Le comportement humain est à la fois singulier et universel. La singularité serait principalement due aux trajectoires de vie propre à chaque individu (variant entre autres selon leur culture) alors que l’universalité émanerait d’une nature universelle ancrée dans un génome universel. Démêler les influences de la nature et de la culture sur le comportement humain est le Saint Graal de l’anthropologie biologique. J’aborde cette question en explorant les effets génétiques et environnementaux sur les bases psychiques du comportement. Plus particulièrement, je teste l’hypothèse que la singularité et l’universalité comportementales humaines s’observent au plan psychique par l’exploration de leur substrat neurobiologique, et que ce substrat possède à la fois un ancrage génétique et environnemental. À l’aide de données d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) recueillies auprès de 862 participants du Human Connectome Project (HCP), j’analyse les activations cérébrales liées à sept tâches socio-cognitives qui recoupent diverses facultés, dont le langage, la mémoire, la prise de risque, la logique, les émotions, la motricité et le raisonnement social. Après avoir groupé les sujets selon la similarité de leurs patrons d’activation cérébrale (c.-à-d. leurs sous-types neurobiologiques), j’estime l’influence génétique et environnementale sur la variabilité interindividuelle de ces divers sous-types. Les résultats démontrent bel et bien l’existence d’un regroupement des sujets selon la similarité de leurs cartes d’activation cérébrale lors d’une même tâche socio-cognitive, ce qui reflète à la fois le caractère singulier et universel des corrélats neuronaux d’un comportement observable. La variabilité interindividuelle constatée dans ces regroupements cérébraux témoigne quant à elle d’effets génétiques (héritabilité) ainsi qu’environnementaux (environnementalité), dont les ampleurs respectives varient selon la nature de la tâche effectuée. De plus, les sous-types cérébraux mis à jour révèlent une association avec les mesures comportementales et de performance effectuées lors des diverses tâches à l’étude. Enfin, les sous-types neurobiologiques résultant des diverses tâches partagent certaines bases génétiques. Dans leur ensemble, ces résultats appuient la notion que le comportement humain, ainsi que les processus neurobiologiques le sous-tendant, sont des phénotypes au même titre qu’un caractère morphologique ou physiologique, c’est-à-dire qu’ils sont le résultat de l’expression conjointe de bases génétiques (nature) et environnementales (culture). / Human behaviour is both singular and universal. Singularity is believed to be mainly due to life trajectories unique to each individual (influenced among others by culture), whereas universality would stem from a universal nature resulting from a panhuman genome. Unravelling the influences of nature and nurture on human behaviour is the Holy Grail of biological anthropology. I approach this issue by exploring genetic and environmental influences on the neuropsychological underpinnings of behaviour. In particular, I test the hypothesis that the singularity and universality of human behaviour are also observed at the psychological level through the exploration of the neurobiological basis of behaviour, and that these bases have both genetic and environmental sources. Using Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) data of 862 participants from the Human Connectome Project (HCP), I analyze brain activation related to 7 socio-cognitive tasks covering language, memory, risk taking, logic, emotions, motor skills, and social reasoning. After grouping subjects according to the similarity of their brain activation patterns (neurobiological subtypes), I estimate the genetic and environmental influences on the variation between participants on these subtypes. The inter-individual variability in cerebral groupings appears to have both genetic (heritability) and environmental (environmentality) sources that vary according to the particular psychological task involved. Moreover, these neurobiological subtypes show an association with behavioural and performance measures assessed by the socio-cognitive tasks. Finally, the neurobiological subtypes across the 7 tasks share common genetic links. Overall, the results support the notion that human behaviour, as well as its underlying neurobiological processes, are phenotypes in the same way as morphology or physiology, i.e., are the results of the integrated expression of a genetic basis (nature) and environmental influences (nurture).

