La répercussion d'un trouble visuel sur le traitement de scènes naturelles a été abordée selon trois approches : 1) une approche comportementale dans le but d'étudier la perception visuelle en champ central et en champs latéralisés, chez les participants sains et chez les patients hémianopsiques à la suite d'une lésion occipitale unilatérale ; 2) une approche fonctionnelle à l'aide d'une étude en IRMf afin d'évaluer tout d'abord l'incidence de la demande cognitive sur une tâche visuelle, chez les participants sains et chez les patients hémianopsiques, en champ central, puis d'observer l'impact d'une lésion occipitale droite et gauche sur la réorganisation corticale ; 3) enfin, une approche neuropsychologique dans le but d'étudier l'effet d'un entraînement visuel dans le champ aveugle des patients HLH, en utilisant les capacités visuelles inconscientes. Nous avons observé un impact différent sur le traitement visuel en champ central selon la latéralisation de la lésion occipitale (droite ou gauche). L'analyse visuelle est plus perturbée à la suite d'une lésion occipitale droite. Les données acquises en IRMf ont permis également de constater une différence des patterns d'activation selon la latéralisation de la lésion occipitale. Enfin, nous avons observé que l'entrainement dans le champ visuel aveugle des patients HLH, en utilisant les capacités de perception implicite : blindsight, permet d'obtenir une amélioration du champ visuel de manière quantifiable. / Visual processing of natural scenes images was investigated in healthy individuals and patients with homonymous hemianopia (after a unilateral occipital damage) using three methods : 1) behavioral studies where stimuli were presented in the central and lateralized visual fields; 2) fMRI paradigm to assess the cerebral network underlying natural scenes processing in the central visual field and to assess consequences of right or left occipital lesion on brain reorganization ; 3) a neuropsychological study where the efficiency of visual training in the blind visual field of hemianopics patients, using blindsight, was investigated. Results showed that occipital lesion side selectively modulates visual performances and pattern of cortical activation. In patients with right occipital damage, performances were severely altered although both hemlispheres were recruited. Yet, in patients with left brain damage, performances were less degraded and the right hemisphere was recruited whatever the visual task. Finally, we observed that explicit (conscious) visual detection can be restored (at least partly) in the blind visual field by using implicit (unconscious) visual capacities.

Les Accidents Vasculaires Cérébraux (AVC) représentent la première cause de handicap moteur acquis chez l'adulte. La récupération s'appuie en grande partie sur des mécanismes de plasticité cérébrale. La rééducation a pour principal objectif d'optimiser ces mécanismes. Les travaux sur la plasticité cérébrale ont permis de développer de nouvelles techniques de modulation de la plasticité cérébrale à partir de stimulations cérébrales non-invasives (Non-invasive Brain Stimulation, NIBS) : la PAS (Paired Associative Stimulation) est une de ces techniques de stimulation permettant de moduler de façon la plasticité cérébrale. Le PAS consiste à coupler une stimulation électrique périphérique et une stimulation magnétique corticale de type TMS (Transcranial Magnetic Stimulation). Dans des études précédentes, nous avons montré, sur une session de 30 minutes, une facilitation durable (60mn) et spécifique du potentiel évoqué moteur (PEM) du long extenseur radial du carpe (ECRL) chez des patients hémiparétiques. Le protocole CIPASS (Chronic Interventional PAS in Stroke) a pour but d'étudier les effets d'une répétition quotidienne de sessions PAS (pendant 5 jours) et de prouver un effet durable (3 jours) de l'augmentation de la plasticité cérébrale pour le muscle ECRL chez le patient