Le sommeil est un état de conscience faisant preuve d’un vaste potentiel au niveau clinique. Par exemple, le sommeil est devenu un outil dans le diagnostic précoce de certains processus dégénératifs au sein du cerveau, ainsi que dans le traitement de différents troubles physiologique et psychologiques. Son potentiel pourrait même être augmenté via la stimulation cérébrale. Bien que le cerveau soit un centre de communication majeur, la recherche en sommeil s’est principalement centrée sur des mesures statiques du sommeil. L’étude des patrons de communication entre les différentes régions du cerveau nous permet pourtant d’inférer sur leur utilité fonctionnelle chez l’humain. Et si ces patrons de communication permettaient une compréhension plus intégrée des changements du sommeil à travers la vie et de leurs conséquences au cours du vieillissement? Cette thèse permet d’étudier, sous un angle dynamique et novateur, l’interaction de l’activité neuronale et la modulation expérimentale du sommeil au cours du vieillissement normal. À l’aide de l’électroencéphalographie, la connectivité fonctionnelle cérébrale est évaluée à l’échelle des stades et des cycles de sommeil, de l’onde lente elle-même, ainsi que sous une perspective expérimentale grâce à la stimulation transcrânienne par courant alternatif. Les résultats des deux premières études démontrent les changements au niveau de la connectivité cérébrale en sommeil au cours du vieillissement, tandis que la troisième étude démontre la possibilité de moduler cette connectivité, ainsi que les oscillations cérébrales, chez la population âgée. À l’échelle des stades de sommeil, le cerveau des personnes âgées est plus connecté lors du sommeil lent profond et moins connecté lors du sommeil lent léger, comparativement aux jeunes adultes. Ces différences d’âge sont d’ailleurs plus importantes en début de nuit. Nos résultats démontrent aussi une diminution de connectivité associée à la phase de dépolarisation de l’onde lente chez la population âgée, comparativement aux jeunes adultes. Chez ces derniers, une augmentation marquée de la connectivité pendant l’onde lente est observée. La connectivité au cours de l’onde lente est aussi affectée par la présence d’un fuseau de sommeil en simultané, suggérant soit le mixte de leurs réseaux ou la mise en place de ceux du fuseau. Nous démontrons également, grâce à l’utilisation de métriques novatrices, la présence de deux types d’ondes lentes avec une dynamique de connectivité qui leur est propre, suggérant qu’elles soient impliquées dans des processus fonctionnels distincts. Pendant une sieste, l’utilisation de la stimulation transcrânienne par courant alternatif a aussi permis de moduler les fuseaux de sommeil, leur couplage avec l’onde lente ainsi que la connectivité fonctionnelle des individus âgés. Ces résultats, bien que modestes, démontrent l’aspect prometteur de la modulation non-pharmacologique du sommeil. Non seulement cette thèse fournit une vision intégrée des changements de connectivité fonctionnelle au cours du vieillissement, mais elle démontre qu’il est possible de moduler le sommeil des personnes âgées à des fins ultimement thérapeutiques. Le manque de flexibilité des différents réseaux des personnes âgées pourrait être à la base, entre autres, des changements au niveau de la consolidation de la mémoire. Les implications de nos résultats pourraient être pertinentes à l’étude des processus de plasticité ayant lieu au cours du sommeil. / Sleep is a state of consciousness which shows a great potential in the clinical field. For instance, sleep has become a tool in the early diagnosis of certain neurodegenerative processes, as well as in the treatment of various physiological and psychological disorders. Its potential could even be increased via brain stimulation. Although the brain is a major communication center, sleep research has mainly focused on static measures of sleep. The study of the patterns of communication between the different regions of the brain nevertheless allows us to infer on their functional utility in humans. What if these patterns of communication allowed a more integrated understanding of sleep changes throughout life and their consequences during aging? This thesis investigates, from an innovative and dynamic angle, the interaction of neuronal activity and experimental modulation of sleep in normal aging. Using electroencephalography, functional connectivity is assessed at the scale of sleep stages and cycles, at the scale of the slow wave itself, and from an experimental perspective using the transcranial alternating current stimulation. The results in our first two studies demonstrate changes in EEG functional connectivity during sleep in aging while our third study showed the possibility of experimentally modulating functional connectivity as well as brain oscillations in the same population. At the sleep stage scale, the brain of older individuals is more connected during slow wave sleep and less connected during lighter sleep, compared to young adults. These age differences are predominant at the beginning of the night. Our results also demonstrate a decrease in functional connectivity associated with the slow wave depolarization phase in older individuals. In the young ones, brain connectivity associated to a slow wave is markedly increased. Functional connectivity during slow wave depolarization is also affected by the simultaneous presence of sleep spindles, suggesting either the admixture of their networks or the establishment of those underlying spindle occurrence. We also demonstrate, through the use of novel metrics, the presence of two types of slow waves, each endowed with specific connectivity dynamics. This suggests the presence of distinct functional implications. These slow waves types could also be inherently modulated by distinct physiological processes. During a nap, the use of transcranial alternating current stimulation has made it possible to experimentally modulate sleep spindles, their coupling with the slow waves, and functional connectivity in older individuals. These results, although modest, demonstrate the promising aspect of non-pharmacological sleep modulation. This thesis provides an integrated view of functional connectivity changes in aging and also demonstrates the feasibility of experimental sleep modulation in older individuals. The lack of network flexibility that we described in the older population in term of connectivity could underlie changes in sleep-dependent memory consolidation processes. The implications of our results is relevant to the study of sleep-dependent plasticity processes.