L’IRM de diffusion (IRMd) est l’unique technique non invasive qui permet l’exploration de la microstructure cérébrale. En plus d’une large utilisation pour les applications médicales, l’IRMd est aussi utilisée en neuroscience pour comprendre l’organisation et le fonctionnement du cerveau. Toutefois, sa faible résolution spatiale et sa sensibilité aux artéfacts limitent son utilisation chez le primate non humain.L’objectif de cette étude est de développer une nouvelle approche qui permette d’acquérir des données d’IRMd à très haute résolution spatiale sur des cerveaux de macaques anesthésiés. Cette méthode est basée sur un balayage 3D de l’espace de Fourier avec un module de lecture d’Echo Planar-segmenté.Cette méthode a été tout d’abord implémentée sur une machine IRM 3 Tesla (Prisma, Siemens), puis validée et optimisée in-vitro et in-vivo. Par rapport à la méthode d’acquisition classique, un gain de sensibilité de l’ordre de 3 pour la substance grise cérébrale et de 4.7 pour la substance blanche cérébrale a été obtenu grâce à la méthode développée.Cette méthode a permis de réaliser l’IRMd du cerveau de Macaque avec une résolution spatiale isotrope de 0.5 mm jamais atteinte auparavant. L’intérêt de réaliser des données d’IRMd à une telle résolution pour visualiser et analyser in-vivo des structures fines non détectables avec la méthode d’acquisition classique comme les sous-champs de l’hippocampe ou encore la substance blanche superficielle, a été démontré dans cette étude. Des résultats préliminaires très encourageants ont également été obtenus chez l’homme / Diffusion MRI (dMRI) is the unique non-invasive technique that allows exploring the cerebral microstructure. Besides a wide use for medical applications, dMRI is also employed in neuroscience to understand the brain organization and connectivity. However, the low spatial resolution and the sensitivity to artefacts limit its application to non-human primates.This work aims to develop a new approach that allows to acquire dMRI at very high spatial resolution on anesthetized macaque brains. This method is based on a 3D sampling of Fourier space with a segmented Echo Planar imaging readout module. This method has been firstly implemented on a 3 Tesla MR scanner (Prisma, Siemens), validated and optimized in-vitro and in-vivo. Compared to the conventional acquisition method, a gain of sensitivity of 3 for the cerebral grey matter and of 4.7 for the white matter was obtained with the proposed approach.This method allowed us to acquire dMRI data on the macaque brain with a spatial isotropic resolution of 0.5 mm ever reached before. The interest to acquire dMRI data with such a spatial resolution to visualize and analyze in-vivo fine structures not detectable with the classical acquisition method, like the sub-fields of hippocampus and the superficial white matter, has also illustrated in this study. Finally, very encouraging preliminary results were also obtained in humans

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Object segmentation, quantification, and shape modeling are important areas inmedical image processing. By combining these techniques, researchers can find valuableways to extract and represent details on user-desired structures, which can functionas the base for subsequent analyses such as feature classification, regression, and prediction. This thesis presents a new framework for building a three-dimensional (3D) hippocampal atlas model with subfield information mapped onto its surface, with which hippocampal surface registration can be done, and the comparison and analysis can be facilitated and easily visualized. This framework combines three powerful tools for automatic subcortical segmentation and 3D surface modeling. Freesurfer and Functional magnetic resonance imaging of the brain's Integrated Registration and Segmentation Tool (FIRST) are employed for hippocampal segmentation and quantification, while SPherical HARMonics (SPHARM) is employed for parametric surface modeling. This pipeline is shown to be effective in creating a hippocampal surface atlas using the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative Grand Opportunity and phase 2 (ADNI GO/2) dataset. Intra-class Correlation Coefficients (ICCs) are calculated for evaluating the reliability of the extracted hippocampal subfields. The complex folding anatomy of the hippocampus offers many analytical challenges, especially when informative hippocampal subfields are usually ignored in detailed morphometric studies. Thus, current research results are inadequate to accurately characterize hippocampal morphometry and effectively identify hippocampal structural changes related to different conditions. To address this challenge, one contribution of this study is to model the hippocampal surface using a parametric spherical harmonic model, which is a Fourier descriptor for general a 3D surface. The second contribution of this study is to extend hippocampal studies by incorporating valuable hippocampal subfield information. Based on the subfield distributions, a surface atlas is created for both left and right hippocampi. The third contribution is achieved by calculating Fourier coefficients in the parametric space. Based on the coefficient values and user-desired degrees, a pair of averaged hippocampal surface atlas models can be reconstructed. These contributions lay a solid foundation to facilitate a more accurate, subfield-guided morphometric analysis of the hippocampus and have the potential to reveal subtle hippocampal structural damage associated.

