L'activité neuronale partagée entre les différentes régions cérébrales permet d'estimer les patrons d'activation fonctionnelle à l'échelle de réseaux distribués, même en l'absence de paradigme. Constamment rapportés dans la population saine, les réseaux fonctionnels au repos (RSNs) peuvent être utilisés comme objet d'étude pour comprendre la contribution du développement sensoriel atypique sur la communication globale inter-réseau. À ce jour, peu d'études ont exploré l'organisation cérébrale au repos dans le contexte de la surdité. Pourtant, de multiples évidences soutiennent l'importance des entrées sensorielles en début de vie dans la consolidation de l'architecture fonctionnelle du cerveau. L'étude présentée dans ce mémoire a été développée et conceptualisée pour rendre compte de la relation entre la privation sensorielle et l'activité cérébrale spontanée entre les RSNs. À cette fin, 17 personnes avec une surdité congénitale de degré sévère à profond et 18 personnes entendantes non signeurs ont été recrutées et ont effectué 10 minutes d'enregistrement par imagerie magnétique fonctionnelle (IRMf) à l'état de repos. Les estimations de connectivité fonctionnelle de 17 RSNs extraites par une méthode de parcellisation fonctionnelle du cerveau ont été comparées entre les groupes. Le couplage entre les réseaux d'attention dorsale (DAN) et d'attention ventrale (VAN) était significativement plus élevé chez les participants qui présentent une surdité. Ces deux systèmes sont impliqués dans les tâches attentionnelles descendantes (« top-down ») et ascendantes (« bottom-up »), respectivement. Les résultats démontrent une réorganisation du cerveau au sein des réseaux associatifs et proposent une preuve potentielle des substrats neuronaux qui sous-tendraient les performances attentionnelles supérieures des personnes avec une surdité. / Neural activity shared between different brain regions allows estimation of functional activation patterns at the scale of distributed networks, even in the absence of a paradigm. Consistently reported in the healthy population, resting-state functional networks (RSNs) can be studied to understand the contribution of atypical sensory development on global inter-network communication. To date, few studies have explored brain organization at rest in the context of deafness. Yet, numerous evidence supports the importance of early sensory input in the consolidation of the brain's functional architecture. The study presented in this thesis was developed and conceptualized to report on the relationship between sensory deprivation and spontaneous brain activity between RSNs. To this end, 17 individuals with severe to profound congenital hearing loss and 18 non-signer hearing individuals were recruited and performed 10 minutes of functional magnetic imaging (fMRI) recording at rest. Functional connectivity estimates of 17 RSNs extracted by a functional brain parcellation method were compared between groups. The coupling between dorsal attention (DAN) and ventral attention (VAN) networks was significantly higher in deaf participants. These two systems are involved in topdown and bottom-up attentional tasks, respectively. The results demonstrate brain plasticity within associative networks and offer potential evidence of neural substrates that may underlie superior attentional performances observed in individuals with deafness.

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.

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 douleur chronique est l’un des problèmes les plus complexes auxquels sont confrontées la médecine et les neurosciences. Au fil des siècles, il a été un casse-tête et reste encore un défi pour la recherche étant donné la complexité de sa nature. Parmi la quantité considérable de douleurs chroniques existantes, la douleur du membre fantôme est l’une de plus difficiles à traiter. Les études récentes montrent que les changements corticaux majeurs qui apparaissent après une amputation sont la conséquence de la douleur chronique fantôme. Je soutiens que la cause principale de la douleur fantôme est la non-acceptation de la perte d’une partie du corps, autrement dit, que la douleur mentale provoquée par la transformation de l’image de soi devient une douleur chronique physique, et que c’est l’esprit qui contrôle les réseaux cérébraux : bien qu’il émerge du cerveau, l’esprit arrive à le modifier du fait d’influences exogènes. L’analyse des études que j’ai réalisée pour tester mon hypothèse, m’a permis de constater que la perception douloureuse dépend de diverses influences externes qui sont indépendantes de l'entrée (signal) nociceptive. Je conclus que la plasticité corticale mise en évidence lors de l'expérience douloureuse chronique ne dépend pas seulement de l'action et de l'interaction entre les réseaux neuronaux dynamiques, mais aussi de la communication entre ces réseaux neuronaux (système endogène) et les réseaux environnementaux (système exogène), ces derniers étant capables de moduler la perception de la douleur. Je souligne donc l’importance de la reconnaissance du caractère mental de la douleur chronique et le besoin d’analyser sa dimension émotionnelle afin de la moduler. / Chronic pain is one of the most complex problems facing medicine and neuroscience. Over the centuries, it has been a puzzle and remains a research challenge given the complexity of its nature. Among the large number of existing different kinds of chronic pain, phantom limb pain is one of the most difficult to treat. Recent studies show that major cortical changes that appear after amputation are the result of chronic phantom limb pain. I argue that the main cause of phantom limb pain is the non-acceptance of the loss of a part of the body, that is to say, that the mental pain caused by the transformation of the self-image becomes a chronic physical pain. It is the mind that controls the cérébral networks : even if it emerges from the brain, the mind manages to modify it as a consequence of external influences. The analysis of the studies I performed to test my hypothesis, allowed me to confirm that the perception of pain depends on various external influences that are independent of the nociceptive signals. I conclude that the cortical plasticity highlighted during chronic painful experience does not only depend on the action and interaction between dynamic neural networks, but also on the communication between these neural networks (endogenous system) and environmental networks (exogenous system). These latter networks are capable of modulating the perception of pain. I therefore emphasize the importance of recognizing the mental nature of chronic pain and the need to analyze the emotional dimensions which modulate it.