hémiparétique. Vingt-quatre patients ont été inclus dans une étude randomisée, en double-aveugle contre placebo. Aucune différence significative n'a été trouvée entre les groupes PAS et Sham, ni sur le plan électrophysiologique ni sur le plan moteur. Cependant, un sous-groupe de patients semble répondre à l'intervention ; la répétition de sessions PAS semble avoir un impact plus important chez les patients ayant un PEM initial (baseline) bas associé à une importante intensité de stimulation TMS. Cette étude est venue confirmer la variabilité des effets du PAS retrouvée chez le sujet sain et le patient victime d'AVC. Plusieurs études ont montré un effet adjuvant des NIBS lorsqu'elles sont associées à l'apprentissage d'une tâche motrice. Concernant le PAS, quelques études ont montré une facilitation plus importante lorsque celle-ci est associée à une contraction musculaire. L'imagerie motrice (IM) est le fait d'imaginer un mouvement sans le réaliser, elle partage des mécanismes similaires à ceux du mouvement réel. Cette technique a également montré ses effets en tant qu'adjuvant thérapeutique chez le patient hémiparétique, ils restent cependant moins importants que ceux obtenus après un entraînement moteur. L'utilisation de l'IM auprès de patients n'ayant aucune motricité en fait sa singularité et sa force. Le protocole MIPAS a quant à lui pour but d'étudier les effets de l'association du PAS à des exercices d'IM chez le patient hémiparétique et de démontrer l'intérêt thérapeutique de cette association. / Stroke represents the first cause of acquired disability in adults. Recovery relies mainly on brain plasticity mechanisms. The main goal of rehabilitation is to optimize those mechanisms. In recent decades, studies on brain plasticity have led to develop new techniques of noninvasive brain stimulation (NIBS) such as the Paired Associative Stimulation (PAS), which is a non-invasive brain stimulation method that modulates cortical plasticity. PAS consists of a combination of peripheral electrical stimulation and cortical TMS (Transcranial Magnetic Stimulation). In previous studies, we have shown that a session of 30 min targeting the extensor wrist muscles (ECRL) on stroke patient can lead to a motor evoked potential (MEP) specific facilitation of 60 min. The trial CIPASS (Chronic Interventional PAS in Stroke) is a new neuromodulation protocol where a PAS session targeting the extensor wrist muscles (ECRL) is performed on a daily basis during 5 days to hemiparetic patients with a stroke (less than 6 months). Our goal is to demonstrate a lasting increase (3 days) of motor cortical plasticity for ECRL muscle. Twenty-four patients were included in a double-blind, placebo-controlled trial and randomly assigned to one of two groups (PAS or sham). No significant difference was observed between the two groups on either electrophysiological or motor parameters. However, a patient profile appears to respond to the intervention; repetitive PAS sessions seems to have a more important impact on patients with a low initial MEP (baseline) associated to a high TMS intensity. This trial has confirmed the variability of PAS effects already found in healthy subjects and stroke patients. Moreover, many studies have shown the adjuvant effect of NIBS when associated to motor leaning. Regarding PAS, some studies have demonstrated an important facilitation when it was combined with muscle contraction. Motor imagery (MI) is the fact to imagine a movement without realising it; it relies on similar mechanisms to those of a real movement. This technique has also shown its interest as a therapeutic adjunct for stroke patients. Its use for patients with a severe paralysis makes it a very interesting technique. The protocol MIPAS (Motor Imagery and Paired Associative Stimulation) that combine PAS with motor imagery exercises for stroke patients aims to demonstrate the therapeutic interest of such an association for stroke patients.