Image registration methods underpin many analysis techniques in neuroimaging. They are essential in group studies when images of different individuals or different modalities need to be brought into a common reference frame. This thesis explores the potential of brain connectivity- driven alignment and develops surface registration techniques for magnetic resonance imaging (MRI), which is a noninvasive neuroimaging tool for probing function and structure of the human brain. The first part of this work develops a novel surface registration framework, based on free mesh deformations, which aligns cortical and subcortical surfaces by matching structural connectivity patterns derived using probabilistic tractography (diffusion-weighted MRI). Structural, i.e. white matter, connectivity is a good predictor of functional specialisation and structural connectivity-driven registration can therefore be expected to enhance the alignment of functionally homologous areas across subjects. The second part validates developed methods for cortical surfaces. Resting State Networks are used in an innovative way to delineate several functionally distinct regions, which were then used to quantify connectivity-driven registration performance by measuring the inter- subject overlap before and after registration. Consequently, the proposed method is assessed using an independent imaging modality and the results are compared to results from state-of-the-art cortical geometry-driven surface registration methods. A connectivity-driven registration pipeline is also developed for, and applied to, the surfaces of subcortical structures such as the thalamus. It is carefully validated on a set of artificial test examples and compared to another novel surface registration paradigm based on spherical wavelets. The proposed registration pipeline is then used to explore the differences in the alignment of two groups of subjects, healthy controls and Alzheimer's disease patients, to a common template. Finally, we propose how functional connectivity can be used instead of structural connectivity for driving registrations, as well as how the surface-based framework can be extended to a volumetric one. Apart from providing the benefits such as the improved functional alignment, we hope that the research conducted in this thesis will also represent the basis for the development of templates of structural and functional brain connectivity.

Succédant à une théorisation centrée sur le rôle des déficits des fonctions exécutives, les modèles contemporains du trouble déficit de l'attention / hyperactivité (TDAH) mettent en avant l’hétérogénéité d’une catégorie diagnostique impliquant des déficits neuropsychologiques, voies cérébrales et mécanismes étiopathogéniques multiples. En dépit de cette évolution, la majorité des études d'imagerie cérébrale des corrélats structurels du trouble menées à ce jour ont été conduites au niveau de la catégorie diagnostique, sans spécification supplémentaire. Cette approche comparant en moyenne un groupe de patients avec TDAH à un groupe de sujets sains a donné des résultats très variables d'une étude à l'autre, la comparaison inter-étude étant toutefois rendue difficile par la présence de facteurs confondants, tels que des différences en terme de régions d’intérêt examinées, de comorbidités acceptées chez les patients, de pourcentages de sujets masculins et féminins, de fenêtre d’âge sélectionnée, de méthodologie d'analyse ou encore de pourcentage de patients traités par méthylphénidate. Dans ce doctorat, nous nous sommes appuyés sur la morphométrie voxel-à-voxel pour isoler l’influence sur les volumes de matière grise de deux facteurs d’hétérogénéité intra-catégorielle dans le TDAH : le genre d’une part, et un polymorphisme génétique (Val158Met du gène Catéchol-O-méthyltransferase (COMT)) d’autre part ; ces deux facteurs présentant l’intérêt de moduler le risque associé de développer un trouble de type externalisé. Nous avons également comparé les volumes de matière grise d’enfants avec TDAH ayant reçu un traitement par méthylphénidate, de patients n'ayant jamais été exposé à la médication, et de sujet sains. Ces recherches expérimentales ont été inscrites dans une discussion plus générale de l’hétérogénéité des résultats de la littérature structurelle consacrée au TDAH et des sources neuropsychologiques de cette hétérogénéité. Dans notre étude des effets du genre sur les volumes de matière grise dans le TDAH, nous reportons pour la première fois une interaction entre genre et diagnostic, avec des corrélats structurels du trouble différents chez les garçons et les filles avec TDAH dans des régions de la ligne médiane du cerveau, impliquées à la fois dans la régulation émotionnelle et dans le fonctionnement du mode de réseau par défaut. Nous suggérons que ces différences structurelles pourraient contribuer aux différences de risque associé pour les troubles internalisés et externalisés présentées par les garçons et filles avec TDAH. Dans notre étude explorant l'influence du polymorphisme Val158Met sur les volumes de matière grise, nous mettons en évidence une modulation génétique des corrélats structurels du trouble : les sujets homozygotes pour l'allèle Val158, identifiés dans la littérature comme à risque pour le développement d'un trouble des conduites, présentent des volumes de matière grise supérieurs dans le noyau caudé comparativement aux sujets sains, tandis que les patients avec TDAH porteurs d'un allèle Met158 présentent des volumes de matière grise plus faibles dans le cortex préfrontal inférieur droit, une région cruciale pour les processus de contrôle