Le sommeil comme marqueur du déclin cognitif dans la maladie de Parkinson

La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative qui se caractérise principalement par la présence de symptômes moteurs. Cependant, d’autres symptômes, dits non moteurs, sont fréquents dans la MP et assombrissent le pronostic; ceux ci incluent notamment les désordres du sommeil et les troubles cognitifs. De fait, sur une période de plus de 10 ans, jusqu’à 90 % des patients avec la MP développeraient une démence. L’identification de marqueurs de la démence dans la MP est donc primordiale pour permettre le diagnostic précoce et favoriser le développement d’approches thérapeutiques préventives. Plusieurs études ont mis en évidence la contribution du sommeil dans les processus de plasticité cérébrale, d’apprentissage et de consolidation mnésique, notamment l’importance des ondes lentes (OL) et des fuseaux de sommeil (FS). Très peu de travaux se sont intéressés aux liens entre les modifications de la microarchitecture du sommeil et le déclin cognitif dans la MP. L’objectif de cette thèse est de déterminer, sur le plan longitudinal, si certains marqueurs électroencéphalographiques (EEG) en sommeil peuvent prédire la progression vers la démence chez des patients atteints de la MP. La première étude a évalué les caractéristiques des OL et des FS durant le sommeil lent chez les patients avec la MP selon qu’ils ont développé ou non une démence (MP démence vs MP sans démence) lors du suivi longitudinal, ainsi que chez des sujets contrôles en santé. Comparativement aux patients MP sans démence et aux sujets contrôles, les patients MP démence présentaient au temps de base une diminution de la densité, de l’amplitude et de la fréquence des FS. La diminution de l’amplitude des FS dans les régions postérieures était associée à de moins bonnes performances aux tâches visuospatiales chez les patients MP démence. Bien que l’amplitude des OL soit diminuée chez les deux groupes de patients avec la MP, celle ci n’était pas associée au statut cognitif lors du suivi. La deuxième étude a évalué les marqueurs spectraux du développement de la démence dans la MP à l’aide de l’analyse quantifiée de l’EEG en sommeil lent, en sommeil paradoxal et à l’éveil. Les patients MP démence présentaient une diminution de la puissance spectrale sigma durant le sommeil lent dans les régions pariétales comparativement aux patients MP sans démence et aux contrôles. Durant le sommeil paradoxal, l’augmentation de la puissance spectrale en delta et en thêta, de même qu’un plus grand ratio de ralentissement de l’EEG, caractérisé par un rapport plus élevé des basses fréquences sur les hautes fréquences, était associée au développement de la démence chez les patients avec la MP. D’ailleurs, dans la cohorte de patients, un plus grand ralentissement de l’EEG en sommeil paradoxal dans les régions temporo occipitales était associé à des performances cognitives moindres aux épreuves visuospatiales. Enfin, durant l’éveil, les patients MP démence présentaient au temps de base une augmentation de la puissance spectrale delta, un plus grand ratio de ralentissement de l’EEG ainsi qu’une diminution de la fréquence dominante occipitale alpha comparativement aux patients MP sans démence et aux contrôles. Cette thèse suggère que des anomalies EEG spécifiques durant le sommeil et l’éveil peuvent identifier les patients avec la MP qui vont développer une démence quelques années plus tard. L’activité des FS, ainsi que le ralentissement de l’EEG en sommeil paradoxal et à l’éveil, pourraient donc servir de marqueurs potentiels du développement de la démence dans la MP.

Mémoire de source, propension à halluciner et psychose : identification de marqueurs cognitifs et cliniques chez une population à haut risque génétique

