On-line puzzle game based assessment & training for ADHD

Attention-deficit hyperactivity disorder (ADHD) is the most prevalent and impairing neurodevelopmental disorder, with worldwide estimates of 5.29%. ADHD is clinically characterized by hyperactivity-impulsivity and inattention, with neuropsychological deficits in executive functions, attention, working memory and inhibition. These cognitive processes rely on prefrontal cortex function; cognitive training programs enhance performance of ADHD participants supporting the idea of neuronal plasticity. Here we propose the development of an on-line puzzle game based assessment and training tool in which participants must deduce the ‘winning symbol’ out of N distracters. To increase ecological validity of assessments strategically triggered Twitter/Facebook notifications will challenge the ability to ignore distracters. In the UK, significant cost for the disorder on health, social and education services, stand at £23m a year. Thus the potential impact of neuropsychological assessment and training to improve our understanding of the pathophysiology of ADHD, and hence our treatment interventions and patient outcomes, cannot be overstated.

The Neural Basis of Involuntary Episodic Memories

Involuntary episodic memories are memories that come into consciousness without preceding retrieval effort. These memories are commonplace and are relevant to multiple mental disorders. However, they are vastly understudied. We use a novel paradigm to elicit involuntary memories in the laboratory so that we can study their neural basis. In session one, an encoding session, sounds are presented with picture pairs or alone. In session two, in the scanner, sounds-picture pairs and unpaired sounds are reencoded. Immediately following, participants are split into two groups: a voluntary and an involuntary group. Both groups perform a sound localization task in which they hear the sounds and indicate the side from which they are coming. The voluntary group additionally tries to remember the pictures that were paired with the sounds. Looking at neural activity, we find a main effect of condition (paired vs. unpaired sounds) showing similar activity in both groups for voluntary and involuntary memories in regions typically associated with retrieval. There is also a main effect of group (voluntary vs. involuntary) in the dorsolateral prefrontal cortex, a region typically associated with cognitive control. Turning to connectivity similarities and differences between groups again, there is a main effect of condition showing paired > unpaired sounds are associated with a recollection network. In addition, three group differences were found: (1) increased connectivity between the pulvinar nucleus of the thalamus and the recollection network for the voluntary group, (2) a higher association between the voluntary group and a network that includes regions typically found in frontoparietal and cingulo-opercular networks, and (3) shorter path length for about half of the nodes in these networks for the voluntary group. Finally, we use the same paradigm to compare involuntary memories in people with posttraumatic stress disorder (PTSD) to trauma-controls. This study also included the addition of emotional pictures. There were two main findings. (1) A similar pattern of activity was found for paired > unpaired sounds for both groups but this activity was delayed in the PTSD group. (2) A similar pattern of activity was found for high > low emotion stimuli but it occurred early in the PTSD group compared to the control group. Our results suggest that involuntary and voluntary memories share the same neural representation but that voluntary memories are associated with additional cognitive control processes. They also suggest that disorders associated with cognitive deficits, like PTSD, can affect the processing of involuntary memories.

Decision-Making in the Primate Brain

Making decisions is fundamental to everything we do, yet it can be impaired in various disorders and conditions. While research into the neural basis of decision-making has flourished in recent years, many questions remain about how decisions are instantiated in the brain. Here we explored how primates make abstract decisions and decisions in social contexts, as well as one way to non-invasively modulate the brain circuits underlying decision-making. We used rhesus macaques as our model organism. First we probed numerical decision-making, a form of abstract decision-making. We demonstrated that monkeys are able to compare discrete ratios, choosing an array with a greater ratio of positive to negative stimuli, even when this array does not have a greater absolute number of positive stimuli. Monkeys’ performance in this task adhered to Weber’s law, indicating that monkeys—like humans—treat proportions as analog magnitudes. Next we showed that monkeys’ ordinal decisions are influenced by spatial associations; when trained to select the fourth stimulus from the bottom in a vertical array, they subsequently selected the fourth stimulus from the left—and not from the right—in a horizontal array. In other words, they begin enumerating from one side of space and not the other, mirroring the human tendency to associate numbers with space. These and other studies confirmed that monkeys’ numerical decision-making follows similar patterns to that of humans, making them a good model for investigations of the neurobiological basis of numerical decision-making.

