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

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

Early adversity, brain development and emotion processing in monozygotic twins

Il existe actuellement de nombreuses preuves démontrant que des facteurs génétiques et environnementaux interagissent pendant des périodes spécifiques du développement pour rendre une personne vulnérable aux troubles psychologiques via diverses adaptations physiologiques. Cette thèse porte sur l'impact de l’adversité prénatale (représentée par le petit poids à la naissance, PPN) et de l’adversité postnatale précoce (symptômes dépressifs maternels et comportements maternels négatifs), sur le développement du cerveau, particulièrement les régions fronto-limbiques impliquées dans le traitement des émotions, pendant l'enfance et l'adolescence. Des jumeaux monozygotes (MZ) sont utilisés, lorsque possible, afin de contrôler pour les effets génétiques. Les chapitres 1 et 2 présentent les résultats de la vérification de l'hypothèse que l’adversité prénatale et postnatale précoce sont associées à une altération du fonctionnement des régions fronto-limbique tels que l’amygdale, l’hippocampe, l’insula, le cortex cingulaire antérieur et le cortex préfrontal, en réponse à des stimuli émotifs chez des enfants et des adolescents. On observe que les symptômes dépressifs maternels sont associés à une activation plus élevée des régions fronto-limbiques des enfants en réponse à la tristesse. Les résultats de l’étude avec des adolescents suggèrent que le PPN, les symptômes dépressifs et les comportements maternels négatifs sont associés à une fonction altérée des régions fronto-limbiques en réponse à des stimuli émotionnels. Chez les jumeaux MZ on observe également que la discordance intra-paire de PPN et de certains comportements maternels est associée à une discordance intra-paire du fonctionnement du cerveau et que ces altérations diffèrent selon le sexe. Le chapitre 3 présente les résultats de la vérification de l'hypothèse que l’adversité prénatale et postnatale précoce sont associées à un volume total réduit du cerveau et de l’hypothèse que les comportements maternels peuvent servir de médiateur ou de modérateur de l'association entre le PPN et le volume du cerveau. Avec des jumeaux MZ à l’adolescence on observe a) que le PPN est effectivement associé à une diminution du volume total du cerveau et b) que la discordance intra-paire de PPN est associée à une discordance du volume du cerveau. En somme, cette thèse présente un ensemble de résultats qui soutiennent deux hypothèses importantes pour comprendre les effets de l’environnement sur le développement du cerveau : que l’environnement prénatal et postnatal précoce ont un impact sur le développement du cerveau indépendamment du code génétique et que les mécanismes impliqués peuvent différer entre les garçons et les filles. Finalement, l’ensemble de ces résultats sont discutés à la lumière des autres travaux de recherche dans ce domaine et des avenues à explorer pour de la recherche ultérieure sont proposées.

La représentation auditive motrice reflétée par la négativité de discordance chez l’enfant présentant un trouble du spectre de l’autisme

