Studying conscious and unconscious vision with functional Magnetic Resonance Imaging : the BOLD promise

Waking up from a dreamless sleep, I open my eyes, recognize my wife’s face and am filled with joy. In this thesis, I used functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) to gain insights into the mechanisms involved in this seemingly simple daily occurrence, which poses at least three great challenges to neuroscience: how does conscious experience arise from the activity of the brain? How does the brain process visual input to the point of recognizing individual faces? How does the brain store semantic knowledge about people that we know? To start tackling the first question, I studied the neural correlates of unconscious processing of invisible faces. I was unable to image significant activations related to the processing of completely invisible faces, despite existing reports in the literature. I thus moved on to the next question and studied how recognition of a familiar person was achieved in the brain; I focused on finding invariant representations of person identity – representations that would be activated any time we think of a familiar person, read their name, see their picture, hear them talk, etc. There again, I could not find significant evidence for such representations with fMRI, even in regions where they had previously been found with single unit recordings in human patients (the Jennifer Aniston neurons). Faced with these null outcomes, the scope of my investigations eventually turned back towards the technique that I had been using, fMRI, and the recently praised analytical tools that I had been trusting, Multivariate Pattern Analysis. After a mostly disappointing attempt at replicating a strong single unit finding of a categorical response to animals in the right human amygdala with fMRI, I put fMRI decoding to an ultimate test with a unique dataset acquired in the macaque monkey. There I showed a dissociation between the ability of fMRI to pick up face viewpoint information and its inability to pick up face identity information, which I mostly traced back to the poor clustering of identity selective units. Though fMRI decoding is a powerful new analytical tool, it does not rid fMRI of its inherent limitations as a hemodynamics-based measure.

The Physiology and Computation of Pyramidal Neurons

A variety of neural signals have been measured as correlates to consciousness. In particular, late current sinks in layer 1, distributed activity across the cortex, and feedback processing have all been implicated. What are the physiological underpinnings of these signals? What computational role do they play in the brain? Why do they correlate to consciousness? This thesis begins to answer these questions by focusing on the pyramidal neuron. As the primary communicator of long-range feedforward and feedback signals in the cortex, the pyramidal neuron is set up to play an important role in establishing distributed representations. Additionally, the dendritic extent, reaching layer 1, is well situated to receive feedback inputs and contribute to current sinks in the upper layers. An investigation of pyramidal neuron physiology is therefore necessary to understand how the brain creates, and potentially uses, the neural correlates of consciousness. An important part of this thesis will be in establishing the computational role that dendritic physiology plays. In order to do this, a combined experimental and modeling approach is used.

This thesis beings with single-cell experiments in layer 5 and layer 2/3 pyramidal neurons. In both cases, dendritic nonlinearities are characterized and found to be integral regulators of neural output. Particular attention is paid to calcium spikes and NMDA spikes, which both exist in the apical dendrites, considerable distances from the spike initiation zone. These experiments are then used to create detailed multicompartmental models. These models are used to test hypothesis regarding spatial distribution of membrane channels, to quantify the effects of certain experimental manipulations, and to establish the computational properties of the single cell. We find that the pyramidal neuron physiology can carry out a coincidence detection mechanism. Further abstraction of these models reveals potential mechanisms for spike time control, frequency modulation, and tuning. Finally, a set of experiments are carried out to establish the effect of long-range feedback inputs onto the pyramidal neuron. A final discussion then explores a potential way in which the physiology of pyramidal neurons can establish distributed representations, and contribute to consciousness.

Cognitive Tomography Reveals Complex, Task-Independent Mental Representations

Humans develop rich mental representations that guide their behavior in a variety of everyday tasks. However, it is unknown whether these representations, often formalized as priors in Bayesian inference, are specific for each task or subserve multiple tasks. Current approaches cannot distinguish between these two possibilities because they cannot extract comparable representations across different tasks [1-10]. Here, we develop a novel method, termed cognitive tomography, that can extract complex, multidimensional priors across tasks. We apply this method to human judgments in two qualitatively different tasks, "familiarity" and "odd one out," involving an ecologically relevant set of stimuli, human faces. We show that priors over faces are structurally complex and vary dramatically across subjects, but are invariant across the tasks within each subject. The priors we extract from each task allow us to predict with high precision the behavior of subjects for novel stimuli both in the same task as well as in the other task. Our results provide the first evidence for a single high-dimensional structured representation of a naturalistic stimulus set that guides behavior in multiple tasks. Moreover, the representations estimated by cognitive tomography can provide independent, behavior-based regressors for elucidating the neural correlates of complex naturalistic priors. © 2013 The Authors.