We sought to develop a system for exploring the neuronal basis of the cognitive and behavioral effects observed following transcranial magnetic stimulation, a relatively new, non-invasive method of brain stimulation that may be used to treat clinical disorders. We completed a set of pilot studies applying offline low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation to the macaque posterior parietal cortex, which has been implicated in numerical processing, while subjects performed a numerical comparison and control color comparison task, and while electrophysiological activity was recorded from the stimulated region of cortex. We found tentative evidence in one paradigm that stimulation did selectively impair performance in the number task, causally implicating the posterior parietal cortex in numerical decisions. In another paradigm, however, we manipulated the subject’s reaching behavior but not her number or color comparison performance. We also found that stimulation produced variable changes in neuronal firing and local field potentials. Together these findings lay the groundwork for detailed investigations into how different parameters of transcranial magnetic stimulation can interact with cortical architecture to produce various cognitive and behavioral changes.

Finally, we explored how monkeys decide how to behave in competitive social interactions. In a zero-sum computer game in which two monkeys played as a shooter or a goalie during a hockey-like “penalty shot” scenario, we found that shooters developed complex movement trajectories so as to conceal their intentions from the goalies. Additionally, we found that neurons in the dorsolateral and dorsomedial prefrontal cortex played a role in generating this “deceptive” behavior. We conclude that these regions of prefrontal cortex form part of a circuit that guides decisions to make an individual less predictable to an opponent.

Counteractive effects of antenatal glucocorticoid treatment on D1 receptor modulation of spatial working memory

RATIONALE: Antenatal exposure to the glucocorticoid dexamethasone dramatically increases the number of mesencephalic dopaminergic neurons in rat offspring. However, the consequences of this expansion in midbrain dopamine (DA) neurons for behavioural processes in adulthood are poorly understood, including working memory that depends on DA transmission in the prefrontal cortex (PFC). OBJECTIVES: We therefore investigated the influence of antenatal glucocorticoid treatment (AGT) on the modulation of spatial working memory by a D1 receptor agonist and on D1 receptor binding and DA content in the PFC and striatum. METHODS: Pregnant rats received AGT on gestational days 16-19 by adding dexamethasone to their drinking water. Male offspring reared to adulthood were trained on a delayed alternation spatial working memory task and administered the partial D1 agonist SKF38393 (0.3-3 mg/kg) by systemic injection. In separate groups of control and AGT animals, D1 receptor binding and DA content were measured post-mortem in the PFC and striatum. RESULTS: SKF38393 impaired spatial working memory performance in control rats but had no effect in AGT rats. D1 binding was significantly reduced in the anterior cingulate cortex, prelimbic cortex, dorsal striatum and ventral pallidum of AGT rats compared with control animals. However, AGT had no significant effect on brain monoamine levels. CONCLUSIONS: These findings demonstrate that D1 receptors in corticostriatal circuitry down-regulate in response to AGT. This compensatory effect in D1 receptors may result from increased DA-ergic tone in AGT rats and underlie the resilience of these animals to the disruptive effects of D1 receptor activation on spatial working memory.

Sorting Test, Tower Test, and BRIEF-SR do not predict school performance of healthy adolescents in preuniversity education

Executive functions (EF) such as self-monitoring, planning, and organizing are known to develop through childhood and adolescence. They are of potential importance for learning and school performance. Earlier research into the relation between EF and school performance did not provide clear results possibly because confounding factors such as educational track, boy-girl differences, and parental education were not taken into account. The present study therefore investigated the relation between executive function tests and school performance in a highly controlled sample of 173 healthy adolescents aged 12–18. Only students in the pre-university educational track were used and the performance of boys was compared to that of girls. Results showed that there was no relation between the report marks obtained and the performance on executive function tests, notably the Sorting Test and the Tower Test of the Delis-Kaplan Executive Functions System (D-KEFS). Likewise, no relation was found between the report marks and the scores on the Behavior Rating Inventory of Executive Function—Self-Report Version (BRIEF-SR) after these were controlled for grade, sex, and level of parental education. The findings indicate that executive functioning as measured with widely used instruments such as the BRIEF-SR does not predict school performance of adolescents in preuniversity education any better than a student's grade, sex, and level of parental education.

Influence du vieillissement et de la scolarité sur la compréhension du discours : apport de l’imagerie optique

