Effect of levodopa on cortico-striatal and cortico-cerebellar circuits in Parkinson's disease

La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie neurodégénérative la plus commune. Les symptômes principalement observés chez les patients atteints de la MP sont la rigidité, les tremblements, la bradykinésie et une instabilité posturale. Leur sévérité est souvent asymétrique. La cause principale de ces symptômes moteurs est la dégénérescence du circuit dopaminergique nigro-striatal qui mène à un débalancement d’activité du circuit cortico-striatal. Ce débalancement de circuits est le point essentiel de cette thèse. Dans les protocoles de recherche décrits ici, des patients atteints de la MP (avant et après une dose de levodopa) et des participants contrôles sains ont effectué des mouvements auto-initiés ou en réponse à des stimulis externes pendant que l’on mesurait leur activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Dans cette thèse, nous abordons et mettons en évidence quatre (4) points principaux. En première partie (chapitre 2), nous présentons un recensement de la littérature sur les cicruits cortico-striataux et cortico-cérébelleux dans la MP. En utilisant des méthodes de neuroimagerie, des changements d’activité cérébrale et cérébelleuse ont été observés chez les patients atteints de la MP comparés aux participants sains. Même si les augmentations d’activité du cervelet ont souvent été attribuées à des mécanismes compensatoires, nos résultats suggèrent qu’elles sont plus probablement liées aux changements pathophysiologiques de la MP et à la perturbation du circuit cortico-cérébelleux. En général, nous suggérons (1) que le circuit cortico-cérébelleux est perturbé chez les patients atteints de la MP, et que les changements d’activité du cervelet sont liés à la pathophysiologie de la MP plutôt qu’à des mécanismes compensatoires. En deuxième partie (chapitre 3), nous discutons des effets de la levodopa sur les hausses et baisses d’activité observés chez les patients atteints de la MP, ainsi que sur l’activité du putamen pendant les mouvements d’origine interne et externe. De nombreuses études en neuroimagerie ont montré une baisse d’activité (hypo-activité) préfrontale liée à la déplétion de dopamine. En revanche, l’utilisation de tâches cognitives a montré des augmentations d’activité (hyper-activité) corticale chez les patients atteints de la MP comparés aux participants sains. Nous avons suggéré précédemment que ces hypo- et hyper-activités des régions préfrontales dépendent de l’implication du striatum. Dans cette thèse nous suggérons de plus (2) que la levodopa ne rétablit pas ces hyper-activations, mais plutôt qu’elles sont liées à la perturbation du circuit méso-cortical, et aussi possiblement associées à l’administration de médication dopaminergique à long terme. Nous montrons aussi (3) que la levodopa a un effet non-spécifique à la tâche sur l’activité du circuit cortico-striatal moteur, et qu’elle n’a pas d’effet sur l’activité du circuit cortico-striatal cognitif. Nous montrons enfin (chapitre 4) que la levodopa a un effet asymétrique sur les mouvements de la main droite et gauche. À peu près 50% des patients atteints de la MP démontrent une asymétrie des symptômes moteurs, et ceci persiste à travers la durée de la maladie. Nos résultats suggèrent (4) que la levodopa pourrait avoir un plus grand effet sur les patrons d’activations des mouvements de la main la plus affectée.