attentionnel. Enfin, dans notre étude des corrélats structurels de l'exposition au méthylphénidate, nous reportons un effet potentiellement normalisateur du traitement sur les volumes de matière grise de l'insula et du pole temporal, des volumes de matière grise plus faibles chez les patients traités comparativement aux sujets sains dans le gyrus frontal moyen et dans le gyrus précentral, et une association entre volume de matière grise dans le nucleus accumbens gauche et durée d'exposition au méthylphénidate chez les sujets traités. (...) / Previous models of Attention Deficit / Hyperactivity Disorder (ADHD) such as Barkley’s or Brown’s conceptualized ADHD as essentially a developmental impairment of executive function. Against this view, it is now recognized that ADHD is a heterogeneous disorder, involving multiple deficits and multiple neuronal pathways. Despite this current theoretical framework, most structural brain imaging studies in ADHD have compared groups of children with ADHD with typically developing children, without trying to identify subgroups within the diagnostic category. This approach has yielded heterogeneous findings, possibly due to inter-studies variations in the type and number of comorbidities, the percentage of medicated participants included, the number of girls included, and/or methodological and statistical differences. Patients participating in these studies were also often exposed to methylphenidate, and potential medication effects on grey matter volumes are still unclear in certain brain regions such as the frontal lobe, despite a therapeutic action involving the preferential activation of catecholamine neurotransmission within the prefrontal cortex. In this thesis, we used voxel-based morphometry to study the influence of two important risk factors for the development of comorbid conditions in ADHD. The first of these two factors was gender, and the second a genetic polymorphism of the Catechol-O-methyltransferase gene known to put children with ADHD at risk for developing a conduct disorder (Val158Met). We also compared grey matter volumes in children with ADHD exposed to methylphenidate, never-medicated children with ADHD and typically developing children. These experimental studies were part of a more general discussion of ADHD neuropsychological and neurobiological heterogeneity. In our study exploring the influence of gender on the structural correlates of ADHD, we report for the first time a gender-by-diagnosis interaction, with grey matter volume differences in boys and girls with ADHD in midline cortical structures, involved in emotional regulation and part of the default mode network. We propose that these differences may contribute to explain why girls with ADHD more often develop inattentive and internalizing symptoms, whereas externalizing symptoms are predominant in boys with ADHD. In our study investigating the effects of Val158Met in ADHD, we report the first evidence of a COMT-related genetic modulation of ADHD-related grey matter volume alterations. Indeed, children with ADHD at higher risk for developing a conduct disorder (children homozygotes for the Val158 allele) presented increased grey matter volumes in the caudate nucleus when compared with typically developing children, whereas children carrying a Met158 allele presented with decreased grey matter volumes in the right inferior frontal cortex, a region known for its key role in attention. Finally, we measured grey matter volumes in medicated children with ADHD, never-medicated children with ADHD and typically developing children using both whole-brain voxel-based morphometry and automated tracing procedures in chosen regions of interest. We document potential methylphenidate-related grey matter volume normalization and deviation in previously unexplored frontal and temporal regions, and report a positive association between treatment history and grey matter volume in the nucleus accumbens, a key region for reward processing. Our first two experimental studies therefore contribute to a better understanding of the influence of important sources of within-category heterogeneity, while the third helps clarifying the potential confounding effect of medication exposure in previous structural brain imaging studies in ADHD.

Il est généralement admis que la vision joue un rôle prépondérant dans la formation des représentations spatiales. Qu’advient-il alors lorsqu’un individu est atteint de cécité? Dans le premier volet de cette thèse, les habiletés spatiales des personnes aveugles ont été examinées à l’aide de différentes tâches et comparées à celles de personnes voyantes effectuant les mêmes tâches avec les yeux bandés. Dans une première étude, les capacités de rotation mentale ont été évaluées à l’aide d’une épreuve d’orientation topographique tactile. Les résultats obtenus montrent que les personnes aveugles parviennent généralement à développer des capacités de rotation mentale similaires à celles de personnes voyantes et ce, malgré l’absence d’information de nature visuelle. Dans une seconde étude, nous avons utilisé différentes tâches spatiales nécessitant l’utilisation de la locomotion. Les résultats obtenus montrent que les personnes aveugles font preuve d’habiletés supérieures à celles de voyants lorsqu’elles doivent apprendre de nouveaux trajets dans un labyrinthe. Elles parviennent également à mieux reconnaître une maquette représentant un environnement exploré précédemment. Ainsi, l’absence de vision ne semble pas entraver de manière significative la formation de concepts spatiaux. Le second volet de cette thèse s’inscrit dans la lignée des