L’objet de ce travail est de mieux comprendre les modifications cognitives et cérébrales liées à la sclérose en plaques (SEP) et les facteurs pouvant les affecter afin de contribuer à améliorer la prise en charge cognitive des personnes vivant avec une SEP. Nous avons orienté nos travaux selon 2 axes. Le premier visait à optimiser les évaluations cognitives. Nous avons montré une diminution de la qualité de vie (QdV) liée à l’atteinte cognitive et à son retentissement sur le statut professionnel, ainsi que l’intérêt d’utiliser l’Echelle d’Humeur Dépressive version auto-questionnaire que nous avons validée et dont la dimension « perte de contrôle émotionnel » était particulièrement associée à la QdV. Nous avons aussi élaboré des tâches « écologiques » en environnement virtuel et montré leur potentiel à évaluer plusieurs composantes cognitives, voire leurs interactions, suggérant leur intérêt pour évaluer l’impact des troubles cognitifs dans les activités quotidiennes. Le second, pour lequel nous avons présenté les bases théoriques, la méthodologie et les résultats préliminaires, consistait à améliorer la prise en charge cognitive grâce à son évaluation et à la réhabilitation (étude REACTIV, en cours). Nous avons créé des paradigmes en IRMf et un programme de réhabilitation spécifique visant à guider les phénomènes de plasticité cérébrale afin d’optimiser le transfert des acquis dans la vie quotidienne et améliorer la QdV. Lors des résultats préliminaires, nous avons identifié en imagerie multimodale des mesures IRM de deux structures prédictives de la progression de certaines performances cognitives au cours de nos thérapies : le thalamus et le corps calleux. / The purpose of this work is to better understand the cognitive and brain changes associated with multiple sclerosis and the influencing factors to help improve cognitive support for people living with MS. We organized our work according to two axes. The first one was to optimize cognitive assessments. We have shown i) a decrease in quality of life (QoL) linked to cognitive impairment and its impact on the professional status and ii) interest in the use of Depressed Mood Scale self-questionnaire that we validated and whose lack of emotional control dimension was particularly associated with QoL. We also developed ecological tasks in virtual environment and showed their potential to evaluate several cognitive components or their interactions, suggesting an interest in evaluating the functional impact of cognitive impairment in daily activities of PwMS. The second, for which we presented the theoretical basis, methodology and preliminary results, was to improve cognitive care through its assessment and rehabilitation (REACTIV study in progress). We created fMRI paradigms and a specific rehabilitation program to guide brain plasticity phenomena in order to optimize the transfer of training in daily life and improve QoL. Preliminary results in multimodal imaging revealed MRI measures of two structures, the thalamus and the corpus callosum, which would be predictive of progression of certain cognitive performance during our therapies.

