Thèse de doctorat présenté en vue de l'obtention du doctorat en psychologie - recherche intervention, option neuropsychologie clinique (Ph.D) / Selon les dernières estimations mondiales, plus de 43,3 millions d’individus seraient atteints d’une privation visuelle. Autrement dit, l’aptitude de ces individus à percevoir visuellement le monde et les détails qui le composent est presque ou totalement nulle. Bien que privés de l’un des sens les plus importants, ces derniers parviennent à s’adapter et interagir, de façon remarquable, avec l’environnement, et ce, en s’appuyant principalement sur leurs sens préservés. La navigation dans l’espace, la localisation et l’identification d’objets ou de personnes ainsi que la lecture ne sont que quelques exemples permettant d’illustrer la compensation comportementale réalisée par l’entremise des autres canaux sensoriels chez les individus atteints de cécité. L’accomplissement fructueux de telles activités nécessite certes un apprentissage chez les individus aveugles, mais permet également de mettre en lumière qu’au-delà d’une différence de perception visuelle, l’adaptation à une existence vécue dans l’obscurité la plus complète occasionne des changements dans le traitement de l’information en provenance des autres modalités sensorielles. Ces transformations comportementales, issues principalement de la réorganisation cérébrale occasionnée par un déficit perceptif, constitue un sujet d’intérêt pour la communauté scientifique depuis de nombreuses années. Bien que l’apparition des techniques d’imagerie cérébrale non-invasives a permis d’élucider jusqu’à présent de nombreux mystères concernant l’incroyable capacité du cerveau à se modifier sous l’effet de l’expérience, de nombreuses questions demeurent sans réponse. Ainsi, les articles composant cette thèse ont pour objectif principal de contribuer à l’état des connaissances actuelles concernant la réorganisation cérébrale chez les individus atteints de cécité, tant au niveau fonctionnel que structurel, et ce, afin de mieux saisir les répercussions de ces changements cérébraux sur le comportement des non-voyants. Plus particulièrement, nous avons souhaité investiguer l’impact de la privation visuelle précoce sur les régions cérébrales impliquées dans traitement des informations chimiosensorielles (olfactives et trigéminales). Pour ce faire, nous avons d’abord souhaité préciser les mécanismes de réorganisation cérébrale de type structurel prenant place au sein des régions traitant l’information de nature olfactive auprès d’aveugles congénitaux, et ce en comparaison à leurs pairs voyants. L’article 1 de cette thèse révèle que les individus aveugles présentent de multiples altérations cérébrales dans les régions composant le système olfactif. Bien que les aveugles congénitaux inclus dans notre étude présentent des volumes significativement réduits au niveau des bulbes olfactifs, du cortex orbitofrontal et du complexe parahippocampique, leurs performances olfactives, mesurées à l’aide d’épreuves standardisées, demeurent comparables à celles obtenues chez leurs pairs voyants. Nos résultats supportent ainsi la présence d’une réorganisation intramodale au sein du système olfactif chez les aveugles congénitaux, laquelle n’ayant aucune incidence mesurable sur leurs performances olfactive. D’autre part, nous avons souhaité explorer, par le biais de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle, si, tout comme pour le traitement de stimuli auditifs et tactiles, les régions habituellement dévolues au traitement visuel participaient, chez l’individu atteint cécité au traitement particulier d’une odeur. Plus précisément, l’article 2 de cette thèse révèle que les aveugles congénitaux sollicitent davantage leur cortex occipital que leurs pairs voyants lors d’une tâche de localisation d’odeurs. Toutefois, lorsque ces mêmes odeurs doivent être identifiées, aveugles et voyants présentent des niveaux d’activité cérébrales comparable dans les régions occipitales. Nos résultats supportent ainsi la présence d’un recrutement intermodal lors du traitement chimiosensoriel de différentes odeurs. Mis ensemble, ces résultats contribuent à une meilleure appréciation des changements cérébraux à la suite d’une privation visuelle, notamment en ce qui concerne les régions impliquées dans le traitement des informations de nature chimiosensorielle. Cette thèse doctorale s’inscrit de façon intéressante au sein des théories de la compensation comportementale présente chez l’individu aveugles, de même que les mécanismes sous-tendant la neuroplasticité structurelle et fonctionnelle des systèmes sensorielles. / According to the latest global estimates, more than 43.3 million