获取无意识结构知识的机制:主观熟悉感与刺激重复结构在人工语法学习中的作用

The nature of the distinction between conscious and unconscious knowledge is a core issue in the implicit learning field. Furthermore, the phenomenological experience associated with having knowledge is central to the conscious or unconscious status of that knowledge. Consistently, Dienes and Scott (2005) measured the conscious or unconscious status of structure knowledge using subjective measures. Believing that one is purely guessing when in fact one knows indicates unconscious knowledge. But unconscious structural knowledge can also be associated with feelings of intuition or familiarity. In this thesis, we explored whether phenomenological feelings, like familiarity, associated with unconscious structural knowledge could be used, paradoxically, to exert conscious control over the use of the knowledge, and whether people could obtain repetition structure knowledge. We also investigated the neural correlates of awareness of knowing, as measured phenomenologically. In study one, subjects were trained on two grammars and then asked to endorse strings from only one of the grammars. Subjects also rated how familiar each string they felt and reported whether or not they used familiarity to make their grammaticality judgment. We found subjects could endorse the strings of just one grammar and ignore the strings from the other. Importantly, when subjects said they were using familiarity, the rated familiarity for test strings consistent with their chosen grammar was greater than that for strings from the other grammar. Familiarity, subjectively defined, is sensitive to intentions and can play a key role in strategic control. In study two, we manipulated the structural characteristic of stings and explored whether participants could learn repetition structures in the grammatical strings. We measured phenomenology again and also ERPs. Deviant letters of ungrammatical strings violating the repetition structure elicited the N2 component; we took this to be an indication of knowledge, whether conscious or not. Strings which were attributed to conscious categories (rules and recollection) rather than phenomenology associated with unconscious structural knowledge (guessing, intuition and familiarity) elicited the P300 component. Different waveforms provided evidence for the neural correlates of different phenomenologies associated with knowledge of an artificial grammar.

Functional neuroimaging of autobiographical memory.

Functional neuroimaging studies of autobiographical memory have grown dramatically in recent years. These studies are important because they can investigate the neural correlates of processes that are difficult to study using laboratory stimuli, including: (i) complex constructive processes, (ii) recollective qualities of emotion and vividness, and (iii) remote memory retrieval. Constructing autobiographical memories involves search, monitoring and self-referential processes that are associated with activity in separable prefrontal regions. The contributions of emotion and vividness have been linked to the amygdala and visual cortex respectively. Finally, there is evidence that recent and remote autobiographical memories might activate the hippocampus equally, which has implications for memory-consolidation theories. The rapid development of innovative methods for eliciting personal memories in the scanner provides the opportunity to delve into the functional neuroanatomy of our personal past.

The impact of anxiety-inducing distraction on cognitive performance: a combined brain imaging and personality investigation.

BACKGROUND: Previous investigations revealed that the impact of task-irrelevant emotional distraction on ongoing goal-oriented cognitive processing is linked to opposite patterns of activation in emotional and perceptual vs. cognitive control/executive brain regions. However, little is known about the role of individual variations in these responses. The present study investigated the effect of trait anxiety on the neural responses mediating the impact of transient anxiety-inducing task-irrelevant distraction on cognitive performance, and on the neural correlates of coping with such distraction. We investigated whether activity in the brain regions sensitive to emotional distraction would show dissociable patterns of co-variation with measures indexing individual variations in trait anxiety and cognitive performance. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: Event-related fMRI data, recorded while healthy female participants performed a delayed-response working memory (WM) task with distraction, were investigated in conjunction with behavioural measures that assessed individual variations in both trait anxiety and WM performance. Consistent with increased sensitivity to emotional cues in high anxiety, specific perceptual areas (fusiform gyrus--FG) exhibited increased activity that was positively correlated with trait anxiety and negatively correlated with WM performance, whereas specific executive regions (right lateral prefrontal cortex--PFC) exhibited decreased activity that was negatively correlated with trait anxiety. The study also identified a role of the medial and left lateral PFC in coping with distraction, as opposed to reflecting a detrimental impact of emotional distraction. CONCLUSIONS: These findings provide initial evidence concerning the neural mechanisms sensitive to individual variations in trait anxiety and WM performance, which dissociate the detrimental impact of emotion distraction and the engagement of mechanisms to cope with distracting emotions. Our study sheds light on the neural correlates of emotion-cognition interactions in normal behaviour, which has implications for understanding factors that may influence susceptibility to affective disorders, in general, and to anxiety disorders, in particular.