Il est maintenant bien établi que le cerveau humain est doté d’un système de neurones qui s’active tant à la perception qu’à l’exécution d’une action. Les neurones miroirs, ainsi que le système qu’ils forment avec des structures adjacentes appelées système neurones miroirs (SNM), ont été relié à la compréhension d’action et pourrait être impliqué dans les fonctions sociales de haut niveau tel que l’empathie et l’imitation. Dans la foulée spéculative reliant le SNM à la sphère sociale, le dysfonctionnement de ce système a rapidement gagné intérêt dans la genèse des anomalies du domaine social chez les personnes présentant le Trouble du spectre de l’autisme (TSA). Néanmoins, l’hypothèse voulant que le dysfonctionnement social des TSA repose sur une atteinte du SNM est controversée. En effet, les études soutenant cette hypothèse nécessitent des fonctions cognitives et sociales qui peuvent contribuer à l’obtention de résultats atypiques, telles que la compréhension des consignes, l’attention sur des stimuli sociaux ou la réalisation d’acte moteur. Récemment, un protocole auditif de négativité de discordance (MMN) utilisant des stimuli reliés à l’action humaine a été utilisé pour mesurer l’activité du SNM. Cette technique semble prometteuse dans la mesure où elle ne nécessite pas de capacités attentionnelles ou langagières, elle est brève et demande un montage minimal d’électrodes. Le premier article avait comme objectif principal de mesurer la validité de convergence du protocole MMN relié à l’action avec celui du rythme mu, le protocole le plus utilisé pour enregistrer l’activité miroir à l’aide de l’électroencéphalographie (EEG). Les modes de stimulation ont été délivrées en bloc successif à un groupe de 12 adultes en santé. Alors que les deux techniques ont modulé efficacement les régions fronto-centrales et centrales respectivement, mais ne sont pas corrélées, nous avons conclu qu’il est possible 2 qu’elles mesurent des aspects différents du SNM. Le deuxième article avait comme objectif principal de mesurer l’activité du SNM à l’aide du protocole MMN relié à l’action chez 10 enfants présentant un TSA ainsi que chez 12 enfants neurotypiques dans la même tranche d’âge (5-7ans). Chez les enfants TSA, nous avons montré un patron de latence inversée, comparativement aux enfants du groupe contrôle; ils traitaient plus rapidement les sons contrôles que les sons reliés à l’action humaine, alors que la tendance inverse était observée chez les contrôles. De plus, bien que les deux groupes différaient quant aux sons d’action, ils ne différaient pas quant aux sons contrôles. Quant à l’amplitude, les enfants TSA se distinguaient du groupe contrôle par une amplitude restreinte du son d’action provenant de la bouche. Par ailleurs, les mesures neurophysiologiques et neuropsychologiques n’étaient pas corrélées. En sommes, basé sur la prémisse que ce protocole MMN pourrait mesurer l’activité du SNM, cette thèse a comme but d’améliorer les connaissances quant à son utilisation chez l’adulte et l’enfant neurotypique ainsi que chez l’enfant TSA. Celui-ci pourrait ultimement être utilisé comme un biomarqueur potentiel du TSA.

Corrélats neuronaux de la mémoire de travail en magnétoencéphalographie à l’état de repos.

Purpose: There are few studies demonstrating the link between neural oscillations in magnetoencephalography (MEG) at rest and cognitive performance. Working memory is one of the most studied cognitive processes and is the ability to manipulate information on items kept in short-term memory. Heister & al. (2013) showed correlation patterns between brain oscillations at rest in MEG and performance in a working memory task (n-back). These authors showed that delta/theta activity in fronto-parietal areas is related to working memory performance. In this study, we use resting state MEG oscillations to validate these correlations with both of verbal (VWM) and spatial (SWM) working memory, and test their specificity in comparison with other cognitive abilities. Methods: We recorded resting state MEG and used clinical neuropsychological tests to assess working memory performance in 18 volunteers (6 males and 12 females). The other neuropsychological tests of the WAIS-IV were used as control tests to assess the specificity of the correlation patterns with working memory. We calculated means of Power Spectrum Density for different frequency bands (delta, 1-4Hz; theta, 4-8Hz; alpha, 8-13Hz; beta, 13-30Hz; gamma1, 30-59Hz; gamma2, 61-90Hz; gamma3, 90-120Hz; large gamma, 30-120Hz) and correlated MEG power normalised for the maximum in each frequency band at the sensor level with working memory performance. We then grouped the sensors showing a significant correlation by using a cluster algorithm. Results: We found positive correlations between both types of working memory performance and clusters in the bilateral posterior and right fronto-temporal regions for the delta band (r2 =0.73), in the fronto-middle line and right temporal regions for the theta band (r2 =0.63) as well as in the parietal regions for the alpha band (r2 =0.78). Verbal working memory and spatial working memory share a common fronto-parietal cluster of sensors but also show specific clusters. These clusters are specific to working memory, as compared to those obtained for other cognitive abilities and right posterior parietal areas, specially in slow frequencies, appear to be specific to working memory process. Conclusions: Slow frequencies (1-13Hz) but more precisely in delta/theta bands (1-8Hz), recorded at rest with magnetoencephalography, predict working memory performance and support the role of a fronto-parietal network in working memory.