Des études suggèrent que certaines capacités sensorielles peuvent être augmentées chez l’humain, soit i) à la suite d’un entraînement ou ii) à la suite de privation sensorielle précoce. Des études suggèrent qu’une telle altération sensorielle peut être retrouvée chez les personnes ayant subi un entraînement musical. L’interaction entre ce qui est entendu et ressenti est spécialement importante lorsqu’un individu joue d’un instrument de musique. L’entraînement musical est reconnu comme étant une forme d’entraînement multisensoriel incluant des interactions entre des composantes auditives, visuelles et tactiles. Celui-ci peut mener à des réorganisations anatomiques et structurelles dans les régions corticales associées à ces modalités sensorielles. Plusieurs études comportementales ont révélé des habiletés de détection tactile améliorées chez les musiciens. Il est toujours incertain que ces améliorations puissent être retrouvées lors de processus plus complexes tels que la reconnaissance des émotions. Une autre population d’étude pourrait aussi révéler une altération des capacités tactiles, soit les personnes sourdes de naissance. Des études en imagerie ont révélé que les stimuli vibrotactiles activaient les régions auditives chez les personnes sourdes, suggérant ainsi une importante réorganisation tactile chez ces individus. Pourtant, au niveau comportemental, les capacités de détection tactile semblent similaires aux contrôles. Récemment, il a été suggéré que des processus tactiles plus complexes pourraient permettre de révéler des différences comportementales entre les personnes sourdes et entendantes. Malheureusement, tout comme chez les musiciens, ces processus n’ont toujours pas été évalués à ce jour. L’objectif principal de cette thèse est donc d’évaluer i) la perception unisensorielle tactile, auditive ainsi que multisensorielle chez les musiciens et ii) la perception unisensorielle tactile chez les sourds à l’aide de tâches non-musicales et musicales. Chez les musiciens, les résultats de cette thèse suggèrent des capacités de discrimination fréquentielle auditive, tactile et audiotactile améliorées (étude 1) ainsi que des améliorations de la perception d’émotions musicales complexes auditive et tactile (étude 2). Ces études supportent l’hypothèse qu’une formation musicale à long terme : i) entraîne une amélioration des capacités unisensorielles auditives et tactiles, mais surtout que celle-ci s’étend à des processus tactiles complexes, ii) a un impact à tous les niveaux hiérarchiques du traitement sensoriel et cognitif. Chez les individus sourds, les résultats ont révélé un plus haut taux d’erreurs lors de la tâche de détection d’ordre temporel tactile (étude 3). Ce résultat suggère que la cartographie spatiale du toucher est altérée chez les individus sourds. De plus, l’étude ayant mesuré la perception des émotions tactiles a révélé que ceux-ci sont capables d’identifier des émotions via la modalité tactile seule et ont même une capacité améliorée à identifier la joie (étude 4). Cette capacité accrue à percevoir la joie dans une mélodie via la modalité tactile illustre que des habiletés tactiles complexes peuvent être améliorées suite à une privation auditive de longue date. Ces deux études mises en commun illustrent que des capacités tactiles complexes non-musicales et musicales sont altérées chez l’individu sourd, ce qui supporte les études suggérant une réorganisation corticale des aires auditives et tactiles chez les individus sourds. / Studies suggest that some sensory abilities may be increased in humans, either i) following training or ii) following early sensory deprivation. Studies suggest that such sensory alteration can be found in people who have undergone musical training. The interaction between what is heard and felt is especially important when an individual is playing a musical instrument. Musical training is well-known as a form of multisensory training that includes interactions between auditory, visual and tactile modalities. This can lead to anatomical and structural reorganizations in the cortical regions associated with these sensory systems. Several behavioral studies have revealed improved tactile perception skills in musicians. It is still unclear whether these improvements can be found for more complex processes, such as recognition of emotions. Similar alteration of tactile abilities may also be found in another population, namely early-deaf individuals. Imaging studies have shown that vibrotactile stimuli activate auditory regions following deafness, suggesting a significant tactile reorganization of their cortex. Yet, from a behavioral point of view, tactile perception in deaf seems similar to controls. Recently, it has been suggested that more complex tactile processes may reveal behavioral differences between deaf and normal-hearing individuals. Unfortunately, similarly to musicians, these processes have not been investigated to date. The main objective of this thesis is therefore to evaluate via non-musical and musical tasks i) tactile, auditory and multisensory perception of music among musicians and ii) tactile perception of music among deaf individuals. For musicians, results of this thesis suggest enhanced auditory, tactile and audio-tactile frequency discrimination capabilities (Study 1). Also, results suggest an increase perception of emotions in music, which suggests improvements for complex auditory and tactile abilities (Study 2). These studies support the hypothesis that long-term musical training: i) leads to improved auditory and tactile perception, but especially that it extends to complex tactile processes, ii) has an impact at all hierarchical levels of sensory and cognitive processing For deaf individuals, results revealed a higher error rate during the tactile temporal order detection task (Study 3). This result suggests that spatial mapping of touch is impaired in deaf individuals. In addition, the study measuring tactile perception of emotion in music revealed that they are able to identify emotions via tactile modality solely. Also, improvements were found for the identification of happy emotion via tactile modality solely (Study 4). This increased ability to perceive happiness in a melody via the tactile modality illustrates that complex tactile skills can be improved following longstanding hearing deprivation. These two studies together suggest that complex non-musical and musical tactile abilities are altered in the deaf individual, which supports studies suggesting a cortical reorganization of auditory and tactile areas following long-term auditory deprivation.