Contribution des régions fronto-striatales dans les fonctions exécutives

Des études récentes ont montré que le noyau caudé interagissait avec le cortex préfrontal et qu’il pourrait être impliqué dans les fonctions exécutives. Le but de cette thèse était d’étudier la contribution du noyau caudé dans les fonctions exécutives, plus précisément dans des tâches de monitoring et de changement de règle, et d’observer comment ces régions fronto-striatales interagissent avec le réseau par défaut (RPD). Dans un premier temps, nous avons étudié le rôle du noyau caudé dans les deux types de monitoring : le monitoring d’origine interne, consistant à effectuer un suivi sur l’état de l’information en mémoire de travail afin de pouvoir faire un choix subséquent, et dans le monitoring d’origine externe où le suivi sur l’état des items est effectué par l’individu, mais la sélection est exécutée par une source externe. Il a été montré que le cortex préfrontal dorsolatéral (CPFDL) est impliqué dans les deux types de monitoring. À l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), nos résultats ont montré une augmentation significative du signal BOLD au niveau du CPFDL dans les contrastes des conditions de monitoring d’origine interne et monitoring d’origine externe par rapport à la condition contrôle. De manière plus importante, une augmentation significative de l’activité a été observée dans le noyau caudé seulement dans les soustractions impliquant le monitoring d’origine interne par rapport à la condition contrôle, et par rapport à la condition de monitoring d’origine externe. En deuxième lieu, des études ont montré une contribution spécifique des régions fronto-striatales dans l’exécution d’un changement de règle. Toutefois, l’effet d’un changement de règle sur l’activité cérébrale n’a jamais été étudié sur les essais subséquents. À l’aide de l’IRMf, le cortex préfrontal ventrolatéral (CPFVL) et le noyau caudé ont montré une augmentation significative de leur activité lors des changements de règle continus et lors des changements de règles sporadiques par rapport à la condition contrôle, et aussi lors des essais où le maintien d’une même règle devait être effectué pour une courte durée par opposition au contrôle. Cependant, aucune activité fronto-striatale n’a été observée lorsqu’une même règle devait être appliquée pour une plus longue période. De plus, une diminution significative de l’activité du noyau caudé a été observée lors de la répétition de l’exécution d’une même règle suggérant une meilleure intégration de cette dernière. Finalement, plusieurs études ont montré une déactivation du RPD lors de l’exécution de tâches. À l’aide de l’IRMf, nous avons posé l’hypothèse que le RPD serait corrélé négativement avec les régions fronto-striatales lors de l’exécution d’une tâche de changement de règle. Nos résultats montrent une augmentation significative de l’activité des régions fronto-striatales lors d’une augmentation du nombre d’essais de changement de règle consécutif, pendant que le RPD montre une déactivation continue. De façon intéressante, pendant que les régions fronto-striatales montrent une diminution de leur activité lors de l’exécution d’une même règle pour une longue période, le RPD augmente son activité de façon significative. On conclut donc que le noyau caudé joue un rôle important dans la planification d’une nouvelle action lorsque plusieurs possibilités doivent être considérées en mémoire de travail, et ce en même temps. Finalement, le RPD montre une corrélation négative avec les régions fronto-striatales suggérant sa participation dans l’intégration d’une tâche devenant de plus en plus familière.

L’effet du stress sur la douleur aiguë et chronique

Objectif : Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre l’effet du stress sur la douleur aiguë et chronique. Devis expérimental : 16 patients souffrant de douleur chronique lombalgique et 18 sujets contrôles ont participé à une étude d’imagerie par résonance magnétique (IRM) et ont collecté des échantillons de salive afin de quantifier les niveaux d’hormone de stress (i.e. cortisol) la journée de l’étude (réponse réactive) et durant les sept jours consécutifs suivants (réponse basale). Étude 1 : Une première étude a examiné le lien entre les niveaux de cortisol basal, le volume de l’hippocampe et l’activité cérébrale évoquée par la douleur thermique chez des patients souffrant de douleur chronique et les sujets contrôles. Les résultats révèlent que les patients souffrant de douleur chronique avaient des niveaux de cortisol plus élevés que ceux des sujets contrôles. Chez ces patients, un niveau élevé de cortisol était associé à un plus petit volume de l'hippocampe et à davantage d’activation dans le gyrus parahippocampique antérieure (une région impliquée dans l'anxiété anticipatoire et l'apprentissage associatif). De plus, une analyse de médiation a montré que le niveau de cortisol basal et la force de la réponse parahippocampique explique statistiquement l’association négative entre le volume de l'hippocampe et l'intensité de la douleur chronique. Ces résultats suggèrent que l’activité endocrinienne plus élevée chez les patients ayant un plus petit hippocampe modifie le fonctionnement du complexe hippocampique et contribue à l’intensité de la douleur chronique. Étude 2 : La deuxième étude a évalué la contribution de la réponse de stress réactif aux différences interindividuelles dans la perception de la douleur aiguë chez des patients souffrant de douleur chronique et chez des sujets normaux. Les deux groupes ont montré des augmentations significatives du niveau de cortisol en réponse à des stimulations nocives administrées dans un contexte d’IRM suggérant ainsi que la réactivité de l’axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien est préservée chez les patients lombalgiques. De plus, les individus présentant une réponse hormonale de stress plus forte ont rapporté moins de douleur et ont montré une réduction de l'activation cérébrale dans le noyau accumbens, dans le cortex cingulaire antérieur (CCA), le cortex somatosensoriel primaire, et l'insula postérieure. Des analyses de médiation ont indiqué que la douleur liée à l'activité du CCA explique statistiquement la relation entre la réponse de stress et le désagrément de la douleur rapportée par les participants. Enfin, des analyses complémentaires ont révélé que le stress réduit la connectivité fonctionnelle entre le CCA et le tronc cérébral pendant la douleur aiguë. Ces résultats indiquent que le stress réactif module la douleur et contribue à la variabilité interindividuelle de l'activité cérébrale et la réponse affective à la douleur. Discussion : Conjointement, ces études suggèrent dans un premier temps que la douleur chronique peut être exacerbée par une réponse physiologique inadéquate de l'organisme exposé à un stress récurrent, et en un second temps, que le CCA contribuerait à l'analgésie induite par le stress. Sur le plan conceptuel, ces études renforcent le point de vue prédominant suggérant que la douleur chronique induit des changements dans les systèmes cérébraux régissant les fonctions motivationnelles et affective de la douleur.