études sur la plasticité cérébrale chez les personnes aveugles. Dans le cas présent, nous nous sommes intéressés à l’hippocampe, une structure profonde du lobe temporal dont le rôle au plan spatial a été établi par de nombreuses études animales ainsi que par des études cliniques chez l’humain incluant l’imagerie cérébrale. L’hippocampe joue un rôle particulièrement important dans la navigation spatiale. De plus, des changements structuraux de l’hippocampe ont été documentés en relation avec l’expérience des individus. Par exemple, l’étude de Maguire et al. (2000) a mis en évidence de telles modifications structurelles de l’hippocampe chez des chauffeurs de taxi. À l’instar de ces derniers, les personnes aveugles doivent emmagasiner de nombreuses informations au sujet de leur environnement puisqu’elles ne peuvent bénéficier de la vision pour mettre à jour les informations sur celui-ci, sur leur position dans l’espace et sur la position des objets se trouvant hors de leur portée. Nous avons montré, pour la première fois, une augmentation du volume des hippocampes chez les personnes aveugles en comparaison avec les personnes voyantes. De plus, cette augmentation de volume était positivement corrélée à la performance à une tâche d’apprentissage de trajets. Les résultats présentés dans cette thèse permettent d’appuyer les études antérieures qui soutiennent que les personnes aveugles parviennent à compenser leur déficit et à développer des habiletés spatiales comparables, voire supérieures, à celles de personnes voyantes. Ils permettent également d’apporter un éclairage nouveau sur le concept de plasticité cérébrale présent chez cette population en montrant pour la première fois un lien entre le volume de l’hippocampe et les habiletés spatiales chez les personnes aveugles. / It is well known that the visual modality plays a key role in the development of spatial representations. Hence, one may wonder how complex spatial abilities develop and how the brain is able to adapt in the absence of this modality. In order to answer such questions we investigated the spatial abilities and cerebral plasticity of both early and late blind individuals in comparison to sighted blindfolded individuals. The first experiment was designed to assess mental rotation abilities. A tactile topographical orientation task was used. The results show that blind individuals are able to develop mental rotation abilities similar to those of sighted ones. In the second experiment, we used different spatial tasks requiring the use of locomotion and wayfinding. Results show that blind individuals are better than their sighted counterparts at learning new routes in a maze. They also perform better when having to recognize a small-scale model representing a real-size spatial layout they had previously explored. Thus, the absence of vision does not appear to significantly impede the formation of spatial concepts. The second part of this thesis is in line with studies on brain plasticity in blind individuals. We measured morphological changes in the hippocampus, a medial structure of the temporal lobe. Animal lesion-based and human brain imaging studies have shown that the hippocampus plays an important role in the processing of spatial information and in spatial navigation. Furthermore, structural changes in the hippocampus have been documented in relation to the ‘spatial’ experience of individuals. For instance, Maguire and colleagues (2000) have shown structural differences in the hippocampus of well-trained taxi drivers in comparison to individuals without extensive spatial training. Like taxi drivers, blind individuals require extensive storage of information regarding their environment. This is essentially because they cannot rely on visual cues to create a representation of the spatial organization of their environment, nor can they continuously visually update their position in space and the spatial coordinates of objects outside of their reach. Here we show for the first time an increase in the volume of the hippocampus in blind compared to sighted individuals. Moreover, this increase in hippocampal volume was positively correlated with performance on the route-learning task described above. Overall, the results not only support previous findings showing that blind individuals can develop spatial abilities similar or superior to those of sighted individuals, but also shed light on the concept of brain plasticity by showing for the fist time a correlation between hippocampal volume and spatial abilities in the blind.

La maladie d’Alzheimer (MA) est de loin le type de démence le plus répandu chez les personnes âgées. Il est maintenant possible de proposer un certain nombre d’interventions ou de stratégies préventives aux personnes portant un diagnostic de MA ou à risque de développer la maladie. Il est donc important de diagnostiquer cette maladie le plus tôt possible. Les personnes avec un trouble cognitif léger (TCL) représentent une population d’intérêt puisqu’elles sont à haut risque d’évoluer vers une démence et plusieurs d’entres elles seraient ainsi dans une phase prodromale de la MA. Les travaux de cette thèse visent à explorer les activations fonctionnelles associées à la mémoire épisodique et à la mémoire de travail dans le TCL ainsi qu’aux effets de la sévérité de la maladie et des caractéristiques de la tâche sur ces activations. Dans un premier temps, nous exposerons les connaissances relatives au niveau des atteintes cognitives, du patron d’activation fonctionnelle et des plus récents modèles élaborés pour expliquer les changements d’activation dans le vieillissement normal