Les fonctions exécutives (FE), et en particulier le Contrôle Inhibiteur (CI), jouent un rôle très important dans la réussite académique et professionnelle ainsi que dans la physiopathologie de nombreux troubles psychiatriques. L'adolescence est une période critique du développement du CI, ce dernier étant sous-tendu en particulier par la maturation tardive du cortex préfrontal jusqu’au début de l'âge adulte. Le premier objectif de cette thèse a été de cartographier les bases neurales du CI durant le développement et d'en évaluer leurs spécificités en les comparant avec celles de la mémoire de travail (MdT), une autre composante clef des FE. À partir d'une méta-analyse des études en IRMf du CI et de la MdT incluant 845 enfants, 1377 adolescents et 10235 adultes, nous avons identifié des modifications de l'activité fonctionnelle, à savoir le passage d'un réseau diffus à un réseau focal plus spécialisé avec l'âge, en accord avec un modèle dynamique du développement cérébral. Un large recouvrement de régions fronto-pariétales pour le CI et la MdT a également été détecté, ce qui soulève la question de la spécificité des processus et des tâches de ces deux FE. Par la suite, nous avons analysé l'effet à long terme du neuro-développement précoce sur le CI à partir de l'étude de la morphologie sulcale, un paramètre anatomique du cerveau déterminé lors de la vie fœtale. Dans un premier temps, nous avons montré, d'après une analyse longitudinale de 243 IRM, la stabilité du motif des sillons durant le développement. Nous avons par la suite établi que les polymorphismes sulcaux du cortex cingulaire antérieur et du sillon frontal inférieur contribuaient, de manière complémentaire, à l'efficience du CI chez l'enfant et également chez l'adulte. Enfin, nous nous sommes intéressés à l’entraînement cognitif au CI à l'adolescence, une période de très grande plasticité cérébrale et de sensibilité à l'environnement. Nous avons étudié chez 49 adolescents de 16-17 ans l'effet d'un entraînement intensif sur tablette tactile (25 sessions de 15 minutes par jour) au CI versus Contrôle Actif aux niveaux cognitif et cérébral (IRMf : tâches de stop-signal, de matrice de points, du réseau attentionnel et de gratification retardée). Nous avons en particulier évalué l'effet des facteurs neurodéveloppementaux précoces sur la réceptivité à l’entraînement au CI. Ces travaux s'inscrivent dans un nouveau champ de recherche interdisciplinaire à l'interface entre les neurosciences et la psychologie. Dans une perspective translationnelle éducative et thérapeutique, il vise à évaluer le plus finement possible, grâce à l'imagerie cérébrale anatomique et fonctionnelle, quelles interventions pédagogiques et thérapeutiques sont susceptibles d'aider au mieux le cerveau à surmonter des difficultés d'ordre cognitif. / Executive functions (EF), including Inhibitory Control (IC), play a major role in academic and professional achievement, as well as in the pathophysiology of many psychiatric disorders. Adolescence is a critical period in IC development as it is underlain by the protracted maturation of prefrontal cortex until early adulthood. The first objective of this thesis was to examine the neural bases of IC during development and to evaluate their specificities by comparing them with the working memory (WM), another key component of EF. Based on a meta-analysis of IC and WM fMRI studies including 845 children, 1377 adolescents and 10235 adults, we identified changes in functional activity with a shift from a diffuse to a more focal and specialized network with age. These results support the model of dynamic neurofunctional development. Moreover, a large overlap of fronto-parietal regions was found for IC and WM, which raises issues regarding the specificities of IC and WM processes and tasks. Second, we analyzed the long-term effect of early neurodevelopment on IC based on the sulcus morphology, an anatomical brain feature determined during fetal life. We showed, using a longitudinal analysis of 243 MRIs, that folding patterns are fixed from childhood to adulthood. Subsequently, we established that the sulcal polymorphisms of the anterior cingulate cortex and the inferior frontal sulcus complementary contributed to IC efficiency in both children and adults. Finally, we studied IC training in adolescence, a period of high brain plasticity and environmental sensitivity. We examined the effects of an intensive IC training (25 sessions of 15 minutes per day) versus active control training group on touchscreens in 49 adolescents (16-17 years-old) on cognitive and brain levels (fMRI: stop-signal, dot matrix, attentional network and delayed gratification tasks). We also assessed the effect of early neurodevelopmental factors on IC training receptivity. This thesis is part of a new field of interdisciplinary research, at the interface between neurosciences and psychology. It includes translational educational and therapeutic perspectives, with aims at evaluating as finely as possible, using anatomical and functional brain imaging, what pedagogical and therapeutic interventions are likely to help the brain to overcome cognitive difficulties.