Caractérisation du substrat neurologique impliqué dans le traitement de stimuli visuels dynamiques émotionnels : étude d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle

Malgré l’engouement pour les neurosciences cognitives des émotions et les nombreuses publications des dernières décennies tentant d’élucider les bases neurobiologiques des émotions, nos connaissances sur le domaine restent embryonnaires. Plusieurs questions importantes restent toujours sans réponses incluant s’il existe ou non un système unique pour le traitement de stimuli émotionnels et s’il y a ou non des différences entre les hommes et les femmes pour le traitement de stimuli émotionnels. L’objectif de cette thèse est d’apporter certains éléments de réponses à ces questions à travers une caractérisation du substrat neurobiologique impliqué dans le traitement de stimuli émotionnels visuels et dynamiques. Ce travail a été mené via l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) cérébrale. Le premier chapitre, subdivisé en quatre sections, permet de présenter la perspective dans laquelle s’inscrit la thèse. La première section de ce chapitre sert à établir certaines balises définitionnelles liées aux émotions. La seconde section, basée sur une lecture des textes originaux, retrace les faits historiques saillants de la neurobiologie des émotions allant de Charles Darwin à Joseph Ledoux. La troisième section débute où la seconde s’arrête et continue l’histoire de la neurobiologie des émotions à travers un résumé de toutes les principales méta-analyses d’imagerie fonctionnelle cérébrale des émotions. La dernière section du chapitre permet de présenter la problématique de recherche. La recherche, à proprement parler, qui constitue le corps de la thèse est ensuite présentée sous forme de trois articles. Enfin, les résultats de cette recherche et la manière dont ils s’inscrivent dans la continuité de nos connaissances actuelles font l’objet d’une discussion générale. Le premier article (chapitre II) rapporte, chez les hommes et les femmes, les régions du cerveau qui sont plus activées lors du traitement de films érotiques que lors du traitement de films dits ‘neutres’. Un chevauchement manifeste est observé entre les hommes et les femmes. Par contre, une activation significativement plus grande est observée chez les hommes pour l’hypothalamus, une région importante pour le comportement sexuel à travers la phylogénie. De plus, chez les hommes seulement, l’activation hypothalamique est corrélée à l’excitation sexuelle subjective. Comme la recherche présentée dans le premier article se sert de conditions expérimentales relativement longues pour l’IRMf (i.e. extraits de films de 3 minutes) et que ceci peut induire une nette diminution de signal en lien avec certaines contraintes de l’IRMf, le second article (chapitre III) examine les corrélats du traitement de stimuli sexuels en utilisant, cette fois, un paradigme d’IRMf classique où plusieurs extraits de films de 33 secondes sont présentés à la place. Cette étude démontre que, pour le traitement de stimuli sexuels, ce paradigme classique d’IRMf est beaucoup plus sensible que celui du premier article. De plus, comme ce paradigme mène à une reproduction des résultats du premier papier, ce travail soutient la perspective selon laquelle les paradigmes à époques courtes sont une alternative valide aux longues époques comme méthode d’étude du traitement de stimuli émotionnels. Le troisième article (chapitre IV) capitalise sur le protocole du second article et démontre que les patrons d’activation associés au visionnement de courts extraits de films induisant du dégoût, de l’amusement, ou de l’excitation sexuelle, sont très étendus. Une analyse de conjonction formelle démontre un large chevauchent de ces patrons à travers les différents affects étudiés. Enfin, le cinquième chapitre sert de discussion générale. Les questions des différences entre les hommes et les femmes dans le traitement des émotions, de l’existence ou non d’un système général pour le traitement des émotions, ainsi que de la manière dont un tel système pourrait être conçu, sont des points saillants de la discussion. Ces points sont abordés à la lumières des connaissances actuelles et des résultats des trois articles.