La compréhension du discours, et son évolution au cours du vieillissement, constitue un sujet d’une grande importance par sa complexité et sa place dans la préservation de la qualité de vie des aînés. Les objectifs de cette thèse étaient d’évaluer l’influence du vieillissement et du niveau de scolarité sur les capacités de compréhension du discours et sur l’activité cérébrale s’y rattachant. Pour ce faire, trois groupes (jeunes adultes ayant un niveau universitaire de scolarité, personnes âgées ayant un niveau universitaire de scolarité et personnes âgées ayant un niveau secondaire de scolarité) ont réalisé une tâche où ils devaient lire de courtes histoires, puis estimer la véracité d’une affirmation concernant cette histoire. Les capacités de compréhension correspondant aux traitements de trois niveaux du modèle de construction-intégration de Kintsch (la microstructure, la macrostructure et le modèle de situation) ont été évaluées. L’imagerie optique (NIRS) a permis d’estimer les variations d’oxyhémoglobine (HbO) et de déoxyhémoglobine (HbR) tout au long de la tâche. Les résultats ont démontré que les personnes âgées étaient aussi aptes que les plus jeunes pour rappeler la macrostructure (essentiel du texte), mais qu’ils avaient plus de difficulté à rappeler la microstructure (détails) et le modèle de situation (inférence et intégration) suite à la lecture de courts textes. Lors de la lecture, les participants plus âgés ont également montré une plus grande activité cérébrale dans le cortex préfrontal dorsolatéral gauche, ce qui pourrait être un mécanisme de compensation tel que décrit dans le modèle CRUNCH. Aucune différence significative n’a été observée lors de la comparaison des participants âgés ayant un niveau universitaire de scolarité et ceux ayant un niveau secondaire, tant au niveau des capacités de compréhension que de l’activité cérébrale s’y rattachant. Les deux groupes ont cependant des habitudes de vie stimulant la cognition, entre autres, de bonnes habitudes de lecture. Ainsi, ces habitudes semblent avoir une plus grande influence que l’éducation sur les performances en compréhension et sur l’activité cérébrale sous-jacente. Il se pourrait donc que l’éducation influence la cognition en promouvant des habitudes favorisant les activités cognitives, et que ce soit ces habitudes qui aient en bout ligne un réel impact sur le vieillissement cognitif.

Facteurs de risque de développement de troubles intériorisés : études en Imagerie par Résonance Magnétique structurelle

Plusieurs facteurs de risque de développement de troubles intériorisés, tels que les troubles d’anxiété et de l’humeur, ont été identifiés dans la littérature. Les deux plus importants facteurs de risques regroupent l’adversité vécue durant l’enfance (par exemple la maltraitance) et le risque parental (c’est-à-dire la présence d’un trouble intériorisé chez l’un ou les deux parents). Ces facteurs de risque ont été liés à des changements neuroanatomiques similaires à ceux observés en lien avec les troubles intériorisés. Ainsi, en présence de ces facteurs de risque, des anomalies anatomiques pourraient laisser présager l’apparition prochaine d’une symptomatologie de troubles intériorisés chez des individus encore asymptomatiques. Chez les quelques populations de jeunes investiguées, les participants présentaient des comorbidités et/ou étaient sous médication, ce qui rend difficile l’interprétation des atteintes cérébrales observées. Ce travail de thèse s’est intéressé aux liens entre ces deux facteurs de risque et les substrats neuroanatomiques associés à chacun d’eux, chez des adolescents asymptomatiques et n’étant sous aucune médication. Une première étude a examiné le lien entre le niveau de pratiques parentales coercitives et le niveau de symptômes d’anxiété, mesurés de manière longitudinale depuis la naissance, et les différences neuroanatomiques observées à l’adolescence (voir Chapitre 2). Une deuxième étude a examiné le lien entre le risque parental de développer des troubles d’anxiété et les différences neuroanatomiques observées à l’adolescence (voir Chapitre 3). Une troisième étude s’est intéressée au lien entre le risque parental de développer un trouble de dépression ou un trouble bipolaire et les différences neuroanatomiques observées à l’adolescence (voir Chapitre 4). Les résultats démontrent des différences de volume et/ou d’épaisseur corticale dans plusieurs structures clés impliquées dans le traitement et la régulation des émotions. C’est le cas du cortex préfrontal, de l’amygdale, de l’hippocampe et du striatum. Ces résultats suggèrent que certaines des différences neuroanatomiques observées dans les troubles intériorisés peuvent être présentes avant que le trouble ne se manifeste, et représenter des marqueurs neuronaux du risque de développer le trouble. Les implications théoriques et les limites de ces trois études sont finalement discutées dans le Chapitre 5.

Modifications neurométaboliques et microstructurales à la suite d'une commotion cérébrale chez les athlètes féminines.

