréquence spatiale. Une telle plasticité à court terme pourrait être le corrélat neuronal d'une modulation de la pondération relative du poids des afférences synaptiques.

Étude de l'EEG quantifié en éveil et en sommeil chez des adolescents présentant un trouble anxieux

Les troubles anxieux sont parmi les troubles psychiatriques les plus souvent diagnostiqués chez les adolescents. Ces troubles sont souvent accompagnés de nombreuses comorbidités, dont des difficultés de sommeil. L’objectif principal de cette thèse est de caractériser l’activité corticale à l’éveil et pendant le sommeil à l’aide de l’EEG quantifié chez une population d’adolescents présentant un trouble anxieux, et de la comparer à un groupe témoin d’adolescents. Dans un second temps, on cherche à savoir si l’activité EEG des patients anxieux corrèle avec différentes mesures cliniques. Deux études permettent de répondre à ces objectifs, une première portant sur l’activité EEG au cours de l’éveil, et une seconde portant sur l’activité EEG au cours du sommeil (SL et SP). La première étude démontre que l’activité EEG des deux groupes ne présente pas de différence à l’EEG le soir. Par contre, le matin, les patients anxieux présentent une activité significativement supérieure à celle des contrôles aux électrodes centrales (0,75-10 Hz et 13-20 Hz) ainsi qu’aux électrodes occipitales (2,5-7,75 Hz). Dans la seconde étude, nous avons analysé l’activité EEG absolue et relative en SL et en SP. Nous avons trouvé une activité absolue significativement supérieure à l’EEG de la région centrale chez les participants du groupe anxieux : en SLP (stades 3 et 4) sur l’ensemble des bandes de fréquence, en stade 2 sur les bandes de fréquence thêta, alpha et beta seulement. Finalement, en SP, les différences sont trouvées en alpha et beta, et non en thêta et delta. Les résultats obtenus à ces deux études suggèrent la présence de mécanismes de synchronisation et de filtrage inadéquats au niveau de la boucle thalamo-corticale, entraînant une hypervigilance du SNC. Quant aux corrélations entre l’activité EEG et les mesures cliniques, les résultats obtenus dans les deux études révèlent que les fréquences lentes (thêta et delta) de l’activité d’éveil le matin corrèlent à la fois avec l’anxiété de trait et d’état et les fréquences rapides (Alpha et Beta) de l’EEG du sommeil corrèlent sélectivement avec l’anxiété d’état. Il semble donc exister un lien entre les mesures cliniques et l’activité EEG. Une hausse d’activité EEG pourrait être un indicateur de la sévérité accrue des symptômes anxieux.

Bases cérébrales de la perception auditive simple et complexe dans l’autisme

La perception est décrite comme l’ensemble des processus permettant au cerveau de recueillir et de traiter l’information sensorielle. Un traitement perceptif atypique se retrouve souvent associé au phénotype autistique habituellement décrit en termes de déficits des habilités sociales et de communication ainsi que par des comportements stéréotypés et intérêts restreints. Les particularités perceptives des autistes se manifestent à différents niveaux de traitement de l’information; les autistes obtiennent des performances supérieures à celles des non autistes pour discriminer des stimuli simples, comme des sons purs, ou encore pour des tâches de plus haut niveau comme la détection de formes enchevêtrées dans une figure complexe. Spécifiquement pour le traitement perceptif de bas niveau, on rapporte une dissociation de performance en vision. En effet, les autistes obtiennent des performances supérieures pour discriminer les stimuli définis par la luminance et inférieures pour les stimuli définis par la texture en comparaison à des non autistes. Ce pattern dichotomique a mené à l’élaboration d’une hypothèse suggérant que l’étendue (ou complexité) du réseau de régions corticales impliquées dans le traitement des stimuli pourrait sous-tendre ces différences comportementales. En effet, les autistes obtiennent des performances supérieures pour traiter les stimuli visuels entièrement décodés au niveau d’une seule région corticale (simples) et inférieures pour les stimuli dont l’analyse requiert l’implication de plusieurs régions corticales (complexes). Un traitement perceptif atypique représente une caractéristique générale associée au phénotype autistique, avec de particularités rapportées tant dans la modalité visuelle qu’auditive. Étant donné les parallèles entre ces deux modalités sensorielles, cette thèse vise à vérifier si l’hypothèse proposée pour expliquer certaines particularités du traitement de l’information visuelle peut possiblement aussi caractériser le traitement de l’information auditive dans l’autisme. Le premier article (Chapitre 2) expose le niveau de performance des autistes, parfois supérieur, parfois inférieur à celui des non autistes lors du traitement de l’information auditive et suggère que la complexité du matériel auditif à traiter pourrait être en lien avec certaines des différences observées. Le deuxième article (Chapitre 3) présente une méta-analyse quantitative investiguant la représentation au niveau cortical de la complexité acoustique chez les non autistes. Ce travail confirme l’organisation fonctionnelle hiérarchique du cortex auditif et permet d’identifier, comme en vision, des stimuli auditifs pouvant être définis comme simples et complexes selon l’étendue du réseau de régions corticales requises pour les traiter. Le troisième article (Chapitre 4) vérifie l’extension des prédictions de l’hypothèse proposée en vision au traitement de l’information auditive. Spécifiquement, ce projet compare les activations cérébrales sous-tendant le traitement des sons simples et complexes chez des autistes et des non autistes. Tel qu’attendu, les autistes montrent un patron d’activité atypique en réponse aux stimuli complexes, c’est-à-dire ceux dont le traitement nécessitent l’implication de plusieurs régions corticales. En bref, l’ensemble des résultats suggèrent que les prédictions de l’hypothèse formulée en vision peuvent aussi s’appliquer en audition et possiblement expliquer certaines particularités du traitement de l’information auditive dans l’autisme. Ce travail met en lumière des différences fondamentales du traitement perceptif contribuant à une meilleure compréhension des mécanismes d’acquisition de l’information dans cette population.