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Die Erforschung der Zusammenhänge zwischen Gehirnplastizität und individuellem Verhalten gestaltet sich aufgrund ihrer Komplexität im Tiermodell schwierig. Die vorliegende Studie wurde im mit dem Ziel konzipiert, die Individualitätsentwicklung bei Mäusen mit den gleichen physiologischen und genetischen Voraussetzungen in einer komplexen räumlichen und sozialen Umgebung zu beschreiben. Ich untersuchte die Korrelation dieser Entwicklung mit der Neurogenese im adulten Hippokampus als Maß für Gehirnplastizität. Zu diesem Zweck wurden zwei je mit einem automatisierten RFID-Tracking-System ausgestattete Großgehege mit jeweils 40 Tieren besiedelt. Die Bewegungen der Tiere wurden kontinuierlich aufgezeichnet und es wurden zudem direkte Verhaltensbeobachtungen durchgeführt. Die Tiere zeigten eine normale physiologische Entwicklung. Die Roaming Entropy (RE), ein Maß für die Gleichmäßigkeit, mit der die Tiere ihr Gehege nutzten, beschreibt das Erkundungsverhalten der einzelnen Mäuse. Die kumulativ erworbenen RE-Werte (cRE) in jedem der beiden Gehege wurden mit der Zeit zunehmend verschieden. Es war nicht möglich, aufgrund kleiner anfänglicher Unterschiede die Endwerte zu berechnen. Das bedeutet, dass die Tiere erst durch die andauernde Interaktion mit ihrer Umwelt und den Artgenossen unterschiedlicher wurden. Darüber hinaus sind die cRE-Werte am Endpunkt positiv mit den Neurogenesewerten korreliert. Dies beweist, dass während der Entwicklung auftretende Faktoren die Individualitätsentwicklung beeinflussen. Dieser Prozess benötigt plastische Hirnstrukturen und formt diese wiederum. Die Verhaltensanalysen zeigten, dass Tiere, die viele Antennenkontakte sammelten („most active“, MA) nicht zwangsläufig auch hohe cRE-Werte hatten. MA-Mäuse waren häufiger an sozialen Interaktionen beteiligt als Tiere mit wenigen Antennenkontakten („least active“, LA), akkumulierten über die Zeit niedrigere cRE-Werte und standen vermutlich weiter unten in der sozialen Hierarchie. Zusammenfassend kann man sagen, dass das Ausmaß der räumlichen Exploration und die allmähliche Erweiterung der Erfahrung mit einer gesteigerten Plastizität des Gehirns in Form von adulter Neurogenese verbunden war. Die Daten zeigen, dass Tiere mit den gleichen Voraussetzungen sich dennoch auf zunehmend divergierende, individuelle Art entwickeln. Dies ist zumindest teilweise durch leicht unterschiedliche epigenetische Voraussetzungen zu erklären, die durch das Wechselspiel mit dem komplexen Umfeld weiter auseinanderdriften. Auch scheint es, dass Individuation lebenden Organismen inhärent und Voraussetzung für evolutionäre Prozesse ist. Die Studie zeigt, dass die Unterschiede in individuellem Verhalten und Gehirnstruktur nicht allein durch Genen und Umweltbedingungen festgelegt sind, sondern auch durch Faktoren, die sich während der ontogenetischen Entwicklung entfalten, beeinflusst werden. Der beschriebene Versuchsaufbau stellt darüber hinaus ein Tiermodell für die Untersuchung von Mechanismen und modulierenden Faktoren auf die strukturellen Grundlagen der Plastizität als individuelle Reaktion auf die gemeinsam genutzte Umgebung dar. / The complex nature of the relationship between brain plasticity and individual behaviour renders its investigation using animal models difficult. The present study was designed to describe the emergence of individuality in mice with the same physiological, environmental and genetic preconditions in response to complex environmental and social cues. I investigated the correlation of this development to brain plasticity, namely neurogenesis in the adult hippocampus. To this end, two large, multi-level enclosures fitted with and automated RFID tracking system were populated with 40 animals to each. The mice were continuously tracked and live behaviour observations were done. The animals showed normal physiological development. The Roaming Entropy (RE), a measure for the evenness of their usage of the enclosure, describes the exploration behaviour of each animal. Cumulatively acquired RE scores (cRE) within an enclosure increasingly diverged with time. Small differences at the beginning were not predictive of the end values. Thus, the animals became different through the continued interaction with environment and conspecifics. Moreover, the cRE values at the end point positively correlated with the amount of hippocampal neurogenesis. This proves that factors emerging during development contribute to individuality development. These factors at the same time shape and rely on plastic brain structures. Behavioural analyses showed that animals with a high amount of antenna contacts (most active, MA mice) were not necessarily those with high cRE values. MA mice were more often involved in social interactions than the least active mice (least active, LA), accumulated lower cRE scores over time and seemed to be lower in the social hierarchy. In conclusion, the amount of spatial exploration and gradual broadening of experience was linked to brain plasticity in the form of elevated levels of hippocampal neurogenesis. The data shows that animals with same preconditions still develop along increasingly divergent, individual paths. This is probably partly given through slightly different epigenetic preconditions, drifting further apart by interaction with the complex environment. Also, individuation seems to be inherent in living organisms and necessary for evolutionary processes. The study shows firstly that differences in individual behaviour and brain structure are defined not only by genes and the environment but also modulated by factors unfolding or emerging during ontogenetic development. The present paradigm moreover introduces an animal model for studying mechanisms and influences on the structural basis of plasticity as an individual response to the nonshared environment.