Corrélats neuronaux sous-jacents aux expressions émotionnelles : une comparaison entre musique, voix et visage

Cette thèse a pour objectif de comparer les expressions émotionnelles évoquées par la musique, la voix (expressions non-linguistiques) et le visage sur les plans comportemental et neuronal. Plus précisément, le but est de bénéficier de l’indéniable pouvoir émotionnel de la musique afin de raffiner notre compréhension des théories et des modèles actuels associés au traitement émotionnel. Qui plus est, il est possible que cette disposition surprenante de la musique pour évoquer des émotions soit issue de sa capacité à s’immiscer dans les circuits neuronaux dédiés à la voix, bien que les évidences à cet effet demeurent éparses pour le moment. Une telle comparaison peut potentiellement permettre d’élucider, en partie, la nature des émotions musicales. Pour ce faire, différentes études ont été réalisées et sont ici présentées dans deux articles distincts. Les études présentées dans le premier article ont comparé, sur le plan comportemental, les effets d’expressions émotionnelles sur la mémoire entre les domaines musical et vocal (non-linguistique). Les résultats ont révélé un avantage systématique en mémoire pour la peur dans les deux domaines. Aussi, une corrélation dans la performance individuelle en mémoire a été trouvée entre les expressions de peur musicales et vocales. Ces résultats sont donc cohérents avec l’hypothèse d’un traitement perceptif similaire entre la musique et la voix. Dans le deuxième article, les corrélats neuronaux associés à la perception d’expressions émotionnelles évoquées par la musique, la voix et le visage ont été directement comparés en imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf). Une augmentation significative du signal « Blood Oxygen Level Dependent » (BOLD) a été trouvée dans l’amygdale (et à l’insula postérieure) en réponse à la peur, parmi l’ensemble des domaines et des modalités à l’étude. Une corrélation dans la réponse BOLD individuelle de l’amygdale, entre le traitement musical et vocal, a aussi été mise en évidence, suggérant à nouveau des similarités entre les deux domaines. En outre, des régions spécifiques à chaque domaine ont été relevées. Notamment, le gyrus fusiforme (FG/FFA) pour les expressions du visage, le sulcus temporal supérieur (STS) pour les expressions vocales ainsi qu’une portion antérieure du gyrus temporal supérieur (STG) particulièrement sensible aux expressions musicales (peur et joie), dont la réponse s’est avérée modulée par l’intensité des stimuli. Mis ensemble, ces résultats révèlent des similarités mais aussi des différences dans le traitement d’expressions émotionnelles véhiculées par les modalités visuelle et auditive, de même que différents domaines dans la modalité auditive (musique et voix). Plus particulièrement, il appert que les expressions musicales et vocales partagent d’étroites similarités surtout en ce qui a trait au traitement de la peur. Ces données s’ajoutent aux connaissances actuelles quant au pouvoir émotionnel de la musique et contribuent à élucider les mécanismes perceptuels sous-jacents au traitement des émotions musicales. Par conséquent, ces résultats donnent aussi un appui important à l’utilisation de la musique dans l’étude des émotions qui pourra éventuellement contribuer au développement de potentielles interventions auprès de populations psychiatriques.

Les bases cognitives et cérébrales du traitement sémantique des personnes célèbres : étude chez le jeune adulte et la personne âgée saine, atteinte de TCL, ou de dépression.

