Relations entre la mobilité, la condition physique et les fonctions cognitives dans une perspective de vieillissement sain

Thèse effectuée en cotutelle (Université de Poitiers, France)

Performance perceptive dans l’autisme : du facteur «g» au facteur «p»

La perception est de plus en plus reconnue comme fondamentale à la compréhension du phénotype autistique. La première description de l’autisme, par Kanner en 1947, fait état d’un profil cognitif hétérogène caractérisé par des habiletés exceptionnelles à l’intérieur de domaines spécifiques de la perception (ex., la musique). L’accumulation des observations cliniques sur la présence de particularités perceptives a mené à l’élaboration d’études empiriques permettant d’objectiver des surfonctionnements dans le traitement élémentaire de l’information perceptive dans l’autisme. Parallèlement, des études cognitives suggèrent la présence d’une « intelligence différente » chez les personnes autistes. Celle-ci serait caractérisée par une dissociation entre des performances à différents tests d’intelligence fortement corrélés ensemble chez les personnes typiques. Le potentiel intellectuel des personnes autistes serait sous-estimé lorsque mesuré par l’échelle de Wechsler, plutôt que des mesures d’intelligence fluide comme les Matrices Progressives de Raven. Avec l’appui d’études en imagerie cérébrale, ces résultats suggèrent une relation unique entre la perception et l’intelligence chez cette population clinique. Étant donné l’accumulation de preuves sur 1) la présence d’atypies perceptuelles, 2) le rôle différent de la perception dans l’intelligence et 3) l’importance des comportements répétitifs et intérêts restreints dans le phénotype autistique (DSM-5), le premier volet de cette thèse s’est intéressé à la relation entre les performances perceptives des personnes autistes et celle des personnes ayant un développement typique, au-delà de ce qui est expliqué par l’intelligence. À l’aide de modèles de régression linéaire, les résultats démontrent un profil de covariation spécifique à l’autisme pour les habiletés plurimodales. Contrairement aux personnes ayant un développement typique, ces associations persistent au-delà de ce qui est expliqué par l’intelligence générale ou par l’efficacité générale des systèmes perceptifs. Ce profil de covariation résiduelle propre aux personnes autistes suggère la présence d’un facteur plurimodal spécifique à ce groupe clinique : le facteur « p ». Le deuxième volet de cette thèse s’est intéressé à la prévalence des habiletés exceptionnelles au niveau individuel, la relation les forces perceptives et les talents, ainsi qu’aux facteurs de prédisposition en lien avec le développement d’habiletés exceptionnelles. Les forces perceptives des personnes autistes furent évaluées à l’aide de tâches expérimentales sensibles à la détection de surfonctionnements perceptifs, soit une tâche de discrimination de hauteurs sonores et une version modifiée du sous-test « Blocs » de l’échelle d’intelligence de Wechsler. Les talents furent évalués de manière clinique à l’aide de l’ADI-R (« Autism Diagnostic Interview-Revised »). Les données indiquent que 88.4 % des personnes autistes avec une intelligence dans la normale présentent au moins une habileté exceptionnelle (force perceptive ou talent). Les talents sont rapportés chez 62.5 % des cas et les forces perceptives se retrouvent chez 58 % des cas. La cooccurrence des forces perceptives entre les modalités perceptives est relativement peu fréquente (24 % à 27 %) et la présence d’un talent dans une modalité n’augmente pas les chances de présenter une force perceptive dans une même modalité. Une plus grande intelligence augmente les chances de présenter au moins un talent. En revanche, une intelligence plus faible, mais se situant tout de même dans les limites de la normale, est associée à un profil cognitif plus hétérogène avec des forces perceptives plus fréquentes. En somme, l’intelligence autistique serait caractérisée par un rôle plus important de la perception, indépendamment des surfonctionnements perceptifs. Cette particularité cognitive se manifesterait par la présence d’un facteur plurimodal, « p », spécifique à l’autisme. Théoriquement, le facteur « p » reflèterait des modifications innées (ou « hardwired ») dans l’organisation corticale des microcircuits responsables de l'encodage des dimensions perceptives élémentaires. En revanche, une faible association intermodale entre les forces perceptives suggère que des modifications corticales sont essentielles, mais non suffisantes pour le développement d’habiletés exceptionnelles. Par des processus de plasticité, des modifications corticales auraient des répercussions sur le phénotype autistique en offrant une base plus « fertile » pour le développement d’habiletés exceptionnelles, voire savantes, lorsque la personne autiste serait exposée à des expériences de vie avantageuses. Par ailleurs, les résultats de cette thèse, combinés à la littérature existante sur l’intelligence et l’apprentissage des personnes autistes, nous amènent à réfléchir sur les approches d’évaluation et d’intervention les mieux adaptées au fonctionnement spécifique de cette population clinique.