L’utilisation de méthodes d’investigation cérébrale avancées a permis de mettre en évidence la présence d’altérations à court et à long terme à la suite d’une commotion cérébrale. Plus spécifiquement, des altérations affectant l’intégrité de la matière blanche et le métabolisme cellulaire ont récemment été révélées par l’utilisation de l’imagerie du tenseur de diffusion (DTI) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), respectivement. Ces atteintes cérébrales ont été observées chez des athlètes masculins quelques jours après la blessure à la tête et demeuraient détectables lorsque les athlètes étaient à nouveau évalués six mois post-commotion. En revanche, aucune étude n’a évalué les effets neurométaboliques et microstructuraux dans la phase aigüe et chronique d’une commotion cérébrale chez les athlètes féminines, malgré le fait qu’elles présentent une susceptibilité accrue de subir ce type de blessure, ainsi qu’un nombre plus élevé de symptômes post-commotionnels et un temps de réhabilitation plus long. Ainsi, les études composant le présent ouvrage visent globalement à établir le profil d’atteintes microstructurales et neurométaboliques chez des athlètes féminines par l’utilisation du DTI et de la SRM. La première étude visait à évaluer les changements neurométaboliques au sein du corps calleux chez des joueurs et joueuses de hockey au cours d’une saison universitaire. Les athlètes ayant subi une commotion cérébrale pendant la saison ont été évalués 72 heures, 2 semaines et 2 mois après la blessure à la tête en plus des évaluations pré et post-saison. Les résultats démontrent une absence de différences entre les athlètes ayant subi une commotion cérébrale et les athlètes qui n’en ont pas subie. De plus, aucune différence entre les données pré et post-saison a été observée chez les athlètes masculins alors qu’une diminution du taux de N-acetyl aspartate (NAA) n’a été mise en évidence chez les athlètes féminines, suggérant ainsi un impact des coups d’intensité sous-clinique à la tête. La deuxième étude, qui utilisait le DTI et la SRM, a révélé des atteintes chez des athlètes féminines commotionnées asymptomatiques en moyenne 18 mois post-commotion. Plus spécifiquement, la SRM a révélé une diminution du taux de myo-inositol (mI) au sein de l’hippocampe et du cortex moteur primaire (M1) alors que le DTI a mis en évidence une augmentation de la diffusivité moyenne (DM) dans plusieurs faisceaux de matière blanche. De iii plus, une approche par région d’intérêt a mis en évidence une diminution de la fraction d’anisotropie (FA) dans la partie du corps calleux projetant vers l’aire motrice primaire. Le troisième article évaluait des athlètes ayant subi une commotion cérébrale dans les jours suivant la blessure à la tête (7-10 jours) ainsi que six mois post-commotion avec la SRM. Dans la phase aigüe, des altérations neuropsychologiques combinées à un nombre significativement plus élevé de symptômes post-commotionnels et dépressifs ont été trouvés chez les athlètes féminines commotionnées, qui se résorbaient en phase chronique. En revanche, aucune différence sur le plan neurométabolique n’a été mise en évidence entre les deux groupes dans la phase aigüe. Dans la phase chronique, les athlètes commotionnées démontraient des altérations neurométaboliques au sein du cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) et M1, marquées par une augmentation du taux de glutamate/glutamine (Glx). De plus, une diminution du taux de NAA entre les deux temps de mesure était présente chez les athlètes contrôles. Finalement, le quatrième article documentait les atteintes microstructurales au sein de la voie corticospinale et du corps calleux six mois suivant une commotion cérébrale. Les analyses n’ont démontré aucune différence au sein de la voie corticospinale alors que des différences ont été relevées par segmentation du corps calleux selon les projections des fibres calleuses. En effet, les athlètes commotionnées présentaient une diminution de la DM et de la diffusivité radiale (DR) au sein de la région projetant vers le cortex préfrontal, un volume moindre des fibres de matière blanche dans la région projetant vers l’aire prémotrice et l’aire motrice supplémentaire, ainsi qu’une diminution de la diffusivité axiale (DA) dans la région projetant vers l’aire pariétale et temporale. En somme, les études incluses dans le présent ouvrage ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets métaboliques et microstructuraux des commotions cérébrales et démontrent des effets délétères persistants chez des athlètes féminines. Ces données vont de pair avec la littérature scientifique qui suggère que les commotions cérébrales n’entraînent pas seulement des symptômes temporaires.