Les déficits cognitifs sont centraux à la psychose et sont observables plusieurs années avant le premier épisode psychotique. L’atteinte de la mémoire épisodique est fréquemment identifiée comme une des plus sévères, tant chez les patients qu’avant l’apparition de la pathologie chez des populations à risque. Chez les patients psychotiques, l’étude neuropsychologique des processus mnésiques a permis de mieux comprendre l’origine de cette atteinte. Une altération des processus de mémoire de source qui permettent d’associer un souvenir à son origine a ainsi été identifiée et a été associée aux symptômes positifs de psychose, principalement aux hallucinations. La mémoire de source de même que la présence de symptômes sous-cliniques n’ont pourtant jamais été investiguées avant l’apparition de la maladie chez une population à haut risque génétique de psychose (HRG). Or, leur étude permettrait de voir si les déficits en mémoire de source de même que le vécu d’expériences hallucinatoires sont associés à l’apparition de la psychose ou s’ils en précèdent l’émergence, constituant alors des indicateurs précoces de pathologie. Afin d’étudier cette question, trois principaux objectifs ont été poursuivis par la présente thèse : 1) caractériser le fonctionnement de la mémoire de source chez une population HRG afin d’observer si une atteinte de ce processus précède l’apparition de la maladie, 2) évaluer si des manifestations sous-cliniques de symptômes psychotiques, soit les expériences hallucinatoires, sont identifiables chez une population à risque et 3) investiguer si un lien est présent entre le fonctionnement en mémoire de source et la symptomatologie sous-clinique chez une population à risque, à l’instar de ce qui est documenté chez les patients. Les résultats de la thèse ont permis de démontrer que les HRG présentent une atteinte de la mémoire de source ciblée à l’attribution du contexte temporel des souvenirs, ainsi que des distorsions mnésiques qui se manifestent par une fragmentation des souvenirs et par une défaillance de la métacognition en mémoire. Il a également été observé que les expériences hallucinatoires sous-cliniques étaient plus fréquentes chez les HRG. Des associations ont été documentées entre certaines distorsions en mémoire et la propension à halluciner. Ces résultats permettent d’identifier de nouveaux indicateurs cliniques et cognitifs du risque de développer une psychose et permettent de soulever des hypothèses liant l’attribution de la source interne-externe de l’information et le développement de la maladie. Les implications empiriques, théoriques, méthodologiques et cliniques de la thèse sont discutées.

Implication du domaine intracellulaire du précurseur de la protéine amyloïde dans la modulation de la plasticité synaptique

Alzheimer's disease is the most common type of dementia in the elderly; it is characterized by early deficits in learning and memory formation and ultimately leads to a generalised loss of higher cognitive functions. While amyloid beta (Aβ) and tau are traditionally associated with the development of Alzheimer disease, recent studies suggest that other factors, like the intracellular domain (APP-ICD) of the amyloid precursor protein (APP), could play a role. In this study, we investigated whether APP-ICD could affect synaptic transmission and synaptic plasticity in the hippocampus, which is involved in learning and memory processes. Our results indicated that overexpression of APP-ICD in hippocampal CA1 neurons leads to a decrease in evoked AMPA-receptor and NMDA-receptor dependent synaptic transmission. Our study demonstrated that this effect is specific for APP-ICD since its closest homologue APLP2-ICD did not reproduce this effect. In addition, APP-ICD blocks the induction of long term potentiation (LTP) and leads to increased of expression and facilitated induction of long term depression (LTD), while APLP2-ICD shows neither of these effects. Our study showed that this difference observed in synaptic transmission and plasticity between the two intracellular domains resides in the difference of one alanine in the APP-ICD versus a proline in the APLP2-ICD. Exchanging this critical amino-acid through point-mutation, we observed that APP(PAV)-ICD had no longer an effect on synaptic plasticity. We also demonstrated that APLP2(AAV)-ICD mimic the effect of APP-ICD in regards of facilitated LTD. Next we showed that the full length APP-APLP2-APP (APP with a substitution of the Aβ component for its homologous APLP2 part) had no effect on synaptic transmission or synaptic plasticity when compared to the APP-ICD. However, by activating caspase cleavage prior to induction of LTD or LTP, we observed an LTD facilitation and a block of LTP with APP-APLP2-APP, effects that were not seen with the full length APLP2 protein. APP is phosphorylated at threonine 668 (Thr668), which is localized directly after the aforementioned critical alanine and the caspase cleavage site in APP-APLP2-APP. Mutating this Thr668 for an alanine abolishes the effects on LTD and restores LTP induction. Finally, we showed that the facilitation of LTD with APP-APLP2-APP involves ryanodine receptor dependent calcium release from intracellular stores. Taken together, we propose the emergence of a new APP intracellular domain, which plays a critical role in the regulation of synaptic plasticity and by extension, could play a role in the development of memory loss in Alzheimer’s disease.