Mental hoop diaries: emotional memories of a college basketball game in rival fans.

The rivalry between the men's basketball teams of Duke University and the University of North Carolina-Chapel Hill (UNC) is one of the most storied traditions in college sports. A subculture of students at each university form social bonds with fellow fans, develop expertise in college basketball rules, team statistics, and individual players, and self-identify as a member of a fan group. The present study capitalized on the high personal investment of these fans and the strong affective tenor of a Duke-UNC basketball game to examine the neural correlates of emotional memory retrieval for a complex sporting event. Male fans watched a competitive, archived game in a social setting. During a subsequent functional magnetic resonance imaging session, participants viewed video clips depicting individual plays of the game that ended with the ball being released toward the basket. For each play, participants recalled whether or not the shot went into the basket. Hemodynamic signal changes time locked to correct memory decisions were analyzed as a function of emotional intensity and valence, according to the fan's perspective. Results showed intensity-modulated retrieval activity in midline cortical structures, sensorimotor cortex, the striatum, and the medial temporal lobe, including the amygdala. Positively valent memories specifically recruited processing in dorsal frontoparietal regions, and additional activity in the insula and medial temporal lobe for positively valent shots recalled with high confidence. This novel paradigm reveals how brain regions implicated in emotion, memory retrieval, visuomotor imagery, and social cognition contribute to the recollection of specific plays in the mind of a sports fan.

Perturbing the impulse activity of a single identified neuron augments the formation of long-term memory in a molluscan semi-intact preparation /

The aim of this study was to investigate the neural correlates of operant conditioning in a semi-intact preparation of the pond snail, Lymnaea stagnalis. Lymnaea learns, via operant conditioning, to reduce its aerial respiratory behaviour in response to an aversive tactile stimulus to its open pneumostome. This thesis demonstrates the successful conditioning of na'ive semiintact preparations to show learning in the dish. Furthermore, these conditioned preparations show long-term memory that persists for at least 18 hours. As the neurons that generate this behaviour have been previously identified I can, for the first time, monitor neural activity during both learning and long-term memory consolidation in the same preparation. In particular, I record from the respiratory neuron Right Pedal Dorsal 1 (RPeD 1) which is part of the respiratory central pattern generator. In this study, I demonstrate that preventing RPeDl impulse activity between training sessions reduces the number of sessions needed to produce long-term memory in the present semi-intact preparation.

Les différences sexuelles dans l’activation cérébrale durant l’accomplissement de la tâche de rotation mentale chez les patients atteints de schizophrénie