Le but principal de cette thèse était de mieux comprendre la relation entre le déploiement de l’attention visuo-spatiale et la réponse lors de la recherche visuelle. Nous avons combiné des mesures de chronométrie mentale (les temps de réponse; TR) et d’électrophysiologie, permettant le suivi du décours temporel des évènements et la séparation des processus en sous-phases. Trois études ont été effectuées. Dans les deux premières études, la N2pc, un potentiel relié à un événement (PRE), a été utilisé comme indice électrophysiologique de l’attention visuelle vers un stimulus latéral lors d’une tâche de recherche visuelle ayant une cible facilement repérable (qui saute aux yeux) parmi des distracteurs. Cette composante est caractérisée, en électrophysiologie, par une plus grande négativité environ 200 ms suivant la présentation de la stimulation aux sites postérieurs et controlatéraux du champ visuel ciblé. Dans la première étude, la relation entre la composante N2pc et la réponse a été examinée. Pour ce faire, les données électrophysiologiques ont été scindées selon le TR médian. La N2pc était plus ample pour les essais et les participants plus rapides comparés à ceux qui étaient plus lents, suggérant qu’un déploiement attentionnel plus efficace (N2pc plus ample) avait accéléré les processus subséquents (TR plus court). Dans l’étude 2, le traitement depuis le moment du déploiement attentionnel jusqu’à la réponse a été élucidé en examinant le déclenchement de la N2pc par rapport à la réponse et non au stimulus (ce qui est plus utilisé dans les paradigmes classiques). Nous avons été les premiers à utiliser la RLpcN (response-locked posterior contralateral negativity), composée de la composante N2pc et la SPCN (une composante suivant la N2pc reflétant le traitement en mémoire visuelle à court terme). Les résultats ont démontré une augmentation du temps entre le début de la RLpcN et la réponse pour les TR plus lents, reflétant un traitement plus long suivant le déploiement de l’attention spatiale. Nous avons par la suite utilisé cette composante (la RLpcN) pour étudier la recherche visuelle difficile (Étude 3), où la cible n’était pas facilement identifiable parmi des distracteurs, à l’aide de manipulations expérimentales modulant la RLpcN, soit le nombre d’items et de réponses possibles. Plus il y avait d’items dans le champ visuel ou de possibilités de réponses, plus longue était la durée entre le début de la RLpcN et la réponse, démontrant ainsi qu’il est possible d’observer l’activité associée avec les processus sous-jacents à ces manipulations lors d’une recherche difficile. En somme, nous avons montré (1) qu’un déploiement attentionnel plus efficace accélère les processus subséquents, (2) que le traitement déterminant les TR se produit, en majorité, suivant le déploiement de l’attention et, enfin, (3) qu’il est possible d’identifier des marqueurs électrophysiologiques de la sélection de la cible ainsi que de la réponse lors d’une recherche difficile. Dans l’ensemble, les résultats des études constituant la présente thèse vont au-delà des études électrophysiologiques de recherche visuelle typiques, qui utilisent généralement des cibles qui sautent aux yeux, et élucident le décours temporel du traitement lors de recherches plus complexes. / The overarching thesis was to understand better the relationship between the deployment of visual spatial attention and the eventual response during visual search. We combined mental chronometry with electrophysiological measures, allowing us to track the temporal sequence of events and bisect processing into sub-phases. The two first studies used the N2pc, an event-related potential (ERP) component, as an electrophysiological marker of visual attention to laterally presented stimuli using a pop-out (i.e., the target stands out) visual search task. The N2pc is characterised by an enhanced negativity emerging around 200 ms after the display onset at posterior sites contralateral to the attended visual field. In Study 1, we first evaluated the relationship between the N2pc component and the moment of response. Electrophysiological data were split according to the response time (RT) median. The N2pc was larger for both fast compared with slow trials and participants, suggesting that a more efficient deployment of attention (larger N2pc) sped up downstream processing (shorter RTs). In Study 2, processing from the deployment of attention to the response was elucidated by examining N2pc onset relative to the response instead of to the display onset. We pioneered the use of the RLpcN (response-locked contralateral negativity), composed of the N2pc and the SPCN (a component following the N2pc and reflecting processing of task-relevant stimuli in visual short-term memory). Importantly, more time passed between RLpcN onset and the response for longer RTs, reflecting more processing time following the onset of visual spatial attention. We then used this component to study difficult search (Study 3), where the target was not easily located, using experimental manipulations designed to modulate the RLpcN. We showed that when there were more items present in the visual field or response selection was more difficult, there was a longer duration between RLpcN onset and the response, demonstrating that it is possible to observe activity associated with specific processes during difficult visual search. In summary, we provide evidence that (1) a more efficient deployment of attention speeds up downstream processing, (2) processing determining RTs occurs, in majority, following the deployment of attention, and (3) it is possible to identify electrophysiological markers of target and response selection during difficult search. Together, the results of these experiments go beyond typical electrophysiological experiments of visual search, which use pop-out targets, and elucidate the time course of processing during more complex search.