Les connaissances que nous avons sur les personnes familières et célèbres représentent un des grands domaines de la mémoire sémantique. Elles ont une valeur sociale importante puisqu'elles nous permettent de reconnaître et d'identifier les personnes que nous connaissons et de les distinguer de personnes que nous ne connaissons pas. La présente thèse comporte deux volets : le premier volet porte sur l’étude des substrats cérébraux du traitement sémantique sur les personnes célèbres chez le jeune adulte, alors que le deuxième volet porte sur l’étude des connaissances sémantiques sur les personnes célèbres chez la personne âgée sans troubles cognitifs, atteinte d’un Trouble cognitif léger de type amnésique (TCLa), d’un Trouble cognitif léger de type amnésique avec symptômes dépressifs (TCLa-D) ou de dépression tardive. Plus précisément, ce dernier volet étudie la relation entre les troubles sémantiques et la présence de symptômes dépressifs. Le premier volet a donc pour objectif d’explorer en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) les substrats cérébraux sous-tendant le traitement sémantique de visages célèbres comparé au traitement perceptif (Article 1). Le rôle des régions temporales postérieures (occipito-temporales) dans le traitement perceptif des visages est aujourd’hui bien établi. Les lobes temporaux antérieurs (LTA) semblent avoir un rôle particulièrement important dans l’identification des visages familiers et connus, mais le rôle précis de cette région dans le traitement sémantique des visages connus demeure encore mal compris. Le premier article met ainsi en lumière les régions corticales impliquées dans le processus de reconnaissance de visages, soit du traitement perceptif au traitement sémantique qui nous permet d’identifier et de retrouver des informations biographiques sur le visage qui nous est présenté. Les présents résultats appuient le modèle proposé par Haxby et collègues (2000) selon lequel la région des lobes temporaux antérieurs (LTA) soit associée au traitement sémantique des visages de personnes célèbres. Quant au deuxième volet, il a pour objectif d’étudier au niveau comportemental l’intégrité des connaissances sémantiques biographiques spécifiques et générales chez des personnes âgées sans troubles cognitifs, atteinte d’un TCLa ou d’un TCLa avec symptômes dépressifs (TCLa-D) ou de dépression tardive. (Article 2). La dépression a été jugée comme étant un facteur interdépendant pouvant jouer un rôle dans la variabilité de la présentation clinique des individus TCLa. En effet, il semble que la présence de symptômes dépressifs influence le profil cognitif des individus TCLa, surtout en ce qui à trait aux fonctions exécutives et à la mémoire épisodique. Cependant, aucune étude n’a à ce jour étudié l’impact des symptômes dépressifs sur la mémoire sémantique des personnes célèbres chez les individus TCLa. Les présents résultats indiquent que les individus TCLa montrent des déficits pour le traitement sémantique des personnes célèbres, et que ces déficits sont modulés par la présence d’une symptomatologie dépressive. La dépression à elle seule ne peut toutefois engendrer des déficits sémantiques puisque le groupe ayant une dépression tardive n’a démontré aucune atteinte de la mémoire sémantique. Les implications théoriques et cliniques de ces résultats seront discutées, ainsi que les limites et perspectives futures.

Transfert et traitement de l’information visuomotrice dans le cerveau autiste : intégrité et hétérogénéité

En plus de la triade de symptômes caractérisant l’autisme, ce trouble neurodévelopmental est associé à des particularités perceptives et motrices et, au niveau cérébral, par une connectivité atypique entre les différentes régions du cerveau. Au niveau anatomique, un des résultats les plus communs est la réduction du corps calleux. Toutefois, des effets directs de cette altération anatomique sur l’intégrité et l’efficacité du transfert interhémisphérique restent à être démontrés. Pour la présente thèse, trois différentes études investiguent différents aspects du traitement de l’information visuomotrice : le transfert interhémisphérique entre les régions bilatérales motrices et visuelles, la vitesse de traitement perceptif, et les habiletés motrices visuellement guidées. Dans la première étude, le paradigme visuomoteur de Poffenberger a été utilisé pour mesurer le temps de transfert interhémisphérique (TTIH). L’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) et structurale ainsi que l’imagerie de diffusion ont aussi été utilisées pour étudier les réseaux cérébraux impliqués dans la tâche de Poffenberger. Les autistes ont été comparés à un groupe d’individus à développement typique. La deuxième étude avait pour but d’investiguer la vitesse de traitement perceptif en autisme. Dans la troisième étude, deux tâches motrices (Purdue et Annett) ont été utilisées pour examiner la nature et l’importance des déficits moteurs. La tâche de Purdue inclut deux conditions bimanuelles utilisées comme indice additionnel d’intégration interhémisphérique. Dans les études 2 et 3, le groupe d’autistes a aussi été comparé à un groupe d’individus Asperger afin de voir si, et comment, les deux sous-groupes peuvent être distingués en ce qui concerne le traitement visuel et les déficits moteurs. Aucune différence entre les groupes n’a été observée en termes de TTIH. Les résultats de l’étude IRMf révèlent des différences d’activations corticales en lien avec la tâche de Poffenberger. Dans les groupes d’autistes et de typiques, l’efficacité de la communication interhémisphérique était associée à différentes portions du corps calleux (frontales/motrices chez les typiques, postérieures/visuelles chez les autistes). De façon globale, les résultats de cette étude démontrent un patron atypique de transfert interhémisphérique de l’information visuomotrice en autisme, reflétant un rôle plus important des mécanismes visuels dans le comportement sensorimoteur possiblement en lien avec une réorganisation cérébrale. Les résultats des études comportementales 2 et 3 indiquent que les autistes excellent dans la tâche mesurant la vitesse de traitement perceptif alors que les Asperger accomplissent la tâche à des niveaux similaires à ceux des typiques. La nature des déficits moteurs diffère aussi entre les deux sous-groupes; la dextérité et la coordination bimanuelle est affectée chez les individus Asperger mais pas chez les autistes, qui eux sont plus atteints au niveau de la rapidité unimanuelle. Les sous-groupes d’autistes et de syndrome d’Asperger sont caractérisés par des profils cognitifs différents dont les particularités perceptives et motrices font partie intégrante.