Dans la population générale plusieurs études ont démontré que les hommes ont, par comparaison aux femmes, de meilleures performances dans les tâches de rotation mentale à trois dimensions. A l’aide de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle, on a pu observer que l’exécution de cette tâche de rotation mentale s’accompagnait d’une activation du cortex pariétal chez l’homme mais du cortex prefrontal chez la femme. Ces différences entre les deux sexes suggèrent un fonctionnement neuronal différent dans l’appréhension des habiletés cognitives et comportementales. De fait, de nombreuses études ont signalé des différences notables entre les deux sexes quant à leur fonctionnement cérébral tant sur le plan émotionnel que de leurs habiletés visuo spatiales. La schizophrénie est un trouble grave et persistant de la santé mentale dont l’origine est certes multifactorielle et dont les facteurs de protection sont partiellement biologiques, psychologiques et sociales. Cette maladie requiert une approche thérapeutique à la fois clinique médicamenteuse, psychologique et sociale visant à une réintégration des malades dans leur communauté. Le pronostic de cette maladie varie en fonction du sexe ainsi que les atteintes neurologiques, neuropsychologiques et socioculturelles. Il est donc surprenant que l’exploration des mécanismes neuronaux sous-tendant les anomalies fonctionnelles cognitivo-comportementales n’ait point, en schizophrénie, adressé à date la fonctionnalité différente de l’homme et de la femme. Une étude pilote, réalisée dans mon laboratoire d’accueil, ayant suggéré chez le schizophrène, lors du traitement cognitif de stimuli émotionnels, une altération du dimorphisme sexuel observé dans la population normale, il devenait impératif de confirmer ces observations. Ce mémoire vise à vérifier par résonnance magnétique fonctionnelle l’activité neuronale cérébrale témoignant de la performance neuropsychologique de schizophrènes des deux sexes et de la comparer à celle de sujets témoins sains appareillés pour l’âge, la dominance hémisphérique et le statut familial socio-économique. A cette fin, nous avons enregistré, lors d’une tâche de rotation mentale à trois dimensions, les variables neurocognitives traduisant la validité des réponses ainsi que leur rapidité d’exécution. Simultanément, nous avons enregistré, par résonnance magnétique fonctionnelle, les sites d’activation cérébrale ainsi que leur degré d’activation corticale. Les données expérimentales, neurocognitives et cérébro-fonctionnelles, furent analysées en comparant les deux sexes d’une part et les deux états de santé d’autre part. Les résultats de ce mémoire ont fait l’objet de deux articles qui sont inclus. Les résultats obtenus confirment l’hypothèse d’un dimorphisme homme/femme dans la population générale ainsi que chez le schizophrène. Ces résultats appuient aussi l’hypothèse de l’altération, chez le schizophrène, du dimorphisme observé dans la population générale.

Un oeil sur la langue : aspects neuro-cognitifs du processus de la navigation chez l'aveugle-né

La vision est un élément très important pour la navigation en général. Grâce à des mécanismes compensatoires les aveugles de naissance ne sont pas handicapés dans leurs compétences spatio-cognitives, ni dans la formation de nouvelles cartes spatiales. Malgré l’essor des études sur la plasticité du cerveau et la navigation chez les aveugles, les substrats neuronaux compensatoires pour la préservation de cette fonction demeurent incompris. Nous avons démontré récemment (article 1) en utilisant une technique d’analyse volumétrique (Voxel-Based Morphometry) que les aveugles de naissance (AN) montrent une diminution de la partie postérieure de l’hippocampe droit, structure cérébrale importante dans la formation de cartes spatiales. Comment les AN forment-ils des cartes cognitives de leur environnement avec un hippocampe postérieur droit qui est significativement réduit ? Pour répondre à cette question nous avons choisi d’exploiter un appareil de substitution sensorielle qui pourrait potentiellement servir à la navigation chez les AN. Cet appareil d’affichage lingual (Tongue display unit -TDU-) retransmet l’information graphique issue d’une caméra sur la langue. Avant de demander à nos sujets de naviguer à l’aide du TDU, il était nécessaire de nous assurer qu’ils pouvaient « voir » des objets dans l’environnement grâce au TDU. Nous avons donc tout d’abord évalué l’acuité « visuo »-tactile (article 2) des sujets AN pour les comparer aux performances des voyants ayant les yeux bandées et munis du TDU. Ensuite les sujets ont appris à négocier un chemin à travers un parcours parsemé d’obstacles i (article 3). Leur tâche consistait à pointer vers (détection), et contourner (négociation) un passage autour des obstacles. Nous avons démontré que les sujets aveugles de naissance non seulement arrivaient à accomplir cette tâche, mais encore avaient une performance meilleure que celle des voyants aux yeux bandés, et ce, malgré l’atrophie structurelle de l’hippocampe postérieur droit, et un système visuel atrophié (Ptito et al., 2008). Pour déterminer quels sont les corrélats neuronaux de la navigation, nous avons créé des routes virtuelles envoyées sur la langue par le biais du TDU que les sujets devaient reconnaitre alors qu’ils étaient dans un scanneur IRMf (article 4). Nous démontrons grâce à ces techniques que les aveugles utilisent un autre réseau cortical impliqué dans la mémoire topographique que les voyants quand ils suivent des routes virtuelles sur la langue. Nous avons mis l’emphase sur des réseaux neuronaux connectant les cortex pariétaux et frontaux au lobe occipital puisque ces réseaux sont renforcés chez les aveugles de naissance. Ces résultats démontrent aussi que la langue peut être utilisée comme une porte d’entrée vers le cerveau en y acheminant des informations sur l’environnement visuel du sujet, lui permettant ainsi d’élaborer des stratégies d’évitement d’obstacles et de se mouvoir adéquatement.