Several studies reported training-induced improvements in executive function tasks and also observed transfer to untrained tasks. However, the results are mixed and there is a large interindividual variability within and across studies. Given that training-related performance changes would require modification, growth or differentiation at the cellular and synaptic level in the brain, research on critical moderators of brain plasticity potentially explaining such changes is needed. In the present study, a pre-post-follow-up design (N = 122) and a 3-weeks training of two response inhibition tasks (Go/NoGo and Stop-Signal) was employed and genetic variation (Val66Met) in the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) promoting differentiation and activity-dependent synaptic plasticity was examined. Because Serotonin (5-HT) signaling and the interplay of BDNF and 5-HT are known to critically mediate brain plasticity, genetic variation in the 5-HTT gene-linked polymorphic region (5-HTTLPR) was also addressed. The overall results show that the kind of training (i.e., adaptive vs. non-adaptive) did not evoke genotype-dependent differences. However, in the Go/NoGo task, better inhibition performance (lower commission errors) were observed for BDNF Val/Val genotype carriers compared to Met-allele ones supporting similar findings from other cognitive tasks. Additionally, a gene-gene interaction suggests a more impulsive response pattern (faster responses accompanied by higher commission error rates) in homozygous l-allele carriers relative to those with the s-allele of 5-HTTLPR. This, however, is true only in the presence of the Met-allele of BDNF, while the Val/Val genotype seems to compensate for such non-adaptive responding. Intriguingly, similar results were obtained for the Stop-Signal task. Here, differences emerged at post-testing, while no differences were observed at T1. In sum, although no genotype-dependent differences between the relevant training groups emerged suggesting no changes in the trained inhibition function, the observed genotype-dependent performance changes from pre- to post measurement may reflect rapid learning or memory effects linked to BDNF and 5-HTTLPR. In line with ample evidence on BDNF and BDNF-5-HT system interactions to induce (rapid) plasticity especially in hippocampal regions and in response to environmental demands, the findings may reflect genotype-dependent differences in the acquisition and consolidation of task-relevant information, thereby facilitating a more adaptive responding to task-specific requirements.

La vision joue un rôle très important dans la prévention du danger. La douleur a aussi pour fonction de prévenir les lésions corporelles. Nous avons donc testé l’hypothèse qu’une hypersensibilité à la douleur découlerait de la cécité en guise de compensation sensorielle. En effet, une littérature exhaustive indique qu’une plasticité intermodale s’opère chez les non-voyants, ce qui module à la hausse la sensibilité de leurs sens résiduels. De plus, plusieurs études montrent que la douleur peut être modulée par la vision et par une privation visuelle temporaire. Dans une première étude, nous avons mesuré les seuils de détection thermique et les seuils de douleur chez des aveugles de naissance et des voyants à l’aide d’une thermode qui permet de chauffer ou de refroidir la peau. Les participants ont aussi eu à quantifier la douleur perçue en réponse à des stimuli laser CO2 et à répondre à des questionnaires mesurant leur attitude face à des situations douloureuses de la vie quotidienne. Les résultats obtenus montrent que les aveugles congénitaux ont des seuils de douleur plus bas et des rapports de douleur plus élevés que leurs congénères voyants. De plus, les résultats psychométriques indiquent que les non-voyants sont plus attentifs à la douleur. Dans une deuxième étude, nous avons mesuré l’impact de l'expérience visuelle sur la perception de la douleur en répliquant la première étude dans un échantillon d’aveugles tardifs. Les résultats montrent que ces derniers sont en tous points similaires aux voyants quant à leur sensibilité à la douleur. Dans une troisième étude, nous avons testé les capacités de discrimination de