Contributions des voies vestibulospinale et corticospinale au contrôle des mouvements du bras

Le contrôle des mouvements du bras fait intervenir plusieurs voies provenant du cerveau. Cette thèse, composée principalement de deux études, tente d’éclaircir les contributions des voies tirant leur origine du système vestibulaire et du cortex moteur. Dans la première étude (Raptis et al 2007), impliquant des mouvements d’atteinte, nous avons cerné l’importance des voies descendantes partant du système vestibulaire pour l’équivalence motrice, i.e. la capacité du système moteur à atteindre un but moteur donné lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. L’hypothèse émise était que le système vestibulaire joue un rôle essentiel dans l’équivalence motrice. Nous avons comparé la capacité d’équivalence motrice de sujets sains et de patients vestibulodéficients chroniques lors de mouvements nécessitant un contrôle des positions du bras et du tronc. Pendant que leur vision était temporairement bloquée, les sujets devaient soit maintenir une position de l’index pendant une flexion du tronc, soit atteindre une cible dans l’espace péri-personnel en combinant le mouvement du bras avec une flexion du tronc. Lors d’essais déterminés aléatoirement et imprévus par les participants, leur tronc était retenu par un mécanisme électromagnétique s’activant en même temps que le signal de départ. Les sujets sains ont pu préserver la position ou la trajectoire de l’index dans les deux conditions du tronc (libre, bloqué) en adaptant avec une courte latence (60-180 ms) les mouvements articulaires au niveau du coude et de l’épaule. En comparaison, six des sept patients vestibulodéficients chroniques ont présenté des déficits au plan des adaptations angulaires compensatoires. Pour ces patients, entre 30 % et 100 % du mouvement du tronc n’a pas été compensé et a été transmis à la position ou trajectoire de l’index. Ces résultats indiqueraient que les influences vestibulaires évoquées par le mouvement de la tête pendant la flexion du tronc jouent un rôle majeur pour garantir l’équivalence motrice dans ces tâches d’atteinte lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. Également, ils démontrent que la plasticité de long terme survenant spontanément après une lésion vestibulaire unilatérale complète ne serait pas suffisante pour permettre au SNC de retrouver un niveau d’équivalence motrice normal dans les actions combinant un déplacement du bras et du tronc. Ces tâches de coordination bras-tronc constituent ainsi une approche inédite et sensible pour l’évaluation clinique des déficits vestibulaires. Elles permettent de sonder une dimension fonctionnelle des influences vestibulaires qui n’était pas prise en compte dans les tests cliniques usuels, dont la sensibilité relativement limitée empêche souvent la détection d’insuffisances vestibulaires six mois après une lésion de ces voies. Avec cette première étude, nous avons donc exploré comment le cerveau et les voies descendantes intègrent des degrés de liberté articulaires supplémentaires dans le contrôle du bras. Dans la seconde étude (Raptis et al 2010), notre but était de clarifier la nature des variables spécifiées par les voies descendantes pour le contrôle d’actions motrices réalisées avec ce membre. Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle les voies corticospinales contrôlent la position et les mouvements des bras en modulant la position-seuil (position de référence à partir de laquelle les muscles commencent à être activés en réponse à une déviation de cette référence). Selon ce principe, les voies corticospinales ne spécifieraient pas directement les patrons d’activité EMG, ce qui se refléterait par une dissociation entre l’EMG et l’excitabilité corticospinale pour des positions-seuils différentes. Dans un manipulandum, des participants (n=16) ont modifié leur angle du poignet, d’une position de flexion (45°) à une position d’extension (-25°), et vice-versa. Les forces élastiques passives des muscles ont été compensées avec un moteur couple afin que les sujets puissent égaliser leur activité EMG de base dans les deux positions. L’excitabilité motoneuronale dans ces positions a été comparée à travers l’analyse des réponses EMG évoquées à la suite d’étirements brefs. Dans les deux positions, le niveau d’EMG et l’excitabilité motoneuronale étaient semblables. De plus, ces tests ont permis de montrer que le repositionnement du poignet était associé à une translation de la position-seuil. Par contre, malgré la similitude de l’excitabilité motoneuronale dans ces positions, l’excitabilité corticospinale des muscles du poignet était significativement différente : les impulsions de stimulation magnétique transcrânienne (TMS; à 1.2 MT, sur l’aire du poignet de M1) ont provoqué des potentiels moteurs évoqués (MEP) de plus grande amplitude en flexion pour les fléchisseurs comparativement à la position d’extension et vice-versa pour les extenseurs (p<0.005 pour le groupe). Lorsque les mêmes positions étaient établies après une relaxation profonde, les réponses réflexes et les amplitudes des MEPs ont drastiquement diminué. La relation caractéristique observée entre position physique et amplitude des MEPs dans le positionnement actif s’est aussi estompée lorsque les muscles étaient relâchés. Cette étude suggère que la voie corticospinale, en association avec les autres voies descendantes, participerait au contrôle de la position-seuil, un processus qui prédéterminerait le référentiel spatial dans lequel l’activité EMG émerge. Ce contrôle de la « référence » constituerait un principe commun s’appliquant à la fois au contrôle de la force musculaire, de la position, du mouvement et de la relaxation. Nous avons aussi mis en évidence qu’il est nécessaire, dans les prochaines recherches ou applications utilisant la TMS, de prendre en compte la configuration-seuil des articulations, afin de bien interpréter les réponses musculaires (ou leurs changements) évoquées par cette technique; en effet, la configuration-seuil influencerait de manière notable l’excitabilité corticomotrice, qui peut être considérée comme un indicateur non seulement lors d’activités musculaires, mais aussi cognitives, après apprentissages moteurs ou lésions neurologiques causant des déficits moteurs (ex. spasticité, faiblesse). Considérées dans leur ensemble, ces deux études apportent un éclairage inédit sur des principes fondamentaux du contrôle moteur : nous y illustrons de manière plus large le rôle du système vestibulaire dans les tâches d’atteinte exigeant une coordination entre le bras et son « support » (le tronc) et clarifions l’implication des voies corticomotrices dans la spécification de paramètres élémentaires du contrôle moteur du bras. De plus amples recherches sont cependant nécessaires afin de mieux comprendre comment les systèmes sensoriels et descendants (e.g. vestibulo-, réticulo-, rubro-, propriospinal) participent et interagissent avec les signaux corticofugaux afin de spécifier les seuils neuromusculaires dans le contrôle de la posture et du mouvement.