Fonctionnement auditif central d’enfants ayant une surdité

La présente recherche explore les conséquences d’une perte auditive périphérique sur le traitement de l’information auditive. Des études ont montré que les enfants malentendants ont de la difficulté à effectuer des tâches d’écoute complexes. De plus, des études menées auprès d’adultes malentendants montrent que l’activité corticale associée à l’écoute de stimuli auditifs est différente de celle d’adultes entendants. Cependant, les résultats de ces études ne mettent pas en lumière la nature des difficultés de traitement de l’information auditive des enfants malentendants. Cette recherche examine donc cet aspect en ayant recours à des mesures comportementales et neurophysiologiques. Les données ont été recueillies auprès de 40 enfants âgés de 9 à 12 ans : 12 enfants ayant une surdité neurosensorielle, 12 enfants ayant trouble de traitement auditif et 16 enfants normo-entendants. Les enfants ont reproduit dans l’ordre des séquences de deux, trois et cinq stimuli verbaux ou non verbaux avec un intervalle interstimuli de 425 ms. Les enfants ont également reproduit des séquences de deux stimuli avec un intervalle interstimuli de 20 et 1000 ms. Enfin, les enfants ont été soumis à des mesures neurophysiologiques à partir de potentiels évoqués auditifs de latence longue et de négativité de discordance avec des paires de stimuli verbaux et non verbaux. Les résultats obtenus permettent d’avancer que les participants du groupe d’enfants malentendants ont un trouble spécifique de traitement auditif. En effet, les résultats de la tâche comportementale montrent que les enfants malentendants ont de la difficulté à traiter des séquences de stimuli lorsque ceux-ci sont verbaux et acoustiquement similaires. Quant aux données neurophysiologiques, les résultats ont démontré que l’amplitude de l’onde tardive N2 était réduite chez les enfants malentendants comparativement à celle de l’onde N2 des deux autres groupes d’enfants. Cette onde pourrait être considérée comme étant un marqueur neurophysiologique reflétant l’influence d’une perte auditive sur le traitement auditif central. De plus, l’amplitude de l’onde de négativité de discordance pourrait être aussi un marqueur pour distinguer les enfants malentendants de ceux ayant un trouble de traitement auditif.Mots-clés : organisation séquentielle auditive, potentiels évoqués auditifs de latence longue, négativité de discordance, enfants malentendants d’âge scolaire

Réponse auditive oscillatoire chez le non-voyant : investigation par magnétoencéphalographie