people suffer from visual deprivation. In other words, the ability of these individuals to visually perceive the world and the details that compose it is almost or totally absent. Although deprived of one of the most important senses, they manage to adapt and interact with their environment, and this, by relying mainly on their remaining senses. Navigating in space, locating and identifying objects or people, and reading are just few examples that illustrate the behavioral compensation achieved through other sensory channels among individuals living with blindness. The successful accomplishment of such activities certainly requires learning or adaptation. However, it also highlights that beyond a difference in visual perception, adaptation to an existence lived in complete darkness causes changes in the processing of information from other sensory modalities. These behavioral transformations, resulting from the cerebral reorganization caused by a perceptual deficit, have been a subject of interest in the scientific community for many years. Although the emergence of non-invasive brain imaging techniques has, so far, elucidated many mysteries concerning the incredible capacity of the brain to change under the effect of experience, many questions remain unanswered. Thus, the articles included in this thesis have the main objective of contributing to the current knowledge of cerebral reorganization found in individuals living with blindness. More specifically, we wanted to investigate the impact of early visual deprivation on brain regions involved in the processing of chemosensory information (olfactory and trigeminal). To do this, we first evaluated the structural cerebral reorganization taking place among congenitally blind individuals within the olfactory regions. The first study of this thesis reveals that blind individuals present multiple cerebral alterations in the regions composing the olfactory system. More precisely, we found that congenitally blind individuals present significantly reduced olfactory bulb volume, as well as reduction in grey matter density in the orbitofrontal cortex and the parahippocampal complex. Despite this, their olfactory performances, measured using standardized tests, remain comparable to those obtained by their seeing counterparts. Therefore, our results support the presence in congenitally blind individuals of an intramodal reorganization within the olfactory system, which has no measurable impact on their olfactory performance. Through functional magnetic resonance imaging, we wanted to explore if regions that are usually devoted to visual processing are in congenitally blind individuals engaged for the processing of different components of an odor (i.e. olfactory and trigeminal components). More specifically, compared to their sighted counterparts, we found stronger activation in the occipital cortex of blind individuals during our odor localization task. However, when identifying the same odorants, blind and sighted individuals show comparable levels of brain activity in the occipital regions. Our results thus support the presence of cross-modal recruitment during the chemosensory processing of odors. Taken together, these results contribute to a better appreciation of cerebral changes following visual deprivation, particularly in regions involved for the processing of chemosensory information. In an interesting way, the results of this doctoral thesis fit some of the theories stated for blind individuals, such as the structural and functional neuroplasticity of sensory systems.

La cécité à la répétition (Kanwisher, 1986, 1987) est définie comme une incapacité de voir ou de se rappeler le deuxième de deux éléments similaires ou identiques présentés visuellement, d'une façon séquentielle rapide dans une même séquence. Plusieurs mécanismes ont été proposés pour expliquer ce phénomène. Nous proposons d'utiliser les visages et les expressions faciales pour savoir si ce phénomène est relié à l'attention. Nous allons d'abord tenter de répéter certains résultats antérieurs afin de nous assurer que les techniques requises pour la présentation rapide de visages sont adéquates pour ce genre d'étude. Dans la première expérience, il est plus facile pour les participants de se rappeler les images répétées. Alors que les mots répétés ou non (Expérience 2) n'affectent aucunement le rappel immédiat de ces derniers. Finalement, la cécité à la répétition fut observée pour les phrases avec répétition (Expérience 3). Les résultats inattendus et les problèmes techniques lors de notre expérimentation sont les facteurs qui pour l'instant limitent l'étude de la cécité à la répétition avec des visages comme stimuli.