La stimulation magnétique transcrânienne répétée (SMTr) est une technique de neuromodulation utilisée dans le traitement de la dépression majeure. La stimulation thêta-burst intermittente (STBi), une forme spécifique de SMTr, bénéficie d’un temps de stimulation plus court. Ses mécanismes d’action et sa durée optimale de stimulation restent toutefois inconnus. En effet, en clinique, la durée standard de STBi tend à être allongée dans l’espoir d’augmenter les effets thérapeutiques. Cette hypothèse n’a cependant jamais été vérifiée empiriquement. Le présent mémoire vise ainsi à mieux comprendre les mécanismes neuronaux de la STBi du cortex dorsolatéral préfrontal gauche et à déterminer la durée optimale de stimulation parmi les trois durées les plus fréquemment utilisées : 600 (standard), 1200 et 1800 impulsions. La question est explorée chez 14 participants neurotypiques. Chaque participant a pris part aux trois conditions expérimentales lors de trois sessions distinctes. L’activité cérébrale induite a été mesurée par l’utilisation combinée de la stimulation magnétique transcrânienne et l’électroencéphalographie, via les potentiels évoqués par la SMT (PÉS) et les perturbations spectrales liées à l’évènement (PSLE). Ces mesures ont été comparées avant et après chaque condition à l’aide d’un modèle linéaire mixte. Pour l’ensemble des mesures de l’activité corticale, aucune différence significative n’a été obtenue entre les trois durées. Spécifiquement, la STBi a induit une réduction de l’amplitude de la majorité des PÉS et des PSLE de la bande thêta. Ainsi, le protocole STBi standard engendre une modification de l’activité cérébrale comparable aux durées prolongées, dénotant l’importance de répliquer cette étude auprès d’une population clinique. / Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is a neuromodulation technique used as a treatment of major depressive disorder. Intermittent theta burst stimulation (iTBS), a specific kind of rTMS, offers a reduced stimulation duration. Yet, its mechanism of action and optimal duration are still largely unknown. In clinical settings, standard duration is often increased with the expectation of increasing therapeutic effects. However, this hypothesis has never been tested. This master thesis aims to provide better understanding of neuronal mechanism associated with iTBS on the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) of healthy participants and to determine the optimal stimulation duration over the three more commonly used durations in clinical practice: 600 (standard), 1,200 and 1,800 pulses. This was explored in 14 neurotypical participants who experienced each of the three conditions during three different sessions. The induced brain activity was measured combining transcranial magnetic stimulation and electroencephalography, via TMS evoked potentials (TEP) and event-related spectral perturbation (ERSP). These measures were compared before and after each condition using a mixed linear model. For the three durations, no significant difference was found in all cortical activity measures. Specifically, after iTBS, the amplitude of most of the TEPs, as well as of the ERSP of theta band, are reduced. Therefore, the iTBS standard protocol induces a modification of cortical activity which is similar to longer durations, showing the importance of replicating this study on a clinical population.

Environ 25% de la population mondiale est atteinte de troubles psychiatriques qui sont typiquement associés à des problèmes comportementaux, fonctionnels et/ou cognitifs et dont les corrélats neurophysiologiques sont encore très mal compris. Non seulement ces dysfonctionnements réduisent la qualité de vie des individus touchés, mais ils peuvent aussi devenir un fardeau pour les proches et peser lourd dans l’économie d’une société. Cibler les mécanismes responsables du fonctionnement atypique du cerveau en identifiant des biomarqueurs plus robustes permettrait le développement de traitements plus efficaces. Ainsi, le premier objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure caractérisation des changements dynamiques cérébraux impliqués dans les troubles mentaux, plus précisément dans la schizophrénie et les troubles d’humeur. Pour ce faire, les premiers chapitres de cette thèse présentent, en intégral, deux revues de littératures systématiques que nous avons menées sur les altérations de connectivité cérébrale, au repos, chez les patients schizophrènes, dépressifs et bipolaires. Ces revues révèlent que, malgré des avancées scientifiques considérables dans l’étude de l’altération de la connectivité cérébrale fonctionnelle, la dimension temporelle des mécanismes cérébraux à l’origine de l’atteinte de l’intégration de l’information dans ces maladies, particulièrement de la schizophrénie, est encore mal comprise. Par conséquent, le deuxième objectif de cette thèse est de caractériser les changements cérébraux associés à la schizophrénie dans le domaine temporel. Nous présentons deux études dans lesquelles nous testons l’hypothèse que la « disconnectivité temporelle » serait un biomarqueur important en schizophrénie. Ces études explorent les déficits d’intégration temporelle en schizophrénie, en quantifiant les changements de la dynamique neuronale dite invariante d’échelle à partir des données magnétoencéphalographiques (MEG) enregistrés au repos chez des patients et des sujets contrôles. En particulier, nous utilisons (1) la LRTCs (long-range temporal correlation, ou corrélation temporelle à longue-distance) calculée à partir des oscillations neuronales et (2) des analyses multifractales pour caractériser des modifications de l’activité cérébrale arythmique. Par ailleurs, nous développons des modèles de classification (en apprentissage-machine supervisé) pour mieux cerner les attributs corticaux et sous-corticaux permettant une distinction robuste entre les patients et les sujets sains. Vu que ces études se basent sur des données MEG spontanées enregistrées au repos soit avec les yeux ouvert, ou les yeux fermées, nous nous sommes par la suite intéressés à la possibilité de trouver un marqueur qui combinerait ces enregistrements. La troisième étude originale explore donc l’utilité des modulations de l’amplitude spectrale entre yeux ouverts et