Les personnes non-voyantes montrent dans les différents aspects de leurs vies qu’elles sont capables de s’adapter à la privation visuelle en utilisant les capacités intactes comme l’ouï ou le toucher. Elles montrent qu’elles peuvent bien évoluer dans leur environnement en absence de vision et démontrent même des fois des habiletés supérieures à celles des personnes voyantes. La recherche de ces dernières décennies s’est beaucoup intéressée aux capacités adaptatives des non-voyants surtout avec l’avènement des nouvelles techniques d’imagerie qui ont permis d’investiguer des domaines qui ne l’étaient pas ou l’étaient difficilement avant. Les capacités supérieures des non voyants dans l’utilisation plus efficace des informations auditives et tactiles semblent avoir leur base neuronale dans le dans le cortex visuel désafférenté, qui continu à être fonctionnel après la privation sensorielle et s’en trouve recruté pour le traitement de stimulations dites intermodales : auditives, tactiles et même montre une implication dans des processus de plus haut niveau, comme la mémoire ou le langage. Cette implication fonctionnelle intermodale résulte de la plasticité du cortex visuel c'est-à-dire sa capacité à changer sa structure, sa fonction et d’adapter ses interactions avec les autres systèmes en l’absence de vision. La plasticité corticale n’est pas exclusive au cortex visuel mais est un état permanent de tout le cerveau. Pour mesurer l’activité du cortex visuel des non voyants, une mesure d’excitabilité de ses neurones consiste à mesurer le temps de recouvrement de l’onde N1 en potentiels évoqués, qui est plus rapide chez les non voyants dans la modalité auditive. En effet, les réponses en potentiels et champs évoqués ont été utilisés en EEG/MEG pour mettre en évidence des changements plastiques dans le cortex visuel des non-voyants pour le traitement de stimuli dans les modalités auditives et tactiles. Ces réponses étaient localisées dans les régions postérieures chez les non voyants contrairement aux contrôles voyants. Un autre type de réponse auditive a reçu moins d’intérêt dans la recherche concernant la réorganisation fonctionnelle en relation avec la privation sensorielle, il s’agit de la réponse auditive oscillatoire (Auditory Steady-State Response ASSR). C’est une réponse qui a l’avantage d’osciller au rythme de stimulation et d’être caractérisé par une réponse des aires auditives étiquetée à la fréquence de stimulation. Cette étiquette se présente sous la forme qu’un pic d’énergie spectrale important qui culmine aux fréquences présentes dans la stimulation. Elle a également l’avantage d’être localisée dans les régions auditives primaires, de là tout changement de localisation de cette réponse chez des non voyants en faveur des régions visuelles pourrait être considéré comme une évidence de la réorganisation fonctionnelle qui s’opère après une privation sensorielle précoce. Le but de cette thèse est donc d’utiliser la réponse oscillatoire à l’écoute des sons modulés en amplitude (MA) pour mettre en évidence les corrélats de la réorganisation fonctionnelle dans le cortex visuel des non-voyants précoces. La modulation de la réponse auditive dans les régions visuelles nous permettra de montrer qu’une réorganisation est possible chez les non-voyants pour ce traitement intermodal. La première étude est une validation du paradigme expérimental «frequency tagged sounds». Il s’agit de montrer qu’une tâche de détection de changement dans la stimulation, permet de moduler la réponse ASSR aux sons modulés en amplitude en vue de l’utiliser dans les études chez les non voyants et dans les conditions d’une privation visuelle transitoire (avec les yeux bandés). Un groupe de sujets voyants ont réalisé une tâche de détection de changement dans la stimulation les yeux ouverts dans deux conditions : écoute active qui consiste à détecter un changement dans la fréquence porteuse de la modulation en appuyant avec l’index droit sur un bouton de réponse et une condition d’écoute passive. Les sons étaient présentés en écoute monaurale et dichotique. Les résultats ont montré une différence significative à l’occurrence du changement dans la stimulation en écoute dichotique seulement. Les schémas de plus grande réponse controlatérale et de suppression binaurale décrit dans la littérature ont été confirmés. La deuxième étude avait pour but de mettre en évidence une réorganisation rapide de la réponse ASSR chez un groupe de sujets voyants dans les conditions de privation visuelle transitoire de courte durée, par bandage des yeux pendant six heures. Le même protocole expérimental que la première étude a été utilisé en écoute active seulement. Les résultats montrent que dans ces conditions une modulation de la réponse corticale en écoute dichotique dans les régions visuelles est possible. Ces sources d’activité occipitale adoptent une propriété du cortex auditif qui est le battement binaural, c'est-à-dire l’oscillation de la réponse ASSR à la différence des fréquences présentées dans chaque oreille. Cet effet est présent chez la moitié des sujets testés. La représentation corticale des sources occipitales évolue durant la période de privation et montre un déplacement des sources d’activité dans la direction antéropostérieure à la fin de la période de privation. La troisième étude a permis de comparer le traitement de la réponse ASSR dans un groupe de non-voyants congénitaux à un groupe de voyants contrôles, pour investiguer les corrélats de la réorganisation fonctionnelle de cette réponse après une privation sensorielle de longue durée c'est-à-dire chez des non voyants congénitaux. Les résultats montrent des différences significatives dans la représentation spectrale de la réponse entre les deux groupes avec néanmoins des activations temporales importantes aussi bien chez les non voyants que chez les contrôles voyants. Des sources distribuées ont été localisées dans les régions associatives auditives dans les deux groupes à la différence des non voyants où il y avait en plus l’implication des régions temporales inférieures, connues comme étant activées par la vision des objets chez les voyants et font partie de la voie visuelle du quoi. Les résultats présentés dans le cadre de cette thèse vont dans le sens d’une réorganisation rapide de la réponse auditive oscillatoire après une privation visuelle transitoire de courte durée par l’implication des régions visuelles dans le traitement de la réponse ASSR par l’intermédiaire du démasquage de connections existantes entre le cortex visuel et le cortex auditif. La privation visuelle de longue durée, elle conduit à des changements plastiques, d’une part intra modaux par l’extension de l’activité aux régions temporales supérieures et médianes. D’autre part, elle induit des changements inter modaux par l’implication fonctionnelle des régions temporales inférieures visuelles dans le traitement des sons modulés en amplitude comme objets auditifs alors qu’elles sont normalement dédiées au traitement des objets visuels. Cette réorganisation passe probablement par les connections cortico-corticales.