La navigation repose en majeure partie sur la vision puisque ce sens nous permet de rassembler des informations spatiales de façon simultanée et de mettre à jour notre position par rapport à notre environnement. Pour plusieurs aveugles qui se fient à l’audition, le toucher, la proprioception, l’odorat et l’écholocation pour naviguer, sortir à l’extérieur de chez soi peut représenter un défi considérable. Les recherches sur le circuit neuronal de la navigation chez cette population en particulier s’avèrent donc primordiales pour mieux adapter les ressources aux handicapés visuels et réussir à les sortir de leur isolement. Les aveugles de naissance constituent aussi une population d’intérêt pour l’étude de la neuroplasticité. Comme leur cerveau s’est construit en absence d’intrant visuel, la plupart des structures reliées au sens de la vue sont réduites en volume par rapport à ceux de sujets voyants. De plus, leur cortex occipital, une région normalement dédiée à la vision, possède une activité supramétabolique au repos, ce qui peut représenter un territoire vierge pouvant être recruté par les autres modalités pour exécuter diverses tâches sensorielles. Plusieurs chercheurs ont déjà démontré l’implication de cette région dans des tâches sensorielles comme la discrimination tactile et la localisation auditive. D’autres changements plastiques de nature intramodale ont aussi été observés dans le circuit neuronal de la navigation chez ces aveugles. Par exemple, la partie postérieure de l’hippocampe, impliquée dans l’utilisation de cartes mentales, est réduite en volume alors que la section antérieure est élargie chez ces sujets. Bien que ces changements plastiques anatomiques aient bel et bien été observés chez les aveugles de naissance, il reste toutefois à les relier avec leur aspect fonctionnel. Le but de la présente étude était d’investiguer les corrélats neuronaux de la navigation chez l’aveugle de naissance tout en les reliant avec leurs habiletés spatio-cognitives. La première étude comportementale a permis d’identifier chez les aveugles congénitaux une difficulté d’apprentissage de routes tactiles construites dans des labyrinthes de petite échelle. La seconde étude, employant la technique d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, a relié ces faiblesses au recrutement de régions cérébrales impliquées dans le traitement d’une perspective égocentrique, comme le lobule pariétal supérieur droit. Alors que des sujets voyants aux yeux bandés excellaient dans la tâche des labyrinthes, ces derniers recrutaient des structures impliquées dans un traitement allocentrique, comme l’hippocampe et le parahippocampe. Par ailleurs, la deuxième étude a confirmé le recrutement du cortex occipital dans une tâche de navigation chez les aveugles seulement. Ceci confirme l’implication de la plasticité intermodale dans des tâches cognitives de plus haut niveau, comme la navigation. / Navigation is predominately based on vision as it gathers spatial information simultaneously and allows a continuous update of our position relative to space. For many blind people who rely mainly on auditive, haptic, proprioceptive, olfactive and echolocating cues to navigate, leaving outside their home can be a challenge. Research on the navigational neural network in this particular population is therefore crucial to better adapt resources for visually impaired people and free them from isolation. Congenitally blind subjects are also an interesting population for the study of neuroplasticity. As their brain was built without any visual input, most structures related to vision are reduced in volume compared to those of seeing subjects. Moreover, their occipital cortex, a region normally dedicated to vision, has a suprametabolic activity at rest, which could represent a virgin territory that can be recruited by other modalities to accomplish various sensory tasks. Recently some researchers have demonstrated the involvement of this region in sensory tasks such as tactile discrimination and auditive localisation. Other intramodal plastic changes have also been observed in the blind’s navigational neural network. The posterior part of hippocampus, involved in cognitive mapping, is reduced in volume while the anterior section is enlarged in blind subjects. Although some anatomical plastic changes have been observed in congenitally blind’s brain navigational system, their functional aspect remains to be elucidated. The purpose of this study was to investigate the neural correlates of navigation in congenital blindness and to link them with the blinds’ spatio-cognitive skills. The first behavioral study identified route learning difficulties in congenitally blind participants when they were ask to navigate inside small-scaled tactile mazes. Using functional magnetic resonance imagery in the second study, these problems were associated with the recruitment of brain regions involved in an egocentric perspective processing, such as right superior parietal lobule. While blindfolded seeing subjects excelled in the maze task, they recruited structures involved in allocentric processing, such as hippocampus and parahippocampus. Moreover, the second study confirmed the recruitment of occipital cortex in a navigation task for blind subjects only. This strengthens the involvement of crossmodal plasticity in higher level cognitive tasks, such as navigation.