fermées comme prédicteur de schizophrénie. Les résultats de ces études démontrent des changements cérébraux importants chez les patients schizophrènes au niveau de la dynamique d’invariance d’échelle. Elles suggèrent une dégradation du traitement temporel de l’information chez les patients, qui pourrait être liée à leurs symptômes cognitifs et comportementaux. L’approche multimodale de cette thèse, combinant la magétoencéphalographie, analyses non-linéaires et apprentissage machine, permet de mieux caractériser l’organisation spatio-temporelle du signal cérébrale au repos chez les patients atteints de schizophrénie et chez des individus sains. Les résultats fournissent de nouvelles preuves supportant l’hypothèse d’une « disconnectivité temporelle » en schizophrénie, et étendent les recherches antérieures, en explorant la contribution des structures cérébrales profondes et en employant des mesures non-linéaires avancées encore sous-exploitées dans ce domaine. L’ensemble des résultats de cette thèse apporte une contribution significative à la quête de nouveaux biomarqueurs de la schizophrénie et démontre l’importance d’élucider les altérations des propriétés temporelles de l’activité cérébrales intrinsèque en psychiatrie. Les études présentées offrent également un cadre méthodologique pouvant être étendu à d’autres psychopathologie, telles que la dépression. / Psychiatric disorders affect nearly a quarter of the world’s population. These typically bring about debilitating behavioural, functional and/or cognitive problems, for which the underlying neural mechanisms are poorly understood. These symptoms can significantly reduce the quality of life of affected individuals, impact those close to them, and bring on an economic burden on society. Hence, targeting the baseline neurophysiology associated with psychopathologies, by identifying more robust biomarkers, would improve the development of effective treatments. The first goal of this thesis is thus to contribute to a better characterization of neural dynamic alterations in mental health illnesses, specifically in schizophrenia and mood disorders. Accordingly, the first chapter of this thesis presents two systematic literature reviews, which investigate the resting-state changes in brain connectivity in schizophrenia, depression and bipolar disorder patients. Great strides have been made in neuroimaging research in identifying alterations in functional connectivity. However, these two reviews reveal a gap in the knowledge about the temporal basis of the neural mechanisms involved in the disruption of information integration in these pathologies, particularly in schizophrenia. Therefore, the second goal of this thesis is to characterize the baseline temporal neural alterations of schizophrenia. We present two studies for which we hypothesize that the resting temporal dysconnectivity could serve as a key biomarker in schizophrenia. These studies explore temporal integration deficits in schizophrenia by quantifying neural alterations of scale-free dynamics using resting-state magnetoencephalography (MEG) data. Specifically, we use (1) long-range temporal correlation (LRTC) analysis on oscillatory activity and (2) multifractal analysis on arrhythmic brain activity. In addition, we develop classification models (based on supervised machine-learning) to detect the cortical and sub-cortical features that allow for a robust division of patients and healthy controls. Given that these studies are based on MEG spontaneous brain activity, recorded at rest with either eyes-open or eyes-closed, we then explored the possibility of finding a distinctive feature that would combine both types of resting-state recordings. Thus, the third study investigates whether alterations in spectral amplitude between eyes-open and eyes-closed conditions can be used as a possible marker for schizophrenia. Overall, the three studies show changes in the scale-free dynamics of schizophrenia patients at rest that suggest a deterioration of the temporal processing of information in patients, which might relate to their cognitive and behavioural symptoms. The multimodal approach of this thesis, combining MEG, non-linear analyses and machine-learning, improves the characterization of the resting spatiotemporal neural organization of schizophrenia patients and healthy controls. Our findings provide new evidence for the temporal dysconnectivity hypothesis in schizophrenia. The results extend on previous studies by characterizing scale-free properties of deep brain structures and applying advanced non-linear metrics that are underused in the field of psychiatry. The results of this thesis contribute significantly to the identification of novel biomarkers in schizophrenia and show the importance of clarifying the temporal properties of altered intrinsic neural dynamics. Moreover, the presented studies offer a methodological framework that can be extended to other psychopathologies, such as depression.

La stimulation magnétique transcrânienne (SMT) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) sont des techniques non-invasives permettant de quantifier l’activité GABAergique et glutamatergique du cerveau. La SMT et la SRM ont plusieurs applications en clinique et en recherche. En effet, ces outils peuvent être utilisés afin de déterminer l’efficacité d’un traitement ou la progression d’un processus pathologique. Cependant, malgré leur utilisation croissante dans le domaine médical, une certaine incertitude demeure quant aux substrats neurochimiques de ces techniques et à la stabilité à long terme des données acquises par SMT et SRM. Donc, dans un premier temps, la stabilité à long terme de plusieurs mesures prises par SMT et par SRM a été étudiée. En second lieu, afin de mieux comprendre quelles composantes du système GABAergique sont ciblées par ces deux techniques, des mesures de SRM et de SMT ont été obtenues après l’administration d’une benzodiazépine, le lorazépam, selon un devis expérimental randomisé, croisé, à double-aveugle et contrôlé par placébo. Deux articles composent cette thèse. Le premier article fait état d’une étude longitudinale, auprès d’adultes en santé, ayant pour but de déterminer la stabilité à long terme des concentrations de GABA et de Glx (glutamate + glutamine) obtenues par SRM ainsi que la stabilité des mesures d’inhibition et de facilitation corticale obtenues par SMT (rMT : seuil moteur au repos, %MSO : pourcentage d’intensité maximale du stimulateur, SICI : inhibition intra-corticale courte, LICI : inhibition intra-corticale longue, ICF : facilitation intra-corticale). Il a été démontré que les niveaux de GABA et de Glx sont stables au cours d’une période de trois mois. Alors que les mesures SMT de seuil moteur au repos, d’excitabilité corticale et de période corticale silencieuse sont stables à travers le temps, l’inhibition corticale à court intervalle et à long intervalle ainsi que la facilitation corticale sont beaucoup plus variables. Le deuxième article vise à comprendre la dissociation dans la sensibilité des mesures de SMT et SRM à refléter différentes facettes de l’activité GABAergique du cortex moteur. L’article porte sur une étude dans laquelle du lorazépam a été administré à des participants adultes en santé selon un devis randomisé, croisé, à double-aveugle et contrôlé par placébo. Des données SRM (GABA et Glx; cortex sensorimoteur et occipital) ainsi que des mesures SMT (cortex moteur) ont été obtenues suivant l’administration de lorazépam (ou de placébo). Il a été démontré que la prise de lorazépam réduisait les niveaux de GABA occipitaux, augmentait l’inhibition corticale et réduisait l’excitabilité du cortex moteur. La prise de médicament n’avait pas d’effet sur les autres mesures obtenues. De plus, il a été trouvé que l’effet du traitement sur l’inhibition corticale dépendait des concentrations endogènes de GABA dans le cortex sensorimoteur; une plus grande concentration de GABA étant prédictive d’une plus grande inhibition corticale suivant la prise de lorazépam. Dans leur ensemble, les résultats provenant des deux articles présentés dans cette thèse permettent de conclure que les mesures SRM des divers neurométabolites sont stables à long terme dans le cortex moteur et pourraient potentiellement servir de marqueurs dans l’évaluation de l’efficacité d’un traitement ou de l’évolution de processus pathologiques. Par contre, bien que certaines mesures SMT soient stables à long terme (rMT, %MSO, CSP), d’autres sont beaucoup plus variables (SICI, LICI, ICF); ainsi, la prudence est conseillée dans l’interprétation de ces mesures lors d’études cliniques. De plus, les effets différents que produit la prise de lorazépam sur les mesures SRM et SMT supportent la théorie selon laquelle les deux techniques n’ont pas les mêmes substrats neurochimiques. En effet, alors que les mesures TMS d’inhibition corticale refléteraient l’activité phasique des récepteurs GABAA, le signal SRM de GABA serait majoritairement intracellulaire et ne représenterait pas la neurotransmission GABAergique. / Transcranial magnetic stimulation (TMS) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) are non-invasive techniques that allow the measurement of GABAergic and glutamatergic activity in the brain. TMS and MRS can be used to assess inhibitory and excitatory mechanisms, treatment response or disease presence and progression in vivo. However, despite their growing use in research and medical settings, ambiguity remains regarding their neurochemical substrates and long-term reproducibility. The goal of the present thesis is twofold. First, the long-term stability and reliability of various MRS and TMS measurements, obtained in the motor cortex, was investigated. Second, to better understand which aspects of the GABAergic network are targeted by the two techniques, TMS and MRS measures reflecting cortical inhibition and excitation were obtained following lorazepam administration using a placebo-controlled, double-blind, randomized, crossover design. Two articles comprise this thesis. The first article is a longitudinal assessment of the stability and reliability of MRS-GABA and Glx (glutamate + glutamine) and TMS measures of cortical inhibition and facilitation in the sensorimotor (SMC) cortex of healthy adults. It was determined that MRS-GABA and MRS-Glx are stable over a three-month interval. TMS measures of resting motor threshold (rMT), cortical excitability (% maximum stimulator output; MSO) and cortical silent period (CSP) were also found to be stable and reliable. However, paired-pulse TMS measures such as short-interval cortical inhibition (SICI), long-interval cortical inhibition (LICI) and intracortical facilitation (ICF) had greater variability. The second article aims to understand the differential sensitivity of TMS and MRS with respect to GABAergic activity in the primary motor cortex. It is based on the results and conclusions of a placebo-controlled, double-blind, randomized, crossover study, where benzodiazepine lorazepam was given to healthy adult volunteers. Magnetic resonance spectroscopy (GABA and Glx) was performed in the sensorimotor cortex and occipital cortex (OC). TMS measurements were acquired in the motor cortex only. MRS and TMS measures of cortical inhibition and excitability (rMT, input/output (I/O) curve, SICI, LICI, ICF, CSP) were obtained following lorazepam or placebo administration. Lorazepam was found to decrease occipital GABA concentration, increase motor cortical inhibition and decrease cortical excitability. Lorazepam administration had no effect on other neurometabolites or TMS measurements. The effect of Lorazepam on short-interval cortical inhibition was found to depend on endogenous GABA levels in the SMC; higher GABA concentrations predicted a greater increase in SICI following drug intake. Taken together, the studies presented in this thesis indicate that MRS neurometabolite levels are stable over time and may thus potentially serve as markers for the monitoring of disease progression and treatment response. However, while some TMS measures have good long-term stability (rMT, %MSO, CSP), others are not as reliable nor stable (SICI, LICI, ICF); care must be taken in clinical settings. Furthermore, the differential effects of lorazepam on MRS and TMS measures support the idea that the two techniques probe different aspects of the GABAergic system. Whereas TMS measures of cortical inhibition reflect phasic GABAA receptor activity, MRS-GABA primarily reflects intracellular, non-neurotransmitter metabolic GABA.