Nonmesonic weak decay of the hypertriton

The nonmesonic decay of the hypertriton is calculated based on a hypertriton wave function and 3N scattering states, which are rigorous solutions of three-body Faddeev equations using realistic NN and hyperon-nucleon interactions. The pion exchange together with heavier meson exchanges for the ¿N¿NN transition is considered. The total nonmesonic decay rate is found to be 0.5% of the free ¿ decay rate. Integrated as well as differential decay rates are given. The p- and n-induced decays are discussed thoroughly and it is shown that the corresponding total rates cannot be measured individually.

Randzonenveränderung beim Bohren und ihre Auswirkung auf Folgebearbeitungsverfahren

In der Praxis kommt es bei der spanenden Bearbeitung immer wieder zu großen Standwegunterschieden identischer Werkzeuge bei vordergründig identischen Bearbeitungsrandbedingungen. Insbesondere bei Fertigungsschritten, die das Bohren als Vorbearbeitung erfordern, kommt es gelegentlich zu atypischen Verschleißerscheinungen, die auf das Entstehen einer Neuhärtezone an der Werkstückoberfläche beim Bohren zurückgeführt werden. Grundsätzlich sind Randzonenveränderungen eine Folge der mechanischen und thermischen Beanspruchung bei der Bearbeitung. Beim Eindringen des Schneidkeils kommt es zu Kornverzerrungen, welche die Werkstückhärte bis in eine Tiefe von 40 bis 80 µm erhöhen können. Überdies wird die Randzone des Werkstücks durch den Bearbeitungsvorgang und den Spantransport erhitzt und durch den Kühlschmierstoff bzw. die so genannte Selbstabschreckung im Anschluss sehr schnell abgekühlt. So kann es in Abhängigkeit der Randbedingungen zu Gefügeänderungen mit härtesteigernder (Sekundärabschreckung) oder härtemindernder (Anlasseffekte) Wirkung kommen. Nicht zuletzt beeinflussen beide Beanspruchungsarten auch das Ausmaß der Eigenspannungen in der Werkstückoberfläche. In dieser Arbeit werden die beim Kernlochbohren erzeugten Randzonenveränderungen sowie die Standzeit von Folgebearbeitungswerkzeugen, wie Gewindebohrern und Gewindeformern, und deren Abhängigkeit vom Verschleißzustand des Kernlochbohrers untersucht. Weiterhin werden mit Hilfe einer Energiebilanz die Anteile herausgefiltert, die primär die Eigenschaften der Bohrungsrandzone beeinflussen. Dies geschieht mit Hilfe einer mathematischen Modellierung des Bohrprozesses, in der die Einflüsse der Schneidkantengeometrie, der Schneidkantenverrundung, der Schneidkantenfase sowie des Freiflächenverschleißes berücksichtigt werden.

Empirische Studien zur subjektiven Verwendung unterrichtlich erworbener ökonomischer Modelle