et pathologique (Chapitre 1). Par la suite, les études réalisées dans le cadre de cette thèse seront présentées. Nous avons d’abord étudié la fiabilité du signal d’activation chez les TCL et chez les personnes âgées saines (PA) à l’aide de tâches d’encodage et de récupération de mots (Chapitre 2). Nous avons ensuite comparé le patron d’activation cérébral des PA et des personnes TCL alors qu’elles réalisaient une tâche d’encodage et de récupération de mots. L’effet de la sévérité a été évalué en corrélant les activations des personnes TCL à leurs scores obtenu à une échelle évaluant leur cognition globale (Chapitre 3). L’effet de sévérité a ensuite été étudié de manière plus approfondie chez un plus grand nombre de TCL en utilisant la médiane du groupe à cette même échelle pour déterminer un groupe de TCL plus atteints et un groupe de TCL moins atteints. Ces deux groupes ont ensuite été comparés à un groupe de PA lors d’une tâche d’encodage de paires de mots reliés sémantiquement ou non-reliés (Chapitre 4), une tâche de reconnaissance de paires de mots mesurant principalement la familiarité ou principalement la recollection (Chapitre 5), ainsi que deux tâches impliquant des composantes différentes de la mémoire de travail et des fonctions exécutives, soit la manipulation de l’information et l’attention divisée (Chapitre 6). Les résultats présentés dans cette thèse ont mis en évidence une distinction entre le patron d’activation des TCL et des PA qui semble caractérisée par une interaction entre le niveau de sévérité de la maladie et les processus cognitifs impliqués dans la tâche. L’effet de sévérité a été observé lors de plusieurs tâches impliquant des processus cognitifs différents où les MCI moins atteints ont montré principalement des hyperactivations sous-tendant des mécanismes compensatoires et les MCI plus atteints ont montré principalement des hypoactivations soulignant la dégradation de ces mécanismes. Par ailleurs, les résultats de nos études ont aussi montré que cet effet de sévérité est modulé par le moment d’altération du processus cognitif impliqué dans la tâche: les processus altérés précocément dans le TCL sont caractériséees par des hyperactivations chez les TCL moins atteints tandis que les processus altérés plus tardivement ont plutôt élicité des hyperactivations chez les TCL plus atteints. Les implications de ces résultats, ainsi que les limites des études, sont discutés (Chapitre 7). / Alzheimer's disease (AD) is by far the type most common dementia in the elderly. It is now possible to propose a number of interventions or preventive strategies to individuals with a diagnosis of AD or at risk of developing the disease. It is therefore important to diagnose this disease as soon as possible. Individuals with mild cognitive impairment (MCI) represent a population of interest as they are at high risk of developing dementia and many of these persons might thus be in a prodromal phase of AD. The work of this thesis aims to explore the functional activations associated with episodic memory and working memory in MCI as well as studying the effects of disease severity and of task characteristics on these brain activations. Initially, we will review the current knowledge about the level of cognitive impairment, functional activation pattern and the more recent models developed to explain changes of functional activation in normal aging and disease (Chapter 1). Subsequently, the studies of this thesis will be presented. First, we studied the reliability of activation signal in people with MCI and healthy elderly individuals (HE) using tasks of encoding and retrieval of words (Chapter 2). We then compared the pattern of brain activation between HE and MCI persons while they were administered tasks of encoding and retrieval of words and pseudo-words. The effect of severity was assessed by correlating activations of MCI persons with their scores on a scale assessing their overall cognition (Chapter 3). The effect of severity was then examined in more details in a larger number of people using the median score of the MCI group on the scale of global cognitive assessment to determine a group of less impaired MCIs and a group of more impaired MCIs. These two groups were compared to a group of HE while conducting a task of encoding semantically related or unrelated pairs of words (Chapter 4), a recognition task of word pairs measuring either mainly familiarity processes or recollection processes (Chapter 5) and two tasks involving different components of working memory or executive functioning, the manipulation of information and division of attention (Chapter 6). The results presented in this thesis have highlighted a distinction between the functional activation pattern of MCI persons and HE which seems to be characterized by an interaction between level of disease severity and the cognitive processes involved in the task. The effect of severity was observed in several tasks involving different cognitive processes during which less impaired MCIs showed primarily hyperactivations underlying compensatory mechanisms and more impaired MCIs showed mainly hypoactivations suggesting a degradation of these mechanisms. Moreover, the results of our studies have also shown that the effect of severity is modulated by the time of alteration of the cognitive processes involved in the task: the process altered early in MCI are caracterized by hyperactivations in less impaired MCIs while processes that are altered later on elicited hyperactivations in more impaired MCIs. The implications of these findings and the limitations of the studies are discussed (Chapter 7).