La plasticité cérébrale est régulée de façon dynamique au cours d’une vie : atteignant des sommets au cours de l’enfance, elle est réduite chez l’adulte. Toutefois, des circonstances particulières appellent à vouloir stimuler la malléabilité du cerveau adulte : pour favoriser la réhabilitation suite à un accident vasculaire cérébral ou un traumatisme crânien, pour aider l’adaptation spécifique nécessaire pour vivre avec une nouvelle prothèse ou encore pour améliorer l’efficacité de la thérapie cognitivo-comportementale suite à un traumatisme émotionnel qui a laissé un souvenir de peur qui s’est développé en syndrome de choc post-traumatique. Toutes ces situations demandent des capacités d’adaptation et une flexibilité exceptionnelles au système nerveux central. Or, pour retrouver une plasticité cérébrale telle qu’au niveau juvénile, la littérature nous apprend qu’il faut diminuer la puissance inhibitrice générée par un type d’interneurones particuliers, ceux exprimant la parvalbumine (PV+). Les fonctions des interneurones PV+ dépendent autant de leur patron de connectivité que de l’environnement extracellulaire dans lequel ils évoluent. En effet, en innervant des centaines de neurones cibles, délivrant une forte inhibition périsomatique en formant de multiples synapses autour de leur corps cellulaire et de leurs dendrites proximales, ils ont été impliqués dans l’intégration synaptique des neurones pyramidaux et dans la synchronisation des circuits corticaux. Toute manipulation ciblant cette arborescence axonale complexe pourrait s’avérer efficace à l’augmentation de la plasticité cérébrale en diminuant l’inhibition qu’elle génère. Ainsi, comprendre la signalisation moléculaire restreignant la croissance de l’arborescence axonale et la formation de boutons fonctionnels au cours de la longue phase développementale qui caractérise les interneurones PV+ aiderait à identifier des méthodes efficaces afin d’activer cette signalisation moléculaire chez l’adulte. De plus, comprendre les régulations épigénétiques liées au développement et à la maturation structurelle et fonctionnelle des interneurones PV+ offrirait une cible de choix afin de dématurer ces circuits inhibiteurs et lever un frein sur la plasticité cérébrale adulte. Nous démontrons ici que l’expression du récepteur des neurotrophines p75NTR chez les interneurones PV+ au cours de leur développement restreint la maturation de leur arborescence axonale, autant in vitro que in vivo, ainsi que l’agglomération des filets périneuronaux, autour de leur corps cellulaire. Aussi, en utilisant une version modifiée du test de ligation de proximité, nous avons résolu une controverse et démontré que le récepteur est toujours exprimé chez les interneurones PV+ du cortex adulte. Enfin, l’activation de la signalisation via p75NTR des interneurones PV+ par son ligand proBDNF est suffisante pour déstabiliser leur connectivité et restaurer la plasticité du cortex visuel suite à une privation monoculaire. Également, l’inactivation d’un régulateur épigénétique, l’histone déacétylase Hdac2, spécifiquement chez les interneurones PV+ suffit à diminuer leur connectivité efférente ainsi que l’agglomération des filets périneuronaux autour de leurs corps cellulaire tout en augmentant la rétention de l’extinction des souvenirs de peur, témoignant d’une augmentation de la plasticité cérébrale adulte. Par le séquençage d’ARNm en cellule unique, suivi de l’hybridation in situ RNAscope, nous avons identifié le gène Acan, codant pour aggrécane, une composante protéique des filets périneuronaux, comme étant exprimé de façon autonome à la cellule par les interneurones PV+ du cortex préfrontal adulte. Enfin, nous avons démontré qu’une seule injection d’un nouvel inhibiteur spécifique pour Hdac2 avant le paradigme d’extinction suffit à augmenter la rétention des souvenirs d’extinction chez l’adulte, tout en réduisant l’expression de Acan et l’agglomération des filets périneuronaux dans le cortex préfrontal. En somme, nos travaux ont montré que le remodelage des circuits des interneurones PV+ en ciblant soit le récepteur p75NTR, soit l’histone déacétylase Hdac2, peut efficacement augmenter la plasticité cérébrale chez l’adulte. / Brain plasticity is dynamically regulated during a lifespan: it reaches a peak during juvenile age and decreases in adulthood. However, exceptional circumstances can drive the need to foster adult brain plasticity: to help rehabilitation after a stroke or a head trauma, to increase the adaptability of an individual facing a new life with a prosthetic, to improve the efficiency of cognitive behavioral therapy to cope with the indelible fear memory trace created by an emotional trauma. All these situations require exceptional adaptation capabilities and cognitive flexibility. Several studies have suggested that reducing inhibitory drive, in particular of a specific GABAergic interneuron population, the parvalbumin-expressing interneurons (PV+), could be an effective approach to recover juvenile brain plasticity, thereby increasing adult brain plasticity. PV+ interneuron functions depend on their axonal connectivity pattern as well as their specific extracellular environment. Indeed, by contacting hundreds of postsynaptic neurons and delivering a strong perisomatic inhibitory drive by forming multiple