Diese Arbeit entstand vor dem Hintergrund einer zunehmenden Hinwendung der wissenschaftlichen Didaktiken zum Konstruktivismus und der damit verbundenen Forderung nach schülerzentrierten Lehr- und Lernarrangements. Die Gründe für diese Entwicklung liegen u. a. in der Vorstellung, dass sich Schüler durch eigenes Konstruieren von Problemlösungen intensiver und verständiger mit dem Lernstoff auseinandersetzen. Im Bereich des Wirtschaftslehreunterrichts ergeben sich aufgrund einer nicht unproblematischen Bezugsdisziplin und ihrer begrifflichen Grundlagen Besonderheiten. Diese begründen sich in einem stark an der klassischen Physik angenäherten Grundverständnis der neoklassischen Ökonomik. Hier setzte die Arbeit an einem typischen ökonomischen Konzept, dem Produktlebenszyklus, beispielhaft an. Wenngleich dieser nicht die radikale Stringenz zwischen gesetzten Annahmen und den daraus abgeleiteten logisch wahren Folgerungen aufweist und somit nicht als originär neoklassisches Konzept gelten kann, weist dieser dennoch deutliche Kompatibilitäten zur Machart der Neoklassik auf, wie beispielsweise weit reichende Komplexitätsreduzierungen. Der Umgang mit dem Produktlebenszyklus durch Lernende wird analytisch-experimentell sowie interpretativ in den didaktischen Spannungsfeldern von Instruktion und Konstruktion untersucht. Im Rahmen einer Schulbuchanalyse konnte gezeigt werden, dass die Leistungsfähigkeit des Produktlebenszyklus in den Lehrwerken durch besonders plausible Beispiele und einen auf Instruktionen setzenden Vermittlungsstil besonders deutlich hervorgehoben wird, obwohl dies empirisch nicht haltbar ist. Dies wirkt verengend auf die differenzierte Wahrnehmung von Märkten und Produkten, wie in Testreihen mit angehenden Wirtschaftslehrern gezeigt werden konnte. Diese Experimente machten am Beispiel des Produktlebenszyklus deutlich, wie prägend instruierende und plausibilisierende Unterrichte wirken können, wenn die behandelten Modelle einen plausiblen Kern haben. Trotz offensichtlicher Inkompatibilitäten zur Realität verteidigten die Probanden mehrheitlich das Modell und immunisierten es gegen Kritik. Eine zweite, stärker auf Konstruktionen setzende Experimentreihe konnte diese Haltung zwar aufweichen und legte den Grundstein für einen konstruktiv-kritischen Umgang mit dem Produktlebenszyklus. Es wurde allerdings auch hier deutlich, welch große Hürde es darstellt, durch instruierende und plausibilisierende Unterrichte erworbene Schemata später noch zu korrigieren. Aus diesen Befunden wurden Empfehlungen für die wesentlichen an der Lehrerausbildung beteiligten Institutionen abgeleitet.

20. Theorietag der GI-Fachgruppe "Automaten und Formale Sprachen''

Die Fachgruppe AFS (früher Fachgruppe 0.1.5) der Gesellschaft für Informatik veranstaltet seit 1991 einmal im Jahr ein Treffen der Fachgruppe im Rahmen eines Theorietags, der traditionell eineinhalb Tage dauert. Seit dem Jahr 1996 wird dem eigentlichen Theorietag noch ein eintägiger Workshop zu speziellen Themen der theoretischen Informatik vorangestellt. In diesem Jahr wurde der Theorietag vom Fachgebiet "Theoretische Informatik" des Fachbereichs Elektrotechnik/Informatik der Universität Kassel organisiert. Er fand vom 29.9. bis 1.10.2010 in Baunatal bei Kassel statt. Dabei stand der begleitende Workshop unter dem allgemeinen Thema "Ausgewählte Themen der Theoretischen Informatik". Als Vortragende für diesen Workshop konnten Carsten Damm (Göttingen), Markus Holzer (Giessen), Peter Leupold (Kassel), Martin Plátek (Prag) und Heribert Vollmer (Hannover) gewonnen werden. Das Programm des eigentlichen Theorietags bestand aus 20 Vorträgen sowie der Sitzung der Fachgruppe AFS. In diesem Band finden sich die Zusammenfassungen aller Vorträge sowohl des Workshops als auch des Theorietags. Desweiteren enthält er das Programm und die Liste aller Teilnehmer.

Translation Invariance in Object Recognition, and Its Relation to Other Visual Transformations

Human object recognition is generally considered to tolerate changes of the stimulus position in the visual field. A number of recent studies, however, have cast doubt on the completeness of translation invariance. In a new series of experiments we tried to investigate whether positional specificity of short-term memory is a general property of visual perception. We tested same/different discrimination of computer graphics models that were displayed at the same or at different locations of the visual field, and found complete translation invariance, regardless of the similarity of the animals and irrespective of direction and size of the displacement (Exp. 1 and 2). Decisions were strongly biased towards same decisions if stimuli appeared at a constant location, while after translation subjects displayed a tendency towards different decisions. Even if the spatial order of animal limbs was randomized ("scrambled animals"), no deteriorating effect of shifts in the field of view could be detected (Exp. 3). However, if the influence of single features was reduced (Exp. 4 and 5) small but significant effects of translation could be obtained. Under conditions that do not reveal an influence of translation, rotation in depth strongly interferes with recognition (Exp. 6). Changes of stimulus size did not reduce performance (Exp. 7). Tolerance to these object transformations seems to rely on different brain mechanisms, with translation and scale invariance being achieved in principle, while rotation invariance is not.