température des aveugles congénitaux, car la détection de changements rapides de température est cruciale pour éviter les brûlures. Il s’est avéré que les aveugles de naissance ont une discrimination de température plus fine et qu’ils sont plus sensibles à la sommation spatiale de la chaleur. Dans une quatrième étude, nous avons examiné la contribution des fibres A∂ et C au traitement nociceptif des non-voyants, car ces récepteurs signalent la première et la deuxième douleur, respectivement. Nous avons observé que les aveugles congénitaux détectent plus facilement et répondent plus rapidement aux sensations générées par l’activation des fibres C. Dans une cinquième et dernière étude, nous avons sondé les changements potentiels qu’entrainerait la perte de vision dans la modulation descendante des intrants nociceptifs en mesurant les effets de l’appréhension d’un stimulus nocif sur la perception de la douleur. Les résultats montrent que, contrairement aux voyants, les aveugles congénitaux voient leur douleur exacerbée par l’incertitude face au danger, suggérant ainsi que la modulation centrale de la douleur est facilitée chez ces derniers. En gros, ces travaux indiquent que l’absence d’expérience visuelle, plutôt que la cécité, entraine une hausse de la sensibilité nociceptive, ce qui apporte une autre dimension au modèle d’intégration multi-sensorielle de la vision et de la douleur. / Vision is important for avoiding encounters with objects in the environment that may imperil physical integrity. Since pain also plays a major role in preventing bodily injury, we tested whether, in the absence of vision, pain hypersensitivity would arise from an adaptive shift to other sensory channels. Indeed, a wealth of literature indicates that blindness leads to sensory compensation and crossmodal plasticity. Furthermore, studies have shown that pain perception can be modulated by vision and by temporary visual deprivation. In a first study, we measured innocuous and noxious thermal thresholds using a Peltier-based thermotester in congenitally blind and normal sighted participants. We also assessed their suprathreshold pain ratings using a CO2 laser device and evaluated their attitude towards daily pain encounters using questionnaires on attention and anxiety. Results show that congenitally participants have lower pain thresholds and higher suprathreshold pain ratings. The psychometric data further indicates that they are more attentive to pain compared to their sighted peers. In a second study, we investigated whether visual experience has an impact on pain perception by replicating the first study in late blind participants. Results indicate that individuals who lost sight later in life are similar to the sighted in every aspect of pain perception that we measured. In a third study, we tested whether blind individuals have supranormal skills in detecting small and quick increases in temperature, as these thermal cues of the environment might help identifying and avoiding potentially harmful objects. Results show that congenitally blind participants outperform their sighted peers and that they are more susceptible to spatial summation of heat. In a fourth study, we examined the contribution of A∂ and C-fibres to blind individuals’ nociceptive processing, as these fibres are thought to signal the first and second pain, respectively. Our findings indicate that congenital blindness leads to an enhanced detection to C-fibre mediated sensations and to faster reaction times to these nociceptive inputs. In a fifth and final study, we probed the potential changes in the descending modulation of nociceptive inputs following visual deprivation by measuring the effects of psychological factors like anticipation and anxiety on blind individuals’ pain perception. Results show that congenitally blind participants are more sensitive to pain in response to uncertainty about threat, suggesting that they are more susceptible to top-down modulation of pain. Overall, this work indicates that visual deprivation from birth, but not later in life, causes a leftward shift in the stimulus–response function to nociceptive stimuli and lends new support to a model of sensory integration of vision and pain processing.