Les habiletés spatio-cognitives des aveugles de naissance : résolution de labyrinthes tactiles

La navigation repose en majeure partie sur la vision puisque ce sens nous permet de rassembler des informations spatiales de façon simultanée et de mettre à jour notre position par rapport à notre environnement. Pour plusieurs aveugles qui se fient à l’audition, le toucher, la proprioception, l’odorat et l’écholocation pour naviguer, sortir à l’extérieur de chez soi peut représenter un défi considérable. Les recherches sur le circuit neuronal de la navigation chez cette population en particulier s’avèrent donc primordiales pour mieux adapter les ressources aux handicapés visuels et réussir à les sortir de leur isolement. Les aveugles de naissance constituent aussi une population d’intérêt pour l’étude de la neuroplasticité. Comme leur cerveau s’est construit en absence d’intrant visuel, la plupart des structures reliées au sens de la vue sont réduites en volume par rapport à ceux de sujets voyants. De plus, leur cortex occipital, une région normalement dédiée à la vision, possède une activité supramétabolique au repos, ce qui peut représenter un territoire vierge pouvant être recruté par les autres modalités pour exécuter diverses tâches sensorielles. Plusieurs chercheurs ont déjà démontré l’implication de cette région dans des tâches sensorielles comme la discrimination tactile et la localisation auditive. D’autres changements plastiques de nature intramodale ont aussi été observés dans le circuit neuronal de la navigation chez ces aveugles. Par exemple, la partie postérieure de l’hippocampe, impliquée dans l’utilisation de cartes mentales, est réduite en volume alors que la section antérieure est élargie chez ces sujets. Bien que ces changements plastiques anatomiques aient bel et bien été observés chez les aveugles de naissance, il reste toutefois à les relier avec leur aspect fonctionnel. Le but de la présente étude était d’investiguer les corrélats neuronaux de la navigation chez l’aveugle de naissance tout en les reliant avec leurs habiletés spatio-cognitives. La première étude comportementale a permis d’identifier chez les aveugles congénitaux une difficulté d’apprentissage de routes tactiles construites dans des labyrinthes de petite échelle. La seconde étude, employant la technique d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, a relié ces faiblesses au recrutement de régions cérébrales impliquées dans le traitement d’une perspective égocentrique, comme le lobule pariétal supérieur droit. Alors que des sujets voyants aux yeux bandés excellaient dans la tâche des labyrinthes, ces derniers recrutaient des structures impliquées dans un traitement allocentrique, comme l’hippocampe et le parahippocampe. Par ailleurs, la deuxième étude a confirmé le recrutement du cortex occipital dans une tâche de navigation chez les aveugles seulement. Ceci confirme l’implication de la plasticité intermodale dans des tâches cognitives de plus haut niveau, comme la navigation.

The roles of the somatosensory cortices in the perception of noxious and innocuous stimuli