Lack of myostatin results in excessive muscle growth but impaired force generation

The lack of myostatin promotes growth of skeletal muscle, and blockade of its activity has been proposed as a treatment for various muscle-wasting disorders. Here, we have examined two independent mouse lines that harbor mutations in the myostatin gene, constitutive null (Mstn(-/-)) and compact (Berlin High Line, BEH(c/c)). We report that, despite a larger muscle mass relative to age-matched wild types, there was no increase in maximum tetanic force generation, but that when expressed as a function of muscle size (specific force), muscles of myostatin-deficient mice were weaker than wild-type muscles. In addition, Mstn(-/-) muscle contracted and relaxed faster during a single twitch and had a marked increase in the number of type IIb fibers relative to wild-type controls. This change was also accompanied by a significant increase in type IIB fibers containing tubular aggregates. Moreover, the ratio of mitochondrial DNA to nuclear DNA and mitochondria number were decreased in myostatin-deficient muscle, suggesting a mitochondrial depletion. Overall, our results suggest that lack of myostatin compromises force production in association with loss of oxidative characteristics of skeletal muscle.

Anion-templated assembly of pseudorotaxanes: importance of anion template, strength of ion-pair thread association, and macrocycle ring size

A wide range of pseuclorotaxane assemblies containing positively charged pyridinium, pyridinium nicotinamide, imidazolium, benzimidazolium and guanidinium threading components, and macrocyclic isophthalamide polyether ligands have been prepared using a general anion templation procedure. In noncompetitive solvent media, coupling halide anion recognition by a macrocyclic ligand with ion-pairing between the halide anion and a strongly associated cation provides the driving force for interpenetration. Extensive solution H-1 NMR binding studies, thermodynamic investigations, and single-crystal X-ray structure determinations reveal that the nature of the halide anion template, strength of the ion-pairing between the anion template and the cationic threading component, and to a lesser extent favorable second sphere pi-pi aromatic stacking interactions between the positively charged threading component and macrocyclic ligand, together with macrocyclic ring size, affect the efficacy of pseudorotaxane formation.

Perceptual cues for orientation in a two finger haptic grasp task

Single point interaction haptic devices do not provide the natural grasp and manipulations found in the real world, as afforded by multi-fingered haptics. The present study investigates a two-fingered grasp manipulation involving rotation with and without force feedback. There were three visual cue conditions: monocular, binocular and projective lighting. Performance metrics of time and positional accuracy were assessed. The results indicate that adding haptics to an object manipulation task increases the positional accuracy but slightly increases the overall time taken.

Movement time for motion-impaired users assisted by force-feedback: effects of movement amplitude, target width and gravity well width

This paper presents a study investigating how the performance of motion-impaired computer users in point and click tasks varies with target distance (A), target width (W), and force-feedback gravity well width (GWW). Six motion-impaired users performed point and click tasks across a range of values for A, W, and GWW. Times were observed to increase with A, and to decrease with W. Times also improved with GWW, and, with the addition of a gravity well, a greater improvement was observed for smaller targets than for bigger ones. It was found that Fitts Law gave a good description of behaviour for each value of GWW, and that gravity wells reduced the effect of task difficulty on performance. A model based on Fitts Law is proposed, which incorporates the effect of GWW on movement time. The model accounts for 88.8% of the variance in the observed data.

The roles of feature-specific task set and bottom-up salience in attentional capture: An ERP study

We investigated the roles of top-down task set and bottom-up stimulus salience for feature-specific attentional capture. Spatially nonpredictive cues preceded search arrays that included a color-defined target. For target-color singleton cues, behavioral spatial cueing effects were accompanied by cueinduced N2pc components, indicative of attentional capture. These effects were only minimally attenuated for nonsingleton target-color cues, underlining the dominance of top-down task set over salience in attentional capture. Nontarget-color singleton cues triggered no N2pc, but instead an anterior N2 component indicative of top-down inhibition. In Experiment 2, inverted behavioral cueing effects of these cues were accompanied by a delayed N2pc to targets at cued locations, suggesting that perceptually salient but task-irrelevant visual events trigger location-specific inhibition mechanisms that can delay subsequent target selection.

Within-person analyses of situational interest and boredom: Interactions between task-specific perceptions and achievement goals

Despite the increasing number of studies examining the correlates of interest and boredom, surprisingly little research has focused on within-person fluctuations in these emotions, making it difficult to describe their situational nature. To address this gap in the literature, this study conducted repeated measurements (12 times) on a sample of 158 undergraduate students using a variety of self-report assessments, and examined the within-person relationships between task-specific perceptions (expectancy, utility, and difficulty) and interest and boredom. This study further explored the role of achievement goals in predicting between-person differences in these within-person relationships. Utilizing hierarchical-linear modeling, we found that, on average, a higher perception of both expectancy and utility, as well as a lower perception of difficulty, was associated with higher interest and lower boredom levels within individuals. Moreover, mastery-approach goals weakened the negative within-person relationship between difficulty and interest and the negative within-person relationship between utility and boredom. Mastery-avoidance and performance-avoidance goals strengthened the negative relationship between expectancy and boredom. These results suggest how educators can more effectively instruct students with different types of goals, minimizing boredom and maximizing interest and learning.