La recherche des dernières décennies nous a offert une compréhension détaillée des processus par lesquels les aires visuelles du cerveau reconstituent les signaux physiques de l’environnement pour en générer des représentations. Cependant, la proposition selon laquelle la perception serait également le produit d’inférences et attentes, qui nous permettraient d’interpréter plus exactement les informations entrantes à l’aide d’expériences passées, est récurrente dans l’histoire des neurosciences cognitives. Le predictive coding (PC), qui est actuellement un modèle influent de la perception, propose qu’un des rôles principaux du cerveau est de prédire les informations entrantes. L’apprentissage visuel serait ainsi orienté en fonction d’informations n’ayant pas été correctement prédites ou d’erreurs de prédiction. Le PC est associé depuis quelques années par le phénomène de suppression neuronale (SN), où la réduction graduelle de l’activité cérébrale associée au traitement répété d’un stimulus, représenterait la réduction des erreurs de prédiction. Cette thèse propose premièrement que bien que la SN puisse être le reflet d’un processus assimilable au PC, celle-ci ne le représente possiblement qu’en partie. Une mesure additionnelle reflétant la correction ou l’ajustement des prédictions déclenché par l’erreur de prédiction serait alors nécessaire. Dans un premier temps, une revue critique des principaux courants de la recherche sur l’apprentissage est présentée sous la forme d’un chapitre de livre du domaine plus large du développement des capacités d’apprentissage. Celle-ci permet de préciser les aspects fondamentaux de l’habituation, la SN et la capacité à associer des éléments en mémoire, ainsi que l’importance de caractériser ces phénomènes aussi pleinement que possible par l’utilisation de nouvelles mesures, ce qui motive les études expérimentales présentées subséquemment. Par la suite, une première étude visant à identifier une mesure complémentaire à celle de la SN reflétant un processus d’ajustement de prédictions est présentée. Cette mesure, nommée entropie multi-échelles (EME), offre une estimation de la quantité d’information d’un signal électroencéphalographique (EEG) et de la capacité de traitement des réseaux neuronaux sous-jacents. La première hypothèse de cette étude était donc que la SN serait accompagnée d’une augmentation de l’EME au-dessus de la région occipito-temporale lors d’un apprentissage de visages. Puisque les phénomènes reflétés par la SN et l’EME s’appuieraient sur la contribution de régions distantes dont le cortex préfrontal dorsolatéral, la deuxième hypothèse était que ces mesures seraient altérées par une modulation exogène de l’activité de cette région préfrontale par stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SETCD). Les résultats ont montré que le signal EEG présentait à la fois une SN et une augmentation de l’EME avec l’apprentissage. De plus, la modulation préfrontale par SETCD a entraîné des variations de l’EME de la région occipito-temporale, sans toutefois avoir un impact sur la mesure de SN. La première étude suggère ainsi que la SN et l’EME reflètent des mécanismes cérébraux impliqués dans l’apprentissage visuel et compatibles au modèle de PC. Dans la deuxième étude, l’hypothèse d’une association entre les mesures de SN et d’EME a été reprise, cette fois dans le contexte d’un apprentissage visuel relationnel, étant donné le potentiel que représente les connaissances d’associations passées entre items pour la génération de prédictions. Dans ce contexte, des effets de SN et d’augmentation d’EME ont été obtenus à nouveau et étaient associées à la réussite de l’encodage d’associations de visages-paysages. Un deuxième aspect de cette étude visait à investiguer la présence d’effets semblables chez de jeunes enfants sains, étant donné plusieurs études suggérant que le PC et la mémoire relationnelle soient fonctionnels dans la première année de vie. Cependant, étant donné l’absence d’effets dans ce groupe, les résultats de la deuxième étude suggèrent que la présence du PC tôt dans le développement s’appuie possiblement sur d’autres ressources que la mémoire relationnelle. Les études de cette thèse sont une première démonstration du potentiel que représentent les mesures de SN et d’EME dans la compréhension des mécanismes qui sous-tendent la perception et l’apprentissage visuel. / Research over the last decades has offered detailed knowledge of the processes by which visual areas use physical signals from the environment to represent it accurately. However, the proposition that perception also relies on inferences and predictions based on past experience to allow more efficiency in the interpretation of incoming signals has been recurrent throughout the history of cognitive neuroscience. In recent years, the predictive coding (PC) model, which proposes that the brain acts as a predictor of incoming information, has been influential in this field. Learning is therefore driven by prediction error and encoding is essentially restricted to unpredicted inputs, thus allowing adjustments to predictions. PC has been associated with repetition suppression (RS), whereby the gradual reduction in brain responses associated with the repeated processing of a stimulus is thought to represent prediction error reduction. This thesis proposes that although RS may be attributable to a PC process, it may not represent it fully. To do so would necessitate the use of an additional measure reflecting prediction adjustments carried out as a consequence of prediction error. A critical review of the principal currents in the cerebral mechanisms underlying learning is presented first. This review underlines the fundamental aspects of habituation, RS and the ability to associate elements to one another in memory and the importance of characterizing these phenomena fully using new measures of learning, which motivates the experimental studies presented next. Then, a study aimed at identifying a measure complementary to RS and reflecting a prediction adjustment process is presented. This measure, named multiscale entropy (MSE), offers an estimation of the information content of an electroencephalogram (EEG), and of the underlying neural networks. The first study’s main hypothesis was that RS would be accompanied with an increase in MSE over occipito-temporal areas during learning of faces. As the processes reflected by these measures would rely on distal contributions including the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), the second hypothesis was that exogenous modulation of this region using transcranial direct current stimulation (tDCS) would alter RS and MSE effects found over occipito-temporal cortex. As predicted by hypotheses, EEG signal showed both RS and MSE increase from the first presentation of a face to the second over occipito-temporal sites. Additionally, prefrontal tDCS modulated brain signal complexity over right occipito-temporal cortex during learning, but did not influence RS over the same region. The first study therefore suggests that RS and MSE reflect mechanisms involved in learning of visual stimuli that appear compatible with the PC account of perception and learning. In the second study the hypothesis of an association between RS and MSE increase was investigated again, this time in the context of a visual relational memory task, given the high potential past associations of items represent for prediction generation. In this context, RS and MSE increase effects were replicated in study trials leading to correct associations of face-landscape pairings. The second study also investigated the presence of similar effects in a sample of young healthy children, given that recent studies have found evidence of both PC mechanisms and relational memory ability emerging in the first year of life. However, given the lack of effects in this sample of participants, we suggest that while PC mechanisms may emerge early, relational memory may contribute later in the course of development. Together, the studies presented in this thesis represent the first demonstration of the potential the combined use of measures of RS and signal complexity represent in further understanding the cerebral underpinnings of visual perception and learning.