La littérature décrit certains phénomènes de réorganisation physiologique et fonctionnelle dans le cerveau des aveugles de naissance, notamment en ce qui a trait au traitement de l’information tactile et auditive. Cependant, le système olfactif des aveugles n’a reçu que très peu d’attention de la part des chercheurs. Le but de cette étude est donc de comprendre comment les aveugles traitent l’information olfactive au niveau comportemental et d’investiguer les substrats neuronaux impliqués dans ce processus. Puisque, en règle générale, les aveugles utilisent leurs sens résiduels de façon compensatoire et que le système olfactif est extrêmement plastique, des changements au niveau de l’organisation anatomo-fonctionnelle pourraient en résulter. Par le biais de méthodes psychophysiques et d’imagerie cérébrale (Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle-IRMf), nous avons investigué les substrats anatomo-fonctionnels sollicités par des stimuli olfactifs. Nous avons trouvé que les aveugles ont un seuil de détection plus bas que les voyants, mais que leur capacité à discriminer et identifier des odeurs est similaire au groupe contrôle. Ils ont aussi plus conscience de l’environnement olfactif. Les résultats d’imagerie révèlent un signal BOLD plus intense dans le cortex orbitofrontal droit, le thalamus, l’hippocampe droit et le cortex occipital lors de l’exécution d’une tâche de détection d’odeur. Nous concluons que les individus aveugles se fient d’avantage à leur sens de l’odorat que les voyants afin d’évoluer dans leur environnement physique et social. Cette étude démontre pour la première fois que le cortex visuel des aveugles peut être recruté par des stimuli olfactifs, ce qui prouve que cette région assume des fonctions multimodales. / It is generally acknowledged that people blind from birth develop supra-normal sensory abilities in order to compensate for their visual deficit. While extensive research has been done on the somatosensory and auditory modalities of the blind, information about their sense of smell remains scant. The goal of this study was therefore to understand olfactory processing in the blind at the behavioral and the neuroanatomical levels. Since blind individuals use their remaining senses in a compensatory way to assess their environment and since the olfactory system is highly plastic, it is likely to be susceptible to changes similar to those observed for tactile and auditory modalities. We used psychophysical testing and functional magnetic resonance imaging (fMRI) to investigate the neuronal substrates responsible for odor processing. Our data showed that blind subjects had a lower odor detection threshold compared to the sighted. However, no group differences were found for odor discrimination and odor identification. Interestingly, the OAS revealed that blind participants scored higher for odor awareness. Our fMRI data revealed stronger BOLD responses in the right lateral orbitofrontal cortex, bilateral medio-dorsal thalamus, right hippocampus and left occipital cortex in the blind participants during an odor detection task. We conclude that blind subjects rely more on their sense of smell than the sighted in order to assess their environment and to recognize places and people. This is the first demonstration that the visual cortex of the blind can also be recruited by odorants, thus adding new evidence to its multimodal function.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse réalisée en collaboration avec le Département de neurosciences et pharmacologie de l'Université de Copenhague, Danemark. / La vision est cruciale dans la recherche et l’identification de nourriture. Non seulement elle déclenche le réflexe céphalique de la digestion mais, combinée à l’expérience alimentaire, elle aide à raffiner nos prévisions par rapport aux aliments. En un simple clin d’œil, la vue renseigne sur la disponibilité, l’identité, la comestibilité, les saveurs, les textures et les contenus nutritionnel, calorique et toxique des aliments qui nous entourent. Étant donnée l’importance de la vue dans l’expérience gustative, il est judicieux de se poser la question suivante : Qu’arrive-t-il au goût en absence de vision? Cette thèse répond à cette question par l’étude de cette modalité chez l’aveugle de naissance grâce aux techniques de psychophysique et d’imagerie cérébrale. De plus, les conséquences gustatives de la cécité sont comparées à celles suivant la perte d’un autre sens important dans l’appréciation des aliments, soit l’odorat (anosmie). Les résultats comportementaux démontrent premièrement que l’absence de vision depuis la naissance abaisse la sensibilité gustative, reflétée par des seuils élevés de détection et d’identification des cinq goûts de base (sucré, salé, acide, amer, umami). Deuxièmement, bien que les aveugles congénitaux aient plus de facilité à identifier les odeurs comestibles par leurs narines (voie olfactive orthonasale), ceux-ci perdent leur avantage par rapport aux voyants quand ils doivent identifier ces stimuli placés sur la langue (voie olfactive rétronasale). Les résultats d’imagerie indiquent en outre que les aveugles congénitaux activent moins leur cortex gustatif primaire (insula/opercule) et leur hypothalamus par rapport aux voyants durant