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Succédant à une théorisation centrée sur le rôle des déficits des fonctions exécutives, les modèles contemporains du trouble déficit de l'attention / hyperactivité (TDAH) mettent en avant l’hétérogénéité d’une catégorie diagnostique impliquant des déficits neuropsychologiques, voies cérébrales et mécanismes étiopathogéniques multiples. En dépit de cette évolution, la majorité des études d'imagerie cérébrale des corrélats structurels du trouble menées à ce jour ont été conduites au niveau de la catégorie diagnostique, sans spécification supplémentaire. Cette approche comparant en moyenne un groupe de patients avec TDAH à un groupe de sujets sains a donné des résultats très variables d'une étude à l'autre, la comparaison inter-étude étant toutefois rendue difficile par la présence de facteurs confondants, tels que des différences en terme de régions d’intérêt examinées, de comorbidités acceptées chez les patients, de pourcentages de sujets masculins et féminins, de fenêtre d’âge sélectionnée, de méthodologie d'analyse ou encore de pourcentage de patients traités par méthylphénidate. Dans ce doctorat, nous nous sommes appuyés sur la morphométrie voxel-à-voxel pour isoler l’influence sur les volumes de matière grise de deux facteurs d’hétérogénéité intra-catégorielle dans le TDAH : le genre d’une part, et un polymorphisme génétique (Val158Met du gène Catéchol-O-méthyltransferase (COMT)) d’autre part ; ces deux facteurs présentant l’intérêt de moduler le risque associé de développer un trouble de type externalisé. Nous avons également comparé les volumes de matière grise d’enfants avec TDAH ayant reçu un traitement par méthylphénidate, de patients n'ayant jamais été exposé à la médication, et de sujet sains. Ces recherches expérimentales ont été inscrites dans une discussion plus générale de l’hétérogénéité des résultats de la littérature structurelle consacrée au TDAH et des sources neuropsychologiques de cette hétérogénéité. Dans notre étude des effets du genre sur les volumes de matière grise dans le TDAH, nous reportons pour la première fois une interaction entre genre et diagnostic, avec des corrélats structurels du trouble différents chez les garçons et les filles avec TDAH dans des régions de la ligne médiane du cerveau, impliquées à la fois dans la régulation émotionnelle et dans le fonctionnement du mode de réseau par défaut. Nous suggérons que ces différences structurelles pourraient contribuer aux différences de risque associé pour les troubles internalisés et externalisés présentées par les garçons et filles avec TDAH. Dans notre étude explorant l'influence du polymorphisme Val158Met sur les volumes de matière grise, nous mettons en évidence une modulation génétique des corrélats structurels du trouble : les sujets homozygotes pour l'allèle Val158, identifiés dans la littérature comme à risque pour le développement d'un trouble des conduites, présentent des volumes de matière grise supérieurs dans le noyau caudé comparativement aux sujets sains, tandis que les patients avec TDAH porteurs d'un allèle Met158 présentent des volumes de matière grise plus faibles dans le cortex préfrontal inférieur droit, une région cruciale pour les processus de contrôle attentionnel. Enfin, dans notre étude des corrélats structurels de l'exposition au méthylphénidate, nous reportons un effet potentiellement normalisateur du traitement sur les volumes de matière grise de l'insula et du pole temporal, des volumes de matière grise plus faibles chez les patients traités comparativement aux sujets sains dans le gyrus frontal moyen et dans le gyrus précentral, et une association entre volume de matière grise dans le nucleus accumbens gauche et durée d'exposition au méthylphénidate chez les sujets traités. (...) / Previous models of Attention Deficit / Hyperactivity Disorder (ADHD) such as Barkley’s or Brown’s conceptualized ADHD as essentially a developmental impairment of executive function. Against this view, it is now recognized that ADHD is a heterogeneous disorder, involving multiple deficits and multiple neuronal pathways. Despite this current theoretical framework, most structural brain imaging studies in ADHD have compared groups of children with ADHD with typically developing children, without trying to identify subgroups within the diagnostic category. This approach has yielded heterogeneous findings, possibly due to inter-studies variations in the type and number of comorbidities, the percentage of medicated participants included, the number of girls included, and/or methodological and statistical differences. Patients participating in these studies were also often exposed to methylphenidate, and potential medication effects on grey matter volumes are still unclear in certain brain regions such as the frontal lobe, despite a therapeutic action involving the preferential activation of catecholamine neurotransmission within the prefrontal cortex. In this thesis, we used voxel-based morphometry to study the influence of two important risk factors for the development of comorbid conditions in ADHD. The first of these two factors was gender, and the second a genetic polymorphism of the Catechol-O-methyltransferase gene known to put children with ADHD at risk for developing a conduct disorder (Val158Met). We also compared grey matter volumes in children with ADHD exposed to methylphenidate, never-medicated children with ADHD and typically developing children. These experimental studies were part of a more general discussion of ADHD neuropsychological and neurobiological heterogeneity. In our study exploring the influence of gender on the structural correlates of ADHD, we report for the first time a gender-by-diagnosis interaction, with grey matter volume differences in boys and girls with ADHD in midline cortical structures, involved in emotional regulation and part of the default mode network. We propose that these differences may contribute to explain why girls with ADHD more often develop inattentive and internalizing symptoms, whereas externalizing symptoms are predominant in boys with ADHD. In our study investigating the effects of Val158Met in ADHD, we report the first evidence of a COMT-related genetic modulation of ADHD-related grey matter volume alterations. Indeed, children with ADHD at higher risk for developing a conduct disorder (children homozygotes for the Val158 allele) presented increased grey matter volumes in the caudate nucleus when compared with typically developing children, whereas children carrying a Met158 allele presented with decreased grey matter volumes in the right inferior frontal cortex, a region known for its key role in attention. Finally, we measured grey matter volumes in medicated children with ADHD, never-medicated children with ADHD and typically developing children using both whole-brain voxel-based morphometry and automated tracing procedures in chosen regions of interest. We document potential methylphenidate-related grey matter volume normalization and deviation in previously unexplored frontal and temporal regions, and report a positive association between treatment history and grey matter volume in the nucleus accumbens, a key region for reward processing. Our first two experimental studies therefore contribute to a better understanding of the influence of important sources of within-category heterogeneity, while the third helps clarifying the potential confounding effect of medication exposure in previous structural brain imaging studies in ADHD.