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

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

L'épilepsie bénigne à pointes centrotemporales : investigation cognitive et études en imagerie fonctionnelle et structurelle.

L’épilepsie bénigne à pointes centrotemporales (EPCT) est la forme la plus fréquente des épilepsies idiopathiques chez l’enfant (Fastenau et al., 2009). Le pronostic de ces patients est bon, notamment en raison de la rémission spontanée de cette épilepsie à l’adolescence; toutefois plusieurs études suggèrent la présence de troubles cognitifs et de spécificités neuroanatomiques. Il n’existe pas actuellement de consensus sur les liens entre leurs troubles cognitifs et leurs particularités neuroanatomiques et neurofonctionnelles. Dans cette thèse, notre but est de préciser le profil des enfants ayant une épilepsie bénigne à pointes centro-temporales, en investiguant les caractéristiques des patients à plusieurs niveaux: cognitif, fonctionnel, structurel. La thèse est composée de quatre articles, dont deux articles empiriques. Notre premier article a pour objectif de recenser les difficultés cognitives et affectives rapportées par les études s’intéressant aux caractéristiques des enfants ayant une épilepsie bénigne. Bien qu’une certaine variabilité soit retrouvée dans la littérature, cette revue démontre qu’une histoire d’épilepsie, même bénigne, peut être un facteur de risque pour le développement cognitif et socio-affectif des enfants. Notre revue de littérature a indiqué des troubles particuliers du langage chez ces enfants, mais aucune étude n’avait auparavant investigué spécifiquement la compréhension de lecture chez les enfants ayant une EPCT, une compétence essentielle dans le cheminement scolaire des enfants. Ainsi, nous avons développé une tâche novatrice de compréhension de lecture de phrases en imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf), adaptée à la population pédiatrique. Dans notre second article, nous avons validé cette tâche auprès d’enfants sains et nous avons mis en évidence une mobilisation des régions cérébrales généralement engagées dans des tâches langagières chez l’enfant sain, y compris les régions impliquées dans le traitement sémantique (Berl et al., 2010; Blumenfeld, Booth et Burman, 2006). Le troisième article de cette thèse rapporte notre investigation du réseau cérébral activé durant cette nouvelle tâche de compréhension de lecture de phrases en IRMf chez les enfants ayant une EPCT. Nos résultats suggèrent que ces derniers ont recours à l’activation d’un réseau cérébral plus large, présentant des similarités avec celui retrouvé chez les enfants dyslexiques. Par ailleurs, l’activation du striatum gauche, structure généralement associée à la réalisation de processus cognitifs complexes est uniquement retrouvée chez les enfants épileptiques. Étant donné que les enfants ayant une EPCT obtiennent des performances à la tâche d’IRMf équivalentes à celles des enfants sains, il est possible d’émettre l’hypothèse que ces différences d’activations cérébrales soient adaptatives. L’étude des relations entre les résultats neuropsychologiques, la performance à la tâche et les activations cérébrales a mis en évidence des prédicteurs différents entre les deux groupes d’enfants, suggérant qu’ils ne s’appuient pas exactement sur les mêmes processus cognitifs pour réussir la tâche. De plus, nous avons réalisé un travail d’intégration des diverses méthodologies utilisées dans les études en imagerie pondérée en diffusion chez l’enfant épileptique, ce qui constitue le quatrième article de cette thèse. Nous rapportons les diverses applications de cette méthode dans la caractérisation des anomalies structurelles subtiles de la matière blanche chez les enfants épileptiques en général. Les différentes méthodologies employées, les enjeux, et les biais potentiels relatifs aux traitements des données de diffusion y sont discutés. Enfin, pour mieux comprendre l’origine et les marqueurs de cette épilepsie, nous avons étudié les spécificités structurelles des cerveaux des enfants ayant une EPCT à l’aide d’analyses sur les données d’imagerie par résonnance magnétique. Aucune différence n’a été mise en évidence au niveau de la matière grise entre les cerveaux d’enfants sains et ceux ayant une EPCT. À l’inverse, nous rapportons des différences subtiles au niveau de la matière blanche dans notre population d’enfants épileptiques, avec une diminution de l’anisotropie fractionnelle (FA) au niveau temporal inférieur/moyen de l’hémisphère gauche, ainsi que dans l’hémisphère droit dans les régions frontales moyennes et occipitales inférieures. Ces résultats suggèrent la présence d’altérations de la matière blanche subtiles et diffuses dans le cerveau des enfants ayant une EPCT et concordent avec ceux d’autres études récentes (Ciumas et al., 2014).