Assessing multilingual lexical incorporation hypotheses through a primed picture-naming task

The incorporation of new representations into the mental lexicon has raised numerous questions about the organisational principles that govern the process. A number of studies have argued that similarity between the new L3 items and existing representations in the L1 and L2 is the main incorporating force (Hall & Ecke, 2003; Herwig, 2001). Experimental evidence obtained through a primed picture-naming task with L1 Polish-L2 English learners of L3 Russian supports Hall and Ecke’s Parasitic Model of L3 vocabulary acquisition, displaying a significant main effect for both priming and proficiency. These results complement current models of vocabulary acquisition and lexical access in multilingual speakers.

Task relevance of emotional information affects anxiety-linked attention bias in visual search

Task relevance affects emotional attention in healthy individuals. Here, we investigate whether the association between anxiety and attention bias is affected by the task relevance of emotion during an attention task. Participants completed two visual search tasks. In the emotion-irrelevant task, participants were asked to indicate whether a discrepant face in a crowd of neutral, middle-aged faces was old or young. Irrelevant to the task, target faces displayed angry, happy, or neutral expressions. In the emotion-relevant task, participants were asked to indicate whether a discrepant face in a crowd of middle-aged neutral faces was happy or angry (target faces also varied in age). Trait anxiety was not associated with attention in the emotion-relevant task. However, in the emotion-irrelevant task, trait anxiety was associated with a bias for angry over happy faces. These findings demonstrate that the task relevance of emotional information affects conclusions about the presence of an anxiety-linked attention bias.

Corticomuscular coherence modulation with the pattern of finger force coordination

We assess the corticomuscular coherence (CMC) of the contralateral primary motor cortex and the hand muscles during a finger force-tracking task and explore whether the pattern of finger coordination has an impact on the CMC level. Six healthy subjects (three men and three women) were recruited to conduct the force-tracking tasks comprising two finger patterns, i.e., natural combination of index and middle fingers and unnatural combination of index and middle fingers (i.e., simultaneously producing equal force strength in index and middle finger). During the conducting of the tasks with right index and middle finger, MEG and sEMG signals were recorded from left primary motor cortex (M1) and right flexor digitorum superficialis (FDS), respectively; the contralateral CMC was calculated to assess the neuromuscular interaction. Finger force-tracking tasks of Common-IM only induce beta-band CMC, whereas Uncommon-IM tasks produce CMC in both beta and low-gamma band. Compared to the force-tracking tasks of Common-IM, the Uncommon-IM task is associated with the most intensive contralateral CMC. Our study demonstrated that the pattern of finger coordination had significant impact on the CMC between the contralateral M1 and hand muscles, and more corticomuscular interaction was necessary for unnaturally coordinated finger activities to regulate the fixed neural drive of hand muscles.

Mixed-signal analog-digital circuits design on the pre-diffused digital array using trapezoidal association of transistors

The mixed-signal and analog design on a pre-diffused array is a challenging task, given that the digital array is a linear matrix arrangement of minimum-length transistors. To surmount this drawback a specific discipline for designing analog circuits over such array is required. An important novel technique proposed is the use of TAT (Trapezoidal Associations of Transistors) composite transistors on the semi-custom Sea-Of-Transistors (SOT) array. The analysis and advantages of TAT arrangement are extensively analyzed and demonstrated, with simulation and measurement comparisons to equivalent single transistors. Basic analog cells were also designed as well in full-custom and TAT versions in 1.0mm and 0.5mm digital CMOS technologies. Most of the circuits were prototyped in full-custom and TAT-based on pre-diffused SOT arrays. An innovative demonstration of the TAT technique is shown with the design and implementation of a mixed-signal analog system, i. e., a fully differential 2nd order Sigma-Delta Analog-to-Digital (A/D) modulator, fabricated in both full-custom and SOT array methodologies in 0.5mm CMOS technology from MOSIS foundry. Three test-chips were designed and fabricated in 0.5mm. Two of them are IC chips containing the full-custom and SOT array versions of a 2nd-Order Sigma-Delta A/D modulator. The third IC contains a transistors-structure (TAT and single) and analog cells placed side-by-side, block components (Comparator and Folded-cascode OTA) of the Sigma-Delta modulator.