Le syndrome de Gilles de la Tourette (SGT), le trouble obsessionnel compulsif (TOC) et les comportements répétitifs centrés sur le corps (CRCC) sont trois troubles qui présentent de nombreuses similarités, autant d’ordre phénoménologique que neuroanatomique et fonctionnel. Toutefois, malgré une recension des écrits pointant vers un possible spectre incluant ces trois troubles, les études qui ont contrasté ceux-ci se font peu nombreuses. Étudier les processus cognitifs affectés dans chacune de ces conditions cliniques permettrait alors d’offrir une meilleure compréhension des différences et des similarités entre celles-ci. D’ailleurs, l’utilisation des potentiels évoqués comme technique d’imagerie cérébrale offre l’avantage de mesurer l’activité cérébrale avec une excellente résolution temporelle. Les composantes de potentiels évoqués permettent alors de refléter certains processus cognitifs, notamment les processus attentionnels et mnésiques, qui sont connus comme étant potentiellement affectés dans ces trois troubles. Notre objectif était donc de comparer l’amplitude de trois composantes (P200, N200 et P300) entre des groupes de participants atteints du SGT (n=24), du TOC (n=18) et des CRCC (n=16), qui ont tous été appariés à un groupe contrôle (n=59) dans une tâche de oddball visuelle cognitive. Nos résultats n’ont d’abord montré aucune différence intergroupe pour la P200 et la N200 lorsqu’on contrôle pour les symptômes anxio-dépressifs, ce qui laisse présager que les processus cognitifs reflétés par ces composantes sont intacts dans ces populations cliniques. En ce qui a trait à la composante P300, nos résultats ont montré une diminution de l’effet oddball P300 pour les groupes SGT et TOC comparativement au groupe contrôle, alors qu’un effet oddball intact a été observé pour le groupe CRCC. Les analyses de localisation de sources ont révélé des activations dans le gyrus lingual et le gyrus occipital moyen pour le groupe TOC, ce qui le distingue des deux autres groupes cliniques et du groupe contrôle. En effet, ceux-ci ont plutôt montré des activations dans le cortex cingulaire pour la génération de cet effet oddball. Ainsi, il semblerait que les groupes SGT et TOC présentent des déficits dans la mémoire de travail, tels que dégagés par les altérations de la composante P300, mais que des régions cérébrales différentes soient impliquées dans la génération de ces activations anormales. / Tourette Syndrome (TS), Obsessive-Compulsive Disorder (OCD) and Body-Focused Repetitive Behaviors (BFRB) are three disorders that share many similarities in terms of phenomenology, neuroanatomy and functionality. However, despite a literature review pointing towards a possible spectrum including these three disorders, only a few studies compared them in the same context. Studying the cognitive processes affected by these clinical conditions would provide a better understanding of their differences and similarities. Moreover, using EventRelated Potentials (ERP) as a brain imaging technique offers the advantage of measuring brain activity with excellent temporal resolution. The ERP components can then reflect specific cognitive processes, notably attentional and memory processes, which are known to be potentially affected in these three disorders. Our aim was, therefore, to compare the amplitude of three ERP components (P200, N200, and P300) across groups of participants with TS (n=24), OCD (n=18), and BFRB (n=16), all of whom were matched to a control group (n=59), in a cognitive visual oddball task. Our results initially showed no group differences for the P200 and N200 when controlling for anxiety and depressive symptoms, suggesting that the cognitive processes reflected by these components are intact in these clinical populations. Concerning the P300 component, our results showed a decrease in the P300 oddball effect for the SGT and OCD groups compared to the control group, whereas an intact oddball effect was observed for the BFRB group. Furthermore, source localization analyses revealed activations in the lingual and middle occipital gyrus for the OCD group, distinguishing it from the other two clinical groups and the control group. Indeed, these groups showed activations in the cingulate cortex to generate this oddball effect. Thus, it seems that the TS and OCD groups show deficits in working memory, as revealed by alterations in the P300 component, but those different brain regions are involved in generating these distinct activations.