Effet de la transmission cholinergique sur la cartographie fonctionnelle du cortex visuel du rongeur

La transmission cholinergique, et notamment muscarinique, joue un rôle déterminant dans le système nerveux central au niveau de la modulation de la plasticité neuronale. La libération d'ACh dans le cortex visuel est concomitante à la présentation de stimuli visuels. Par son action sur la transmission neuronale corticale, l'ACh module à long terme les réponses à de nouveaux stimuli sensoriels. Dans la présente étude, l'implication du système cholinergique au niveau du développement cortical et de la plasticité inductible chez l'adulte a été étudiée par les techniques d'imagerie optique des signaux intrinsèques et d'immunohistochimie chez le rongeur. Ces deux techniques de cartographie de l'activité corticale nous ont permis d'évaluer, d'une part, l'impact modulatoire de l'acétylcholine (ACh) et de ses récepteurs muscariniques (mAChRs, M1 à M5) sur l'organisation fonctionnelle du cortex visuel chez des souris déficitaires pour les mAChRs et, d'autre part, l'impact de la libération d'ACh lors d'un entraînement visuel, sur le nombre, la nature neurochimique et la localisation au niveau des couches corticales des neurones corticaux activés. L'implication du système cholinergique sur la cartographie du cortex visuel primaire a été étudiée sur les souris génétiquement modifiées délétères (knock out : KO) pour différentes combinaisons de sous-types de mAChRs. L'imagerie des signaux intrinsèques, basée sur les changements de réflectance corticale de la lumière survenant lors de la consommation d'oxygène par les neurones activés, a permis de déterminer, lors de stimulations visuelles, les différentes composantes des propriétés des neurones du cortex visuel. La taille des champs récepteurs des neurones est diminuée lors de l'absence du récepteur M1 ou de la combinaison M1/M3. Le champ visuel apparent est augmenté chez les souris M2/M4-KO mais diminué chez les M1-KO. La finesse des connectivités neuronales (évaluée par la mesure du scatter du signal) est réduite lors de l'absence des récepteurs M2/M4. Finalement, chez les animaux M1/M3-KO, une diminution de l'acuité visuelle est observée. L'effet à long-terme d'un entraînement visuel couplé à une stimulation des neurones cholinergiques sur la distribution et la nature des neurones immunoréactifs au c-Fos, c'est-à-dire les neurones activés, a été évalué. Puisque cette stimulation combinée est en mesure de produire des modifications comportementales, notamment au niveau de l'acuité visuelle, il devenait intéressant de s'attarder aux modifications neuroanatomiques et de déterminer quels éléments de l'équilibre excitateur/inhibiteur sont compromis chez ces animaux. Les résultats obtenus démontrent que les animaux ayant reçu une combinaison de l'entraînement cholinergique et visuel présentent une augmentation du marquage c-Fos comparativement aux animaux n'ayant reçu que la stimulation cholinergique. D'autre part, chez ces animaux, il est possible d'observer des modifications de l'équilibre excitateur/inhibiteur qui correspond au potentiel plastique de la région. En conclusion, ces études démontrent un rôle important du système cholinergique dans le développement, la maturation et la plasticité du système visuel cérébral.