Le présent travail s’inscrit dans une perspective descriptive analytique des comportements des pianistes aveugles et déficients visuels durant la mise en mémoire et la restitution au piano de diverses tâches présentées à l’oreille ou sur un support écrit adapté au handicap visuel de ceux-ci. Cette adaptation qui consiste à transcrire en braille pour les aveugles ou à imprimer en gros caractères pour les malvoyants des partitions ordinaires, se révèle lourde de conséquences. Ainsi, deux conditions font qu’un travail mental d’intégration et de synthèse très coûteux s’impose à ces musiciens : d’un côté la complexité du braille musical due à un degré d’abstraction très élevé et à une linéarité spatiale permanente, de l’autre la non-conformité de la technique d’agrandissement des textes ordinaires avec une lecture synthétique et avec un champ visuel très réduit. De telles circonstances invitent à s’interroger sur les effets de la structure de ces notations musicales et des représentations mentales qu’elles génèrent sur la conduite de mémorisation en l’absence totale ou partielle de la vision. L’objectif principal est de relever la spécificité des processus qui sous-tendent l’assimilation des données inscrites sur le matériau de la lecture. Pour ce faire, j’ai mené une étude de cas portant sur des jeunes pianistes aveugles et malvoyants non professionnels utilisant des procédures de déchiffrage diverses. / The present work involves an analytical description of the behaviors of blind and visually impaired pianists when memorizing and rendering on the piano various tasks presented to the ear or on written material adapted to their visual disability. This adaptation, which consists in transcribing ordinary music scores in braille, for the blind, or in large print, for the visually impaired, entails important consequences. Two conditions result in those musicians having to perform a very difficult integrating and synthesizing task: on the one hand, musical braille is complex, being highly abstract and characterized by permanent spatial linearity; on the other hand, the technique for enlarging ordinary texts is not compatible with synthetic reading and a very restricted visual field. Those circumstances lead us to investigate how those musical notations and the mental representations they generate affect the memorizing process when vision is totally or partially lacking. The main objective is to pinpoint the specific processes underlying the assimilation of the data inscribed on the reading material. To this end, I have carried out a case study involving young non-professional blind and visually impaired pianists using diverse reading procedures.

L'IRMf de repos qui repose sur l'étude des fluctuations du signal BOLD chez un sujet au repos, pourrait permettre d'explorer les mécanismes du handicap dans la Sclérose En Plaques (SEP). En utilisant l'IRMf de repos, ce travail a eu pour objectif de caractériser la réorganisation fonctionnelle des patients atteints de SEP et ses liens avec leur handicap.Nous avons d'abord réalisé une étude combinant IRMf de repos et d'activation au stade précoce de la SEP et montré l'existence d'une corrélation entre la plasticité fonctionnelle du système moteur des patients au repos et durant la tâche. Nous avons ensuite montré l'existence d'une augmentation diffuse du niveau de connectivité fonctionnelle des patients présentant une SEP débutante, corrélée à leurs performances. Dans la 3ème partie, nous avons objectivé l'existence d'un déclin dynamique de la topologie fonctionnelle corrélée à la progression du handicap grâce à une étude longitudinale utilisant la théorie des graphes. Enfin, nous avons démontré que le gain fonctionnel obtenu par la rééducation chez les patients SEP était corrélé à une augmentation de connectivité fonctionnelle du réseau cérébral par défaut et central exécutif et de densité de substance grise dans le cortex frontal.Nos travaux montrent l'existence d'une réorganisation cérébrale fonctionnelle complexe et dynamique dans la SEP qui pourrait correspondre à des phénomènes compensatoires, dont le déclin avec l'évolution de la maladie participe à la progression du handicap. Ils démontrent l'intérêt de l'IRMf de repos pour la compréhension des substrats anatomo-fonctionnels du handicap dans la SEP et comme potentiel instrument futur d'évaluation thérapeutique. / Resting-state fMRI (rs-fMRI) may provide important clue concerning disability in multiple sclerosis (MS) by exploring the spontaneous BOLD fluctuations at rest in the whole brain. The aim of this work is to depict the functional reorganization of resting-state networks in MS patients and to assess its potential relationships with disability.In the first part, we performed an fMRI protocol combining a rs-fMRI and task-associated fMRI during a motor task, in a group of early MS patients. This study evidenced a direct association between reorganization of connectivity at rest and during activation in the motor system of patients. In the second rs-fMRI study, we evidenced an increased of the global level of connectivity in most of the rs-networks, strongly associated with the level of disability of patients. In the third part, we evidenced in a 2-year longitudinal study using graph theoretical approach that MS patients exhibited a dynamical alteration of functional brain topology that significantly correlated with disability progression. In the last part, we evidenced that the transient clinical improvement following physical rehabilitation in MS patients is associated with reversible plasticity mechanisms located in the default mode network, the central executive network and in the left fronto-orbital cortex. These works evidence that MS patients exhibit a complex and dynamical functional reorganization of rs-networks, significantly associated with disability progression. This PhD thesis confirms that rs-fMRI is a relevant biomarker of pathophysiology leading to disability in MS and represents a promising tool for therapeutic assessment of MS patients in the future.