Variations in the human cannabinoid receptor (CNR1) gene modulate striatal responses to happy faces.

Happy facial expressions are innate social rewards and evoke a response in the striatum, a region known for its role in reward processing in rats, primates and humans. The cannabinoid receptor 1 (CNR1) is the best-characterized molecule of the endocannabinoid system, involved in processing rewards. We hypothesized that genetic variation in human CNR1 gene would predict differences in the striatal response to happy faces. In a 3T functional magnetic resonance imaging (fMRI) scanning study on 19 Caucasian volunteers, we report that four single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the CNR1 locus modulate differential striatal response to happy but not to disgust faces. This suggests a role for the variations of the CNR1 gene in underlying social reward responsivity. Future studies should aim to replicate this finding with a balanced design in a larger sample, but these preliminary results suggest neural responsivity to emotional and socially rewarding stimuli varies as a function of CNR1 genotype. This has implications for medical conditions involving hypo-responsivity to emotional and social stimuli, such as autism.

A shift to randomness of brain oscillations in people with autism

BACKGROUND: Resting-state functional magnetic resonance imaging (fMRI) enables investigation of the intrinsic functional organization of the brain. Fractal parameters such as the Hurst exponent, H, describe the complexity of endogenous low-frequency fMRI time series on a continuum from random (H = .5) to ordered (H = 1). Shifts in fractal scaling of physiological time series have been associated with neurological and cardiac conditions. METHODS: Resting-state fMRI time series were recorded in 30 male adults with an autism spectrum condition (ASC) and 33 age- and IQ-matched male volunteers. The Hurst exponent was estimated in the wavelet domain and between-group differences were investigated at global and voxel level and in regions known to be involved in autism. RESULTS: Complex fractal scaling of fMRI time series was found in both groups but globally there was a significant shift to randomness in the ASC (mean H = .758, SD = .045) compared with neurotypical volunteers (mean H = .788, SD = .047). Between-group differences in H, which was always reduced in the ASC group, were seen in most regions previously reported to be involved in autism, including cortical midline structures, medial temporal structures, lateral temporal and parietal structures, insula, amygdala, basal ganglia, thalamus, and inferior frontal gyrus. Severity of autistic symptoms was negatively correlated with H in retrosplenial and right anterior insular cortex. CONCLUSIONS: Autism is associated with a small but significant shift to randomness of endogenous brain oscillations. Complexity measures may provide physiological indicators for autism as they have done for other medical conditions.

Regulation of the neural circuitry of emotion by compassion meditation: effects of meditative expertise