Classifying Child Maltreatment by Brain Imaging Data

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

The ins of the striatum: Utilizing chemogenetics to define the contribution of cortical and thalamic afferents during addiction behaviors

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Restoring function after neuromuscular trauma: novel paradigms for enhancing volitional control of neural activity in untethered environments and vHAB, a gamified therapy platform

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

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

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

Influence du vieillissement et de la scolarité sur la compréhension du discours : apport de l’imagerie optique

La compréhension du discours, et son évolution au cours du vieillissement, constitue un sujet d’une grande importance par sa complexité et sa place dans la préservation de la qualité de vie des aînés. Les objectifs de cette thèse étaient d’évaluer l’influence du vieillissement et du niveau de scolarité sur les capacités de compréhension du discours et sur l’activité cérébrale s’y rattachant. Pour ce faire, trois groupes (jeunes adultes ayant un niveau universitaire de scolarité, personnes âgées ayant un niveau universitaire de scolarité et personnes âgées ayant un niveau secondaire de scolarité) ont réalisé une tâche où ils devaient lire de courtes histoires, puis estimer la véracité d’une affirmation concernant cette histoire. Les capacités de compréhension correspondant aux traitements de trois niveaux du modèle de construction-intégration de Kintsch (la microstructure, la macrostructure et le modèle de situation) ont été évaluées. L’imagerie optique (NIRS) a permis d’estimer les variations d’oxyhémoglobine (HbO) et de déoxyhémoglobine (HbR) tout au long de la tâche. Les résultats ont démontré que les personnes âgées étaient aussi aptes que les plus jeunes pour rappeler la macrostructure (essentiel du texte), mais qu’ils avaient plus de difficulté à rappeler la microstructure (détails) et le modèle de situation (inférence et intégration) suite à la lecture de courts textes. Lors de la lecture, les participants plus âgés ont également montré une plus grande activité cérébrale dans le cortex préfrontal dorsolatéral gauche, ce qui pourrait être un mécanisme de compensation tel que décrit dans le modèle CRUNCH. Aucune différence significative n’a été observée lors de la comparaison des participants âgés ayant un niveau universitaire de scolarité et ceux ayant un niveau secondaire, tant au niveau des capacités de compréhension que de l’activité cérébrale s’y rattachant. Les deux groupes ont cependant des habitudes de vie stimulant la cognition, entre autres, de bonnes habitudes de lecture. Ainsi, ces habitudes semblent avoir une plus grande influence que l’éducation sur les performances en compréhension et sur l’activité cérébrale sous-jacente. Il se pourrait donc que l’éducation influence la cognition en promouvant des habitudes favorisant les activités cognitives, et que ce soit ces habitudes qui aient en bout ligne un réel impact sur le vieillissement cognitif.

Facteurs de risque de développement de troubles intériorisés : études en Imagerie par Résonance Magnétique structurelle

Plusieurs facteurs de risque de développement de troubles intériorisés, tels que les troubles d’anxiété et de l’humeur, ont été identifiés dans la littérature. Les deux plus importants facteurs de risques regroupent l’adversité vécue durant l’enfance (par exemple la maltraitance) et le risque parental (c’est-à-dire la présence d’un trouble intériorisé chez l’un ou les deux parents). Ces facteurs de risque ont été liés à des changements neuroanatomiques similaires à ceux observés en lien avec les troubles intériorisés. Ainsi, en présence de ces facteurs de risque, des anomalies anatomiques pourraient laisser présager l’apparition prochaine d’une symptomatologie de troubles intériorisés chez des individus encore asymptomatiques. Chez les quelques populations de jeunes investiguées, les participants présentaient des comorbidités et/ou étaient sous médication, ce qui rend difficile l’interprétation des atteintes cérébrales observées. Ce travail de thèse s’est intéressé aux liens entre ces deux facteurs de risque et les substrats neuroanatomiques associés à chacun d’eux, chez des adolescents asymptomatiques et n’étant sous aucune médication. Une première étude a examiné le lien entre le niveau de pratiques parentales coercitives et le niveau de symptômes d’anxiété, mesurés de manière longitudinale depuis la naissance, et les différences neuroanatomiques observées à l’adolescence (voir Chapitre 2). Une deuxième étude a examiné le lien entre le risque parental de développer des troubles d’anxiété et les différences neuroanatomiques observées à l’adolescence (voir Chapitre 3). Une troisième étude s’est intéressée au lien entre le risque parental de développer un trouble de dépression ou un trouble bipolaire et les différences neuroanatomiques observées à l’adolescence (voir Chapitre 4). Les résultats démontrent des différences de volume et/ou d’épaisseur corticale dans plusieurs structures clés impliquées dans le traitement et la régulation des émotions. C’est le cas du cortex préfrontal, de l’amygdale, de l’hippocampe et du striatum. Ces résultats suggèrent que certaines des différences neuroanatomiques observées dans les troubles intériorisés peuvent être présentes avant que le trouble ne se manifeste, et représenter des marqueurs neuronaux du risque de développer le trouble. Les implications théoriques et les limites de ces trois études sont finalement discutées dans le Chapitre 5.