synapses on their somata and proximal dendrites, PV+ interneurons strongly regulate pyramidal cell synaptic integration and cortical circuit synchronisation. PV+ interneuron maturation is a prolonged process, which reaches plateau only after the end of adolescence, and correlates with the decline of developmentally regulated- brain plasticity. We hypothesize that manipulations specifically targeting PV+ interneuron highly complex axonal arborisation, and thus reducing their inhibitory drive, could be efficient tools to foster adult brain plasticity. Understanding the molecular signalling that restricts PV+ cell axonal arborisation growth and the formation of functional presynaptic boutons during their long developmental phase may help identifying efficient methods to activate this molecular pathway, thus reducing PV+ interneuron connectivity, in adults. In addition, understanding the epigenetic regulation of structural and functional maturation of PV+ interneurons may offer a choice target to dematurate these inhibitory circuits and lift a brake on adult brain plasticity. Here, we demonstrate that the expression levels of neurotrophin receptor p75NTR during PV+ interneurons development constrain the maturation of their connectivity as well as the perineuronal net agglomeration around their cell bodies in a cell-autonomous fashion, both in vitro and in vivo. Also, by using a modified version of the proximity ligand assay, we solve a long-standing debate by demonstrating p75NTR expression in PV+ interneurons in adult cortex. Finally, we show that promoting p75NTR signalisation in PV+ cortical interneurons by its ligand proBDNF is sufficient to destabilize their connectivity and restore cortical plasticity following monocular deprivation in the adult visual cortex. We further show that the deletion of the epigenetic regulator histone deacetylase 2 (Hdac2), specifically in PV+ interneurons, is sufficient to decrease their efferent connectivity and perineuronal net agglomeration around their cell bodies, while increasing fear extinction retention, a measure of brain plasticity. By single-cell RNA sequencing, followed by RNAscope in situ hybridization, we found that the Acan gene, which encodes for aggrecan, a critical perineuronal net protein component, is expressed cell-autonomously by PV+ interneurons in adult prefrontal cortex. Finally, we showed that a single injection of a novel Hdac2 specific inhibitor before extinction training is sufficient to increase fear extinction retention in adults, while reducing Acan expression and perineuronal net agglomeration in prefrontal cortex. In summary, our work shows that increasing remodeling of PV+ interneuron circuits by targeting either p75NTR receptor or histone deacetylase Hdac2 efficiently foster adult brain plasticity.

L'aphasie est un trouble acquis du langage qui cause des difficultés de communication pouvant affecter la compréhension et l'expression. Lorsque l'aphasie survient par suite d’un accident vasculaire cérébral, des difficultés importantes de communication sont initialement constatées, puis une amélioration graduelle dans les semaines et les mois qui suivent. Toutefois, pour certaines personnes, l’aphasie peut rester sévère un an, l’aphasie est alors considérée comme chronique. L'une des manifestations les plus courantes de l'aphasie est l'anomie - un manque de mots. Un nombre croissant d'études se penchent sur l'impact de la thérapie sur l'aphasie chronique et ont montré une amélioration du langage après plusieurs années. Des thérapies sont développées et étudiées en anglais, mais peu d’écrits scientifiques décrivent les effets des thérapies spécifiques et formalisées en français. Le but du présent travail doctoral est d'examiner les effets comportementaux et d’explorer les substrats neurologies du protocole Analyse des Composantes Phonologiques (ACP) ainsi que l’influence des facteurs individuels sur les gains chez dix-huit personnes vivant avec une aphasie chronique. Ainsi, la thèse comporte trois articles qui abordent, chacun, des facettes différentes des effets de l’ACP. Dans le premier article, les effets comportementaux de l’ACP sont explorés ainsi que le rôle des facteurs individuels sur la réponse à l’intervention. Le deuxième considère l’effet de l’ACP sur la connectivité fonctionnelle du cerveau, tout en considérant l’effet des facteurs individuels. Enfin, le troisième article s’intéresse à la réponse par suite de l’intervention ACP en considérant les facteurs individuels du bilinguisme et des caractéristiques neuroanatomiques comme la localisation des lésions et l’épaisseur corticale. L'ensemble de résultats démontre une amélioration significative de la dénomination des noms parmi les dix-huit participant·e·s inclus·e·s. Par ailleurs, cette amélioration a été mesurée sur des mots non-traités, ce qui reflète un effet de généralisation. Par surcroit, cette amélioration se maintient à trois mois et six mois après la fin de l’intervention. L’âge, la sévérité de l’anomie et la présence d’une apraxie de la parole sévère influencent les gains mesurés. Les analyses neurofonctionnelles de connectivité fonctionnelle au repos auprès de dix participant·e·s montrent une meilleure intégration des réseaux visuels et langagiers, associés lors d’une tâche de dénomination des