Le sommeil comme marqueur du déclin cognitif dans la maladie de Parkinson

La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative qui se caractérise principalement par la présence de symptômes moteurs. Cependant, d’autres symptômes, dits non moteurs, sont fréquents dans la MP et assombrissent le pronostic; ceux ci incluent notamment les désordres du sommeil et les troubles cognitifs. De fait, sur une période de plus de 10 ans, jusqu’à 90 % des patients avec la MP développeraient une démence. L’identification de marqueurs de la démence dans la MP est donc primordiale pour permettre le diagnostic précoce et favoriser le développement d’approches thérapeutiques préventives. Plusieurs études ont mis en évidence la contribution du sommeil dans les processus de plasticité cérébrale, d’apprentissage et de consolidation mnésique, notamment l’importance des ondes lentes (OL) et des fuseaux de sommeil (FS). Très peu de travaux se sont intéressés aux liens entre les modifications de la microarchitecture du sommeil et le déclin cognitif dans la MP. L’objectif de cette thèse est de déterminer, sur le plan longitudinal, si certains marqueurs électroencéphalographiques (EEG) en sommeil peuvent prédire la progression vers la démence chez des patients atteints de la MP. La première étude a évalué les caractéristiques des OL et des FS durant le sommeil lent chez les patients avec la MP selon qu’ils ont développé ou non une démence (MP démence vs MP sans démence) lors du suivi longitudinal, ainsi que chez des sujets contrôles en santé. Comparativement aux patients MP sans démence et aux sujets contrôles, les patients MP démence présentaient au temps de base une diminution de la densité, de l’amplitude et de la fréquence des FS. La diminution de l’amplitude des FS dans les régions postérieures était associée à de moins bonnes performances aux tâches visuospatiales chez les patients MP démence. Bien que l’amplitude des OL soit diminuée chez les deux groupes de patients avec la MP, celle ci n’était pas associée au statut cognitif lors du suivi. La deuxième étude a évalué les marqueurs spectraux du développement de la démence dans la MP à l’aide de l’analyse quantifiée de l’EEG en sommeil lent, en sommeil paradoxal et à l’éveil. Les patients MP démence présentaient une diminution de la puissance spectrale sigma durant le sommeil lent dans les régions pariétales comparativement aux patients MP sans démence et aux contrôles. Durant le sommeil paradoxal, l’augmentation de la puissance spectrale en delta et en thêta, de même qu’un plus grand ratio de ralentissement de l’EEG, caractérisé par un rapport plus élevé des basses fréquences sur les hautes fréquences, était associée au développement de la démence chez les patients avec la MP. D’ailleurs, dans la cohorte de patients, un plus grand ralentissement de l’EEG en sommeil paradoxal dans les régions temporo occipitales était associé à des performances cognitives moindres aux épreuves visuospatiales. Enfin, durant l’éveil, les patients MP démence présentaient au temps de base une augmentation de la puissance spectrale delta, un plus grand ratio de ralentissement de l’EEG ainsi qu’une diminution de la fréquence dominante occipitale alpha comparativement aux patients MP sans démence et aux contrôles. Cette thèse suggère que des anomalies EEG spécifiques durant le sommeil et l’éveil peuvent identifier les patients avec la MP qui vont développer une démence quelques années plus tard. L’activité des FS, ainsi que le ralentissement de l’EEG en sommeil paradoxal et à l’éveil, pourraient donc servir de marqueurs potentiels du développement de la démence dans la MP.

Random perturbations of stochastic processes with unbounded variable length memory

We consider binary infinite order stochastic chains perturbed by a random noise. This means that at each time step, the value assumed by the chain can be randomly and independently flipped with a small fixed probability. We show that the transition probabilities of the perturbed chain are uniformly close to the corresponding transition probabilities of the original chain. As a consequence, in the case of stochastic chains with unbounded but otherwise finite variable length memory, we show that it is possible to recover the context tree of the original chain, using a suitable version of the algorithm Context, provided that the noise is small enough.

Incorporating memory effects in phase separation processes

We consider the modification of the Cahn-Hilliard equation when a time delay process through a memory function is taken into account. We then study the process of spinodal decomposition in fast phase transitions associated with a conserved order parameter. Finite-time memory effects are seen to affect the dynamics of phase transition at short times and have the effect of delaying, in a significant way, the process of rapid growth of the order parameter that follows a quench into the spinodal region. These effects are important in several systems characterized by fast processes, like non-equilibrium dynamics in the early universe and in relativistic heavy-ion collisions. (C) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

The assessment of visual short-term memory in considering the underlying processes and their relation to psychometric intelligence

By means of fixed-links modeling the present study assessed processes involved in visual short-term memory functioning and investigates how these processes are related to intelligence. Using a color change detection task, short-term memory demands increased across three experimental conditions as a function of number of presented stimuli. We measured amount of information retained in visual short-term memory by hit rate as well as speed of visual short-term memory scanning by reaction time. For both measures, fixed-links modeling revealed a constant process reflecting processes irrespective of task manipulation as well as two increasing processes reflecting the increasing short-term memory demands. For visual short-term memory scanning, a negative association between intelligence and the constant process was found but no relationship between intelligence and the increasing processes. Thus, basic processing speed, rather than speed influenced by visual short-term memory demands, differentiates between high- and low-intelligent individuals. Intelligence was positively related to the experimental processes of shortterm memory retention but not to the constant process. In sum, significant associations with intelligence were only obtained when the specific processes of short-term memory were decomposed emphasizing the importance of a thorough assessment of cognitive processes when investigating their relation to intelligence.