une tâche gustative. De plus, l’absence d’activation dans le cortex (« visuel ») occipital chez l’aveugle pointe vers le manque de plasticité intermodale en gustation. Chez les anosmiques congénitaux d’autre part, non seulement l’absence d’odorat diminue l’habileté à reconnaître les goûts mais elle abaisse également la force du signal dans les aires olfactives (ex : cortex orbitofrontal médial) durant une tâche gustative. Les résultats chez l’aveugle contrastent grandement avec les études antérieures soulignant l’amélioration de leurs sens extéroceptifs tels que l’audition, l’olfaction (orthonasale) et le toucher qui font tous intervenir la plasticité intermodale. Par ailleurs, les données chez l’anosmique concordent avec ceux de la littérature indiquant une diminution similaire de la chémosensation trigéminale, laquelle est également associée à un affaiblissement du circuit neural des saveurs. Ceci suggère que le sens du goût ne soit pas utile aux handicapés visuels pour percevoir l’environnement extérieur et ainsi compenser leur perte de vision. De plus, bien que l’odorat participe à l’appréciation de la nourriture en bouche, sa perte n’entraîne pas de compensation sensorielle chez l’anosmique. Prises ensemble, ces données indiquent différents mécanismes d’adaptation suivant la cécité et l’anosmie. Elles soutiennent également le point de vue selon lequel la perception unifiée de goûts et de saveurs inclut non seulement les sens chimiques et le toucher mais également la vision. Considérant l’importance du goût et de l’alimentation dans la qualité de vie, ces résultats encouragent la société tout comme les professionnels de la réadaptation à faciliter l’accès à la nourriture ainsi qu’à l’enseignement culinaire chez les handicapés sensoriels. / Vision is crucial for seeking and identifying food. Not only does it trigger the cephalic digestion reflex but, when combined with the experience of eating, it helps to refine expectations about foods. In a single eye blink, sight informs us about the availability, identity, palatability, flavours, textures as well as nutritional, caloric and toxic contents of foods surrounding us. Given the importance of sight in the gustatory experience, one may therefore ask the following question: What happens to gustation without vision? This thesis answers this question by studying this modality in congenitally blind subjects using psychophysical and brain imaging techniques. Additionally, the gustatory consequences of blindness are compared to those following the loss of another important modality involved in the appreciation of food, i.e. the sense of smell (anosmia). Behavioural results first show that the absence of vision from birth reduces the gustatory sensitivity, as reflected by higher detection and identification thresholds of the five basic tastes (sweet, salty, acid, bitter, umami). Second, although congenitally blind subjects are better at identifying palatable odorant stimuli through their nostrils (orthonasal olfactory route), they lose this advantage over sighted people when identifying these stimuli placed on their tongue (retronasal olfactory route). Neuroimaging results also reveal that congenitally blind subjects activate the primary gustatory cortex (insula/operculum) and the hypothalamus less compared to blindfolded sighted participants. Moreover, the absence of occipital (“visual”) cortex activity in the blind points towards the lack of crossmodal plasticity in gustation. In congenitally anosmics, on the other hand, not only does the absence of smell lower the ability to recognize tastes but it also lowers the strength of the signal in olfactory areas (e.g. medial orbitofrontal cortex) during a gustatory task. The results in the blind greatly contrast with previous studies highlighting the enhancement of their exteroceptive senses such as audition, (orthonasal) olfaction and touch, all of which involve crossmodal plasticity. Moreover, data in the anosmic group are consistent with previous literature describing similar decrease of trigeminal chemosensation that is also associated with a weakening of the flavour neural network. This suggests that the sense of taste is not useful to the visually impaired to perceive their exterior environment and compensate for their lack of vision. Furthermore, although olfaction contributes to the appreciation of foods in the mouth, the lack of this modality does not drive sensory compensation in anosmic subjects. Taken together, these data indicate different adaptation mechanisms following blindness and anosmia. They also support the view according to which the unified perception of tastes and flavours includes not only the chemical senses (taste, smell and trigeminal chemosensation) and touch but also vision. Given the importance of taste and eating experience in quality of life, these results encourage society as well as rehabilitation professionals to facilitate access to foods and culinary lessons in sensory deprived subjects.

Ce travail traite des aides optroniques aux déplacements des non-voyants. Préalablement à ce travail, deux « détecteurs de passage » ont été développés au Laboratoire Aimé Cotton le « Tom Pouce » et le « Télétact ». Le « Tom Pouce » est simple d’utilisation mais présente des limitations pour