Les avantages liés à la formation musicale transfèrent au traitement du langage, et à certaines fonctions perceptives et cognitives. Nous examinons si cette formation facilite aussi l'apprentissage de mots nouveaux au long de la vie. Les enfants «musiciens» et les jeunes musiciens professionnels surpassent les participants de contrôle dans une série d’expériences, avec une plasticité cérébrale plus rapide, et une connectivité fonctionnelle plus forte, mesurées par électroencéphalographie. Les résultats des musiciens plus âgés sont moins clairs, suggérant un impact limité de la formation musicale sur le déclin cognitif. Enfin, les jeunes musiciens ont une meilleure mémoire à long terme des nouveaux mots, ce qui contribuerait à expliquer l’avantage observé. Ces effets de transfert de la formation musicale au niveau sémantique et de la mémoire à long terme révèlent l’importance des fonctions cognitives générales et ouvrent de nouvelles perspectives pour l’éducation et la rééducation. / Based on results evidencing music training-related advantages on speech processing, perceptive and cognitive functions, we examine whether music training facilitates novel word learning throughout the lifespan. We show that musically-trained children and young professional musicians outperform controls in a series of experiments, with faster brain plasticity and stronger functional connectivity, as measured by electroencephalography. By contrast, advantages for old adult musicians are less clear-cut, suggesting a limited impact of music training to counteract cognitive decline. Finally, young musicians show better long-term memory for novel words, which possibly contributes, along with better auditory perception and attention, to their advantage in word learning. By showing transfer effects from music training to semantic processing and long-term memory, results reveal the importance of domain-general cognitive functions and open new perspectives for education and rehabilitation.

Extracting structure from initially incomprehensible streams of events is fundamental to a range of human abilities: from navigating in a new environment to learning a language. These skills rely on our ability to extract spatial and temporal regularities, often with minimal explicit feedback, that is known as statistical learning. Despite the importance of statistical learning for making perceptual decisions, we know surprisingly little about the brain circuits and how they change when learning temporal regularities. In my thesis, I combine behavioural measurements, Diffusion Tensor Imaging (DTI) and resting-state fMRI (rs-fMRI) to investigate the structural and functional circuits that are involved in statistical learning of temporal structures. In particular, I compare structural connectivity as measured by DTI and functional connectivity as measured by rs-fMRI before vs. after training to investigate learning-dependent changes in human brain pathways. Further, I combine the two imaging modalities using graph theory and regression analyses to identify key predictors of individual learning performance. Using a prediction task in the context of sequence learning without explicit feedback, I demonstrate that individuals adapt to the environment’s statistics as they change over time from simple repetition to probabilistic combinations. Importantly, I show that learning of temporal structures relates to decision strategy that varies among individuals between two prototypical distributions: matching the exact sequence statistics or selecting the most probable outcome in a given context (i.e. maximising). Further, combining DTI and rs-fMRI, I show that learning-dependent plasticity in dissociable cortico-striatal circuits relates to decision strategy. In particular, matching relates to connectivity between visual cortex, hippocampus and caudate, while maximisation relates to connectivity between frontal and motor cortices and striatum. These findings have potential translational applications, as alternate brain routes may be re-trained to support learning ability when specific pathways (e.g. memory-related circuits) are compromised by age or disease.