Kognitive Kontrolle wird besonders in solchen Momenten deutlich, wenn eine geplante Handlung gestört wird. Weil zwei widerstreitende Verhaltenstendenzen gleichzeitig bestehen oder anlaufen, entsteht ein Konflikt. Experimentell können kognitive Konflikte beispielsweise mit dem Stroop-Paradigma hergestellt und untersucht werden (Stroop, 1935). Es ist dabei eine aktuelle Frage, wie Konflikte zeitlich verarbeitet werden und wo im Gehirn diese Verarbeitung geschieht. Zeitlich können Konflikte beispielsweise dann entstehen, wenn die Informationen des Stimulus abgerufen werden oder auch erst dann, wenn die intendierte Antwort tatsächlich für die Artikulation ausgewählt werden muss. Eine weiterführende Frage ist, ob sich die entsprechenden Ergebnisse für verschiedene Stroop-Varianten unterscheiden. In der vorliegenden Arbeit wurden diese Fragen systematisch für die Verarbeitung von Objekten und Zahlen mit zwei Varianten des Stroop-Paradigmas untersucht. In der vorliegenden Dissertation präsentiere ich Ergebnisse von Reaktionszeitstudien und fMRT-Experimenten zum zeitlichen Ablauf und zu neuronalen Substraten kognitiver Konflikte während der Verarbeitung von Objekten und Zahlen. Um die Konflikte zeitlich und räumlich lokalisieren zu können, wird die Abrufphase und die Antwortphase separat modelliert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Konflikte eher während des Abrufs als bei der Antwortauswahl stattfinden. Außerdem wird geschlussfolgert, dass die Konflikte für Zahl- und Objektrepräsentationen nicht auf gemeinsamen neuronalen Substraten basieren. Die Ergebnisse meiner Reaktionszeitstudien und der MRT-Studien deuten also darauf hin, dass Konflikte bei der Verarbeitung von Objekten und Zahlen zwar einem ähnlichen zeitlichen Verlauf folgen, aber offenbar in unterschiedlichen neuronalen Netzwerken verarbeitet werden. / In daily life, we constantly have to adjust our goals and plans to changing task demands and internal needs. Our ability to balance the initiation and inhibition of our actions, and to solve resulting conflicts between them, is referred to as cognitive control. To study the processes of cognitive control, the Stroop Paradigm has become a popular tool (Stroop,1935). The Stroop Paradigm is frequently used to address central questions of cognitive control. It is, for instance, an open issue, where and when in the processing stream cognitive conflicts arise. Do they arise early, for example, during the retrieval of target and distractor? Or do they occur late, when the response is prepared for execution? Another debate is concerned with the question whether the findings agree for different Stroop variants (Van Maanen et al., 2009). In this dissertation I present research on the temporal characteristics and the neural substrates of cognitive conflicts during the processing of objects and numbers. To better understand the locus of the conflict, the retrieval phase and the response phase are modelled separately. The results from several reaction time studies and from two fMRI experiments speak to the issue that processing costs occur during retrieval, i.e., early in the processing stream, for both, object and number representations. The results further indicate that the processing of the conflict between target and distractor for number and object representations do not rely on common neural substrates. I will thus present the results from behavioural and functional imaging experiments, showing similar temporal patterns for the conflicts in both systems, but distinct underlying neural networks.