Au cours de la préadolescence, la durée totale de sommeil diminue et des retards importants dans l’horaire de sommeil se produisent. Cependant, la plupart des études utilisent des données transversales et/ou des mesures subjectives du sommeil, limitant la qualité méthodologique des données. Aussi, le point milieu du sommeil, le décalage horaire social (DHS) et la variabilité intra-individuelle (VII) du sommeil restent rarement abordés. Nous avons suivi 128 préadolescents (69 filles) ayant un développement typique pendant 4 ans, entre les âges de 8 et 12 ans. L’actigraphie a été utilisée pour déterminer le sommeil typique (soit la valeur moyenne), le DHS et la VII de quatre aspects du sommeil : l’heure du coucher, l’heure du lever, le point milieu du sommeil et la durée totale de sommeil. Des courbes de croissance multiniveaux ont été modélisées pour examiner à la fois les changements intra- et inter-individuels. Avec l'âge, l'horaire de sommeil devient progressivement plus tardif, la durée de sommeil diminue linéairement, et des augmentations significatives sont observés à la fois pour le DHS et la VII. Des différences individuelles autour des moyennes du groupe ont aussi été notées pour le DHS de l'heure du coucher et de la durée de sommeil. De plus, les filles présentent des différences plus importantes dans leur sommeil entre les jours comparativement aux garçons. Ces résultats décrivent des changements significatifs dans le sommeil des préadolescents au cours des années. Nous discutons des implications potentielles de ces trajectoires sur le fonctionnement physiologique, psychologique et social des jeunes. / Pre-adolescence is a period of marked changes in sleep-wake cycles characterized by a gradual decrease in adolescents' total sleep time (TST) and later sleep schedules with age. However, much of the research supporting these developmental trends has been based on cross-sectional data and/or subjective measures of sleep, limiting the methodological quality of the evidence. Additionally, important sleep parameters, like sleep midpoint, social jetlag and variability in sleep remain seldomly studied. We followed 128 typically developing preadolescents (69 female) over 4 years, between ages 8 and 12 years. Actigraphy-derived estimates of typical (i.e., mean) sleep, social jetlag and intra-individual variability were obtained for four sleep parameters: sleep onset, sleep offset, sleep midpoint, and TST. Multilevel growth curves were modelled to examine both within-person change and between-person differences in these trajectories. Across the period of pre-adolescence, sleep schedule became progressively later, mean TST decreased linearly, and significant increases were observed for both social jetlag and variability in sleep. Important individual differences around the average group estimates were noted for the social jetlag of sleep offset and TST. Sex differences were also observed, with girls experiencing greater between-day differences in their sleep than boys. These results describe significant age-related changes in the sleep of pre-adolescents. We discuss potential implications of these trajectories on youths’ physiological, psychological, and social functioning.

The moment-to-moment fluctuations in pain-evoked sensory and emotional qualities, and how the pain experience differs between sexes are not well understood. Therefore, this thesis sought to 1) characterise the temporal profiles of the most prominent noxious heat-evoked sensations, 2) characterise sex differences in these sensations, 3) evaluate the magnitude of sharp pain quality evoked in hairy and glabrous skin, and 4) determine the role of absolute stimulus temperatures on sex differences in pain adaptation and habituation. A broad-based heat pain model was developed for this study that incorporates a temporally-continuous assessment of multiple sensory and affective pain dimensions, including pain, burning, sharp, stinging, cutting, and annoyance evoked by two types (static, dynamic) of repeated prolonged noxious heat stimuli. The salient hypotheses were: 1) Burning sensations have a different temporal profile compared with sharp and other related qualities, 2) The temporal dynamics of heat pain intensity and annoyance differ between males and females, 3) Sex differences in heat pain are associated with specific pain qualities and specific types of skin, and 4) Moderate-high temperatures induce pain adaptation and habituation in females but not in males. The most prominent findings were 1) sharp, stinging and cutting sensations adapted when stimulus intensity was static, but burning sensations were evoked during static and dynamic stimulus phases, 2) pain and annoyance in women were greater than men during the dynamic phases of the first stimulus but less than men during static stimulus phases and on stimulus repetition, 3) the sex difference in pain adaptation occurred with percept-fixed stimulus intensities and with absolute stimulus temperatures, 4) the sex effects associated with dynamic stimuli occurred in hairy but not glabrous skin. These findings give new insights into the relationships between pain intensity, quality and affect and have strong implications for views on sex differences in pain sensitivity.

The moment-to-moment fluctuations in pain-evoked sensory and emotional qualities, and how the pain experience differs between sexes are not well understood. Therefore, this thesis sought to 1) characterise the temporal profiles of the most prominent noxious heat-evoked sensations, 2) characterise sex differences in these sensations, 3) evaluate the magnitude of sharp pain quality evoked in hairy and glabrous skin, and 4) determine the role of absolute stimulus temperatures on sex differences in pain adaptation and habituation. A broad-based heat pain model was developed for this study that incorporates a temporally-continuous assessment of multiple sensory and affective pain dimensions, including pain, burning, sharp, stinging, cutting, and annoyance evoked by two types (static, dynamic) of repeated prolonged noxious heat stimuli. The salient hypotheses were: 1) Burning sensations have a different temporal profile compared with sharp and other related qualities, 2) The temporal dynamics of heat pain intensity and annoyance differ between males and females, 3) Sex differences in heat pain are associated with specific pain qualities and specific types of skin, and 4) Moderate-high temperatures induce pain adaptation and habituation in females but not in males. The most prominent findings were 1) sharp, stinging and cutting sensations adapted when stimulus intensity was static, but burning sensations were evoked during static and dynamic stimulus phases, 2) pain and annoyance in women were greater than men during the dynamic phases of the first stimulus but less than men during static stimulus phases and on stimulus repetition, 3) the sex difference in pain adaptation occurred with percept-fixed stimulus intensities and with absolute stimulus temperatures, 4) the sex effects associated with dynamic stimuli occurred in hairy but not glabrous skin. These findings give new insights into the relationships between pain intensity, quality and affect and have strong implications for views on sex differences in pain sensitivity.