Children's deliberate memory development: The contribution of strategies and metacognitive processes

This chapter focus is laid on the development of memory skills when children are confronted with a task or a situation in which learning or remembering certain target information is crucial. It presents important milestones toward self-regulated learning skills. The chapter discusses precursors of later strategic behaviors and metacognitive skills, the distinct research methods suitable to assessing early indicators of deliberate memory skills, as well as their importance for the emerging memory skills. It outlines the challenges arising from the application of deliberate memory skills in naturalistic, complex task contexts. The chapter adopted an explicit developmental perspective of memory strategies and metacognition in deliberate memory situations.

Functional neuroanatomical double dissociation of mnemonic and executive control processes contributing to working memory performance

We used event-related functional MRI to investigate the neural bases of two categories of mental processes believed to contribute to performance of an alphabetization working memory task: memory storage and memory manipulation. Our delayed-response tasks required memory for the identity and position-in-the-display of items in two- or five-letter memory sets (to identify load-sensitive regions) or memory for the identity and relative position-in-the-alphabet of items in five-letter memory sets (to identify manipulation-sensitive regions). Results revealed voxels in the left perisylvian cortex of five of five subjects showing load sensitivity (as contrasted with alphabetization-sensitive voxels in this region in only one subject) and voxels of dorsolateral prefrontal cortex in all subjects showing alphabetization sensitivity (as contrasted with load-sensitive voxels in this region in two subjects). This double dissociation was reliable at the group level. These data are consistent with the hypothesis that the nonmnemonic executive control processes that can contribute to working memory function are primarily prefrontal cortex-mediated whereas mnemonic processes necessary for working memory storage are primarily posteriorly mediated. More broadly, they support the view that working memory is a faculty that arises from the coordinated interaction of computationally and neuroanatomically dissociable processes.

Memory for object features versus memory for object location: a positron-emission tomography study of encoding and retrieval processes.

Regional cerebral blood flow was measured with positron-emission tomography during two encoding and two retrieval tasks that were designed to compare memory for object features with memory for object locations. Bilateral increases in regional cerebral blood flow were observed in both anterior and posterior regions of inferior temporal cortex and in ventral regions of prestriate cortex, when the condition that required retrieval of object locations was subtracted from the condition that required retrieval of object features. During encoding, these changes were less pronounced and were restricted to the left inferior temporal cortex and right ventral prestriate cortex. In contrast, both encoding and retrieval of object location were associated with bilateral changes in dorsal prestriate and posterior parietal cortex. Finally, the two encoding conditions activated left frontal lobe regions preferentially, whereas the two retrieval conditions activated right frontal lobe regions. These findings confirm that, in human subjects, memory for object features is mediated by a distributed system that includes ventral prestriate cortex and both anterior and posterior regions of the inferior temporal gyrus. In contrast, memory for the locations of objects appears to be mediated by an anatomically distinct system that includes more dorsal regions of prestriate cortex and posterior regions of the parietal lobe.

Retrieval of implicit inhibitory processes:the impact of visual field, object-identity, and memory dynamics

After exogenously cueing attention to a peripheral location, the return of attention and response to the location can be inhibited. We demonstrate that these inhibitory mechanisms of attention can be associated with objects and can be automatically and implicitly retrieved over relatively long periods. Furthermore, we also show that when face stimuli are associated with inhibition, the effect is more robust for faces presented in the left visual field. This effect can be even more spatially specific, where most robust inhibition is obtained for faces presented in the upper as compared to the lower visual field. Finally, it is revealed that the inhibition is associated with an object’s identity, as inhibition moves with an object to a new location; and that the retrieved inhibition is only transiently present after retrieval.

Dual processes in recognition: Does a focus on measurement operations provide a sufficient foundation?

Current theoretical thinking about dual processes in recognition relies heavily on the measurement operations embodied within the process dissociation procedure. We critically evaluate the ability of this procedure to support this theoretical enterprise. We show that there are alternative processes that would produce a rough invariance in familiarity (a key prediction of the dual-processing approach) and that the process dissociation procedure does not have the power to differentiate between these alternative possibilities. We also show that attempts to relate parameters estimated by the process dissociation procedure to subjective reports (remember-know judgments) cannot differentiate between alternative dual-processing models and that there are problems with some of the historical evidence and with obtaining converging evidence. Our conclusion is that more specific theories incorporating ideas about representation and process are required.