Recent brain imaging studies using functional magnetic resonance imaging (fMRI) have implicated insula and anterior cingulate cortices in the empathic response to another's pain. However, virtually nothing is known about the impact of the voluntary generation of compassion on this network. To investigate these questions we assessed brain activity using fMRI while novice and expert meditation practitioners generated a loving-kindness-compassion meditation state. To probe affective reactivity, we presented emotional and neutral sounds during the meditation and comparison periods. Our main hypothesis was that the concern for others cultivated during this form of meditation enhances affective processing, in particular in response to sounds of distress, and that this response to emotional sounds is modulated by the degree of meditation training. The presentation of the emotional sounds was associated with increased pupil diameter and activation of limbic regions (insula and cingulate cortices) during meditation (versus rest). During meditation, activation in insula was greater during presentation of negative sounds than positive or neutral sounds in expert than it was in novice meditators. The strength of activation in insula was also associated with self-reported intensity of the meditation for both groups. These results support the role of the limbic circuitry in emotion sharing. The comparison between meditation vs. rest states between experts and novices also showed increased activation in amygdala, right temporo-parietal junction (TPJ), and right posterior superior temporal sulcus (pSTS) in response to all sounds, suggesting, greater detection of the emotional sounds, and enhanced mentation in response to emotional human vocalizations for experts than novices during meditation. Together these data indicate that the mental expertise to cultivate positive emotion alters the activation of circuitries previously linked to empathy and theory of mind in response to emotional stimuli.

Perceiving time to collision activates the sensorimotor cortex

The survival of many animals hinges upon their ability to avoid collisions with other animals or objects or to precisely control the timing of collisions. Optical expansion provides a compelling impression of object approach and in principle can provide the basis for judgments of time to collision (TTC) [1]. It has been demonstrated that pigeons [2] and houseflies [3] have neural systems that can initiate rapid coordinated actions on the basis of optical expansion. In the case of humans, the linkage between judgments of TTC and coordinated action has not been established at a cortical level. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), we identified superior-parietal and motor-cortex areas that are selectively active during perceptual TTC judgments, some of which are normally involved in producing reach-to-grasp responses. These activations could not be attributed to actual movement of participants. We demonstrate that networks involved in the computational problem of extracting TTC from expansion information have close correspondence with the sensorimotor systems that would be involved in preparing a timed motor response, such as catching a ball or avoiding collision.

Dynamic modulation of human motor activity when observing actions

Previous studies have demonstrated that when we observe somebody else executing an action many areas of our own motor systems are active. It has been argued that these motor activations are evidence that we motorically simulate observed actions; this motoric simulation may support various functions such as imitation and action understanding. However, whether motoric simulation is indeed the function of motor activations during action observation is controversial, due to inconsistency in findings. Previous studies have demonstrated dynamic modulations in motor activity when we execute actions. Therefore, if we do motorically simulate observed actions, our motor systems should also be modulated dynamically, and in a corresponding fashion, during action observation. Using magnetoencephalography (MEG), we recorded the cortical activity of human participants while they observed actions performed by another person. Here, we show that activity in the human motor system is indeed modulated dynamically during action observation. The finding that activity in the motor system is modulated dynamically when observing actions can explain why studies of action observation using functional magnetic resonance imaging (fMRI) have reported conflicting results, and is consistent with the hypothesis that we motorically simulate observed actions.

Anticipatory activation in the amygdala and anterior cingulate in generalized anxiety disorder and prediction of treatment response

OBJECTIVE: The anticipation of adverse outcomes, or worry, is a cardinal symptom of generalized anxiety disorder. Prior work with healthy subjects has shown that anticipating aversive events recruits a network of brain regions, including the amygdala and anterior cingulate cortex. This study tested whether patients with generalized anxiety disorder have alterations in anticipatory amygdala function and whether anticipatory activity in the anterior cingulate cortex predicts treatment response. METHOD: Functional magnetic resonance imaging (fMRI) was employed with 14 generalized anxiety disorder patients and 12 healthy comparison subjects matched for age, sex, and education. The event-related fMRI paradigm was composed of one warning cue that preceded aversive pictures and a second cue that preceded neutral pictures. Following the fMRI session, patients received 8 weeks of treatment with extended-release venlafaxine. RESULTS: Patients with generalized anxiety disorder showed greater anticipatory activity than healthy comparison subjects in the bilateral dorsal amygdala preceding both aversive and neutral pictures. Building on prior reports of pretreatment anterior cingulate cortex activity predicting treatment response, anticipatory activity in that area was associated with clinical outcome 8 weeks later following treatment with venlafaxine. Higher levels of pretreatment anterior cingulate cortex activity in anticipation of both aversive and neutral pictures were associated with greater reductions in anxiety and worry symptoms. CONCLUSIONS: These findings of heightened and indiscriminate amygdala responses to anticipatory signals in generalized anxiety disorder and of anterior cingulate cortex associations with treatment response provide neurobiological support for the role of anticipatory processes in the pathophysiology of generalized anxiety disorder.