noms. Les changements de connectivité observés dépendent de la sévérité de l'aphasie. Plus spécifiquement, l’intégration interhémisphérique et au sein de l’hémisphère droit est plus importante chez les personnes ayant une aphasie plus légère. Finalement, être bilingue influence aussi les gains observés par suite du protocole Analyse des Composantes Phonologiques. Les personnes bilingues s’améliorent davantage, cet avantage est associé une épaisseur corticale supérieure dans l’hémisphère droit comparativement aux personnes monolingues. Ces données préliminaires suggèrent que les changements comportementaux observés résultent de la combinaison des composantes phonologiques et orthographiques de l'intervention, et que l’intervention requiert et entraîne les fonctions exécutives. Les données cueillies dans le cadre de cette thèse sont prometteuses en ce qui concerne les effets bénéfiques de l’Analyse des Composantes Phonologiques en français. Plus précisément, les gains mesurés auprès d’un échantillon présentant des symptômes variés, la généralisation et le maintien supportent l’utilisation de ce protocole d’intervention auprès de personnes francophones. Il est à noter que la taille du groupe étudié est modeste, mais les méthodologies complémentaires et la convergence des résultats avec les données existantes dans les écrits scientifiques et à travers les méthodes d'étude de cette thèse (niveaux comportemental et neurofonctionnel) justifient des études subséquentes pour mieux comprendre les mécanismes d'action et l’influence des facteurs individuels sur les gains. / Aphasia is an acquired language disorder that causes communication difficulties that can affect understanding and expression. When aphasia occurs following a stroke, significant communication difficulties are initially noted, followed by gradual improvement over the following weeks and months. However, for some people, the aphasia may remain severe after a year even when recovery has been seen, in which case the aphasia is considered chronic. One of the most common symptoms in aphasia is anomia - a difficulty finding and saying words. A growing number of studies are looking at the impact of speech and language therapy on chronic aphasia and have shown improvement in language after several years. Therapies are developed and studied in English, but little scientific literature describes the effects of specific, formalized therapies in French. The purpose of the present doctoral work is to examine the behavioural effects and to explore the neurological substrates of the Phonological Component Analysis (PCA) protocol as well as the influence of individual factors on gains in 18 adults living with chronic aphasia. Thus, the dissertation consists of three articles, each of which addresses different facets of the effects of PCA. In the first article, the behavioural effects of PCA are explored as well as the role of individual factors on the response to the intervention. The second considers the effect of PCA on resting-state functional brain connectivity, while considering the effect of individual factors. Finally, the third paper looks at the response to the PCA intervention by considering the individual factors of bilingualism and neuroanatomical characteristics associated such as cortical thickness, and also lesion location. The overall results show a significant improvement in naming among the eighteen participants included in the thesis. Moreover, this improvement was measured on untreated words, which reflects a generalization effect and was maintained at three and six months after the end of the intervention. Age, severity of impairment and the presence of severe apraxia of speech influenced the measured gains. Neurofunctional analyses of resting-state functional connectivity in ten participants showed improved integration of the visual and language networks, associated during a naming task. The connectivity changes observed depend on the severity of the aphasia. More specifically, interhemispheric and right hemisphere integration is greater in individuals with milder aphasia. Finally, being bilingual also influences the gains observed following the Phonological Component Analysis protocol. Bilinguals improved more, and this advantage was associated with greater cortical thickness in frontal regions of the right hemisphere compared to monolinguals. These preliminary data suggest that the observed behavioural changes result from the combination of the phonological and orthographic components of the intervention, and that the intervention requires and trains executive functions. The data collected in this thesis show promise for the beneficial effects of Phonological Component Analysis in French. Specifically, the gains, generalization, and maintenance measured in a sample of adults living with aphasia displaying varied symptoms support the use of this intervention protocol with French speakers. It should be noted that the size of the study group is modest, but the complementary methodologies and the convergence of the results with existing data in the scientific literature and through the study methods of this thesis (behavioural and neurofunctional levels) justify subsequent studies to better understand the mechanisms of action and the influence of individual factors on gains.