Résumé Les premières études électrophysiologiques et anatomiques ont établi le rôle crucial du cortex somatosensoriel primaire et secondaire (SI et SII) dans le traitement de l'information somatosensorielle. Toutefois, les récentes avancées en techniques d’imagerie cérébrale ont mis en question leur rôle dans la perception somatosensorielle. La réorganisation du cortex somatosensoriel est un phénomène qui a été proposé comme cause de la douleur du membre fantôme chez les individus amputés. Comme la plupart des études se sont concentrées sur le rôle du SI, une étude plus approfondie est nécessaire. La présente série d'expériences implique une exploration du rôle des régions somatosensorielles dans la perception des stimuli douleureux et non-douleureux chez des volontaires sains et patients avec des douleurs de membre fantôme. La première étude expérimentale présentée dans le chapitre 3 est une méta-analyse des études de neuro-imagerie employant des stimuli nociceptifs chez des volontaires sains. En comparaison aux précédentes, la présente étude permet la génération de cartes quantitatives probabilistes permettant la localisation des régions activées en réponse à des stimuli nociceptifs. Le rôle du cortex somatosensoriel dans la perception consciente de stimuli chauds a été étudié dans le chapitre 4 grâce à une étude d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, dans laquelle des stimuli thermiques douloureux et non-douloureux ont été administrés de manière contrebalancée. Grâce à cette procédure, la perception de la chaleur fut atténuée par les stimuli douloureux, ce qui permit la comparaison des stimuli consciemment perçus avec ceux qui ne le furent pas. Les résultats ont montrés que les stimulations chaudes perçues ont engendré l’activation de l’aire SI controlatérale, ainsi que de la région SII. Grâce à l’évaluation clinique de patients amputés présentant une altération de leurs perceptions somatosensorielles, il est également possible de dessiner un aperçu des régions corticales qui sous-tendent ces modifications perceptuelles. Dans le chapitre 5 nous avons émis l'hypothèse proposant que les sensations du membre fantôme représentent un corrélat perceptuel de la réorganisation somatotopique des représentations sensorielles corticales. En effet, la réorganisation des sensations peut donner des indices sur les régions impliquées dans la genèse des sensations référées. Ainsi, un protocole d’évaluation sensoriel a été administré à un groupe de patients affligés de douleur au niveau du membre fantôme. Les résultats ont montré que, contrairement aux études précédentes, les sensations diffèrent grandement selon le type et l'intensité des stimuli tactiles, sans évidence de la présence d’un modèle spatialement localisé. Toutefois, les résultats actuels suggèrent que les régions corticales à champs récepteurs bilatéraux présentent également des modifications en réponse à une déafférentation. Ces études présentent une nouvelle image des régions corticales impliquées dans la perception des stimuli somatosensoriels, lesquelles comprennent les aires SI et SII, ainsi que l'insula. Les résultats sont pertinents à notre compréhension des corrélats neurologiques de la perception somatosensorielle consciente.

Impact des polymorphismes 5-HTTLPR et rs4675690 sur les corrélats neuronaux de la tristesse chez les enfants

Les avancées technologiques rendent maintenant possible d’étudier l’impact de gènes spécifiques sur les corrélats cérébraux des psychopathologies. En rapport avec ce nouveau champ de recherche, la présente thèse décrit l’impact du 5-HTTLPR et du rs4675690 – deux polymorphismes semblant jouer un rôle dans le trouble dépressif majeur - sur les corrélats neuronaux de l’expérience subjective de la tristesse chez les enfants. Après une mise en contexte (Chapitre 1), les deux études incluses dans cette thèse seront décrites (Chapitre 2 et 3). Ces études d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle visaient à comparer les patrons d’activation – durant un état temporaire de tristesse - chez des enfants de 8 ans porteurs d’allèles différents. La tristesse était induite grâce au visionnement passif d’extraits d’un film triste. Les résultats suggèrent que les deux polymorphismes ont un impact sur les activations cérébrales associées à la tristesse. Spécifiquement, les enfants porteurs des allèles associés à un plus grand risque de développer un trouble dépressif majeur, soit les porteurs de l’allèle court du 5-HTTLPR et les individus homozygotes pour l’allèle T du rs4675690, ont présenté des activations cérébrales altérées dans des régions qui sont impliquées dans la tristesse normale et pathologique. Le Chapitre 4 présente la mise en perspective des résultats dans le cadre de la littérature actuelle.

An fMRI study of emotional episodic memory in schizophrenia : effects of diagnosis and sex

La schizophrénie est une psychopathologie largement hétérogène caractérisée entre autres par d’importantes défaillances dans le fonctionnement cognitif et émotionnel. En effet, par rapport à la population générale, forte proportion de ces individus présentent une mémoire déficitaire pour les événements émotionnels. À ce jour, le peu d’études qui se sont penchées sur la mémoire émotionnelle épisodique dans la schizophrénie, ont uniquement mis l’emphase sur l'effet de la valence des stimuli (c’est-à-dire le caractère agréable ou désagréable du stimulus). Toutefois, aucune n’a investigué spécifiquement l’intensité de la réaction aux stimuli (c’est-à-dire une faible par rapport à une forte réaction) malgré quantité de preuves faisant montre, dans la population générale, de différents processus de mémoire émotionnelle pour des stimuli suscitant une forte réaction par rapport à ceux évoquant une faible réponse. Ce manque est d’autant plus flagrant étant donné le nombre d’études ayant rapporté un traitement et un encodage atypiques des émotions spécifiquement au niveau de l’intensité de la réponse subjective chez des patients atteints de schizophrénie. Autre fait important, il est étonnant de constater l’absence de recherches sur les différences de sexe dans la mémoire émotionnelle étant donné l’ensemble des divergences entre hommes et femmes atteints de schizophrénie au niveau de la prévalence, de l’âge de diagnostic, de la manifestation clinique, de l’évolution de la maladie, de la réponse au traitement et des structures cérébrales. Pour pallier à ces lacunes, ce mémoire a évalué : (1) l’effet de la valence des stimuli et de l'intensité de la réaction émotionnelle au niveau des fonctions cérébrales correspondant à la mémoire émotionnelle chez des patients atteints de schizophrénie comparativement à des participants sains; et (2) les possibles différences de sexe dans les processus cérébraux impliqués dans la mémoire émotionnelle chez des patients atteints de schizophrénie par rapport à des volontaires sains. Ainsi, la première étude a comparé les activations cérébrales de patients atteints de schizophrénie par rapport à des participants sains au cours d’une tâche de mémoire émotionnelle dont les stimuli variaient à la fois au niveau de la valence et de l'intensité de la réaction subjective. 37 patients atteints de schizophrénie ainsi que 37 participants en bonne santé ont effectué cette tâche de mémoire émotionnelle lors d’une session d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Pour toutes les conditions étudiées (images négatives, positives, de faible et de forte intensité), le groupe atteint de schizophrénie a performé significativement moins bien que les volontaires sains. Comparativement aux sujets sains, ils ont montré moins d’activations cérébrales dans les régions limbiques et préfrontales lors de la reconnaissance des images négatives, mais ont présenté un patron d'activations similaire à celui des participants sains lors de la reconnaissance des images chargées positivement (activations observées dans le cervelet, le cortex temporal et préfrontal). Enfin, indépendamment de la valence des stimuli, les deux groupes ont démontré une augmentation des activations cérébrales pour les images de forte intensité par rapport à celles de plus faible intensité. La seconde étude a quant à elle exploré les différences de sexe potentielles au niveau des activations cérébrales associées à la mémoire émotionnelle dans la schizophrénie et dans la population en général. Nous avons comparé 41 patients atteints de schizophrénie (20 femmes) à 41 participants en bonne santé (19 femmes) alors qu’ils effectuaient la même tâche de mémoire émotionnelle mentionnée plus haut. Or, pour cette étude, nous nous sommes concentrés sur les conditions suivantes : la reconnaissance d’images positives, négatives et neutres. Nous n'avons pas observé de différences entre les hommes et les femmes au niveau des performances à la tâche de mémoire pour aucune des conditions. En ce qui a trait aux données de neuroimagerie, comparativement aux femmes en bonne santé, celles atteintes de schizophrénie ont montré une diminution des activations cérébrales dans les régions corticales du système limbique (p. ex. cortex cingulaire moyen) et dans les régions sous-corticales (p. ex. amygdale) lors de la reconnaissance d'images négatives. Pour ce qui est de la condition positive, elles ont présenté, comparativement au groupe de femmes saines, des diminutions d’activations spécifiquement dans le cervelet ainsi que dans le gyrus frontal inférieur et moyen. Les hommes atteints de schizophrénie, eux, ont montré une augmentation d’activations par rapport aux hommes sains dans le gyrus préfrontal médian lors de la reconnaissance des stimuli négatifs ; ainsi que dans les régions pariétales, temporales et limbiques lors de la reconnaissance des stimuli positifs. Dans un autre ordre d’idées, notre analyse corrélationnelle a mis en évidence, chez les femmes, un lien significatif entre l’activité cérébrale et les symptômes au cours de la mémoire des stimuli positifs, alors que chez les hommes atteints schizophrénie, ce lien a été observé au cours de la mémoire des stimuli négatifs. Bref, l’ensemble de nos résultats suggère, chez les patients atteints de schizophrénie, un fonctionnement cérébral atypique spécifiquement lors de la reconnaissance d’images négatives, mais un fonctionnement intact lors de la reconnaissance de stimuli positifs. De plus, nous avons mis en évidence la présence de différences de sexe dans les activations cérébrales associées à la mémoire épisodique émotionnelle soulignant ainsi l'importance d’étudier séparément les hommes et les femmes atteints de schizophrénie dans le cadre de recherches sur les plans cognitif et émotionnel.

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

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