L’aphasie est un trouble acquis du langage entraînant des problèmes de communication pouvant toucher la compréhension et/ou l’expression. Lorsque l’aphasie fait suite à un accident vasculaire cérébral, une régression des déficits communicatifs s'observe initialement, mais elle peut demeurer sévère pour certains et est considérée chronique après un an. Par ailleurs, l’aphasie peut aussi être observée dans l’aphasie progressive primaire, une maladie dégénérative affectant uniquement le langage dans les premières années. Un nombre grandissant d’études s’intéressent à l’impact de la thérapie dans l’aphasie chronique et ont démontré des améliorations langagières après plusieurs années. L’hémisphère gauche semble avoir un rôle crucial et est associé à de meilleures améliorations langagières, mais la compréhension des mécanismes de plasticité cérébrale est encore embryonnaire. Or, l’efficacité de la thérapie dans l’aphasie progressive primaire est peu étudiée. À l’aide de la résonance magnétique fonctionnelle, le but des présentes études consiste à examiner les mécanismes de plasticité cérébrale induits par la thérapie Semantic Feature Analysis auprès de dix personnes souffrant d’aphasie chronique et d’une personne souffrant d’aphasie progressive primaire. Les résultats suggèrent que le cerveau peut se réorganiser plusieurs années après une lésion cérébrale ainsi que dans une maladie dégénérative. Au niveau individuel, une meilleure amélioration langagière est associée au recrutement de l’hémisphère gauche ainsi qu’une concentration des activations. Les analyses de groupe mettent en évidence le recrutement du lobule pariétal inférieur gauche, alors que l’activation du gyrus précentral gauche prédit l’amélioration suite à la thérapie. D’autre part, les analyses de connectivité fonctionnelle ont permis d’identifier pour la première fois le réseau par défaut dans l’aphasie. Suite à la thérapie, l’intégration de ce réseau bien connu est comparable à celle des contrôles et les analyses de corrélation suggèrent que l’intégration du réseau par défaut a une valeur prédictive d’amélioration. Donc, les résultats de ces études appuient l’idée que l’hémisphère gauche a un rôle prépondérant dans la récupération de l’aphasie et fournissent des données probantes sur la neuroplasticité induite par une thérapie spécifique du langage dans l’aphasie. De plus, l’identification d’aires clés et de réseaux guideront de futures recherches afin d’éventuellement maximiser la récupération de l’aphasie et permettre de mieux prédire le pronostic. / Aphasia is an acquired language impairment leading to communication disorders which may affect comprehension and/or expression. When aphasia follows a stroke, major recovery of the communicative deficits is initially observed after the lesion, but for some the aphasia may remain severe and is considered to be chronic after a year. Furthermore aphasia can be observed in primary progressive aphasia, a degenerative disease only affecting language in the early years. The impact of therapy in chronic aphasia is the subject of growing literature in recent years and has shown language improvements after several years of therapy. The left hemisphere seems to have a crucial role and is associated with greater language improvements but our understanding of brain plasticity mechanisms is still lacking. In primary progressive aphasia, few studies have examined therapy effectiveness. Using functional magnetic resonance imaging, the aim of these studies was to examine therapy-induced brain plasticity mechanisms following Semantic Feature Analysis in ten participants suffering from chronic aphasia and one participant with primary progressive aphasia. The results suggest that brain reorganization is possible several years after injury and in degenerative disease. At the individual level, greater language improvement is associated with the recruitment of the left hemisphere and less activated areas. Group analysis shows the recruitment of left inferior parietal lobule, whereas the activation of left precentral gyrus predicts improved response to therapy. Functional connectivity analysis allowed for the first time the identification of the default-mode network in aphasia. Following therapy, the integration of this well-known network is comparable to that of the controls and the correlation analysis suggests that the default-mode network integration has a predictive value for improvement. Therefore, the results of these studies support the idea that the left hemisphere has a major role in the recovery of aphasia and provide evidence on therapy-induced neuroplasticity in aphasia. In addition, the identification of key areas and networks will guide future research in order to possibly maximize the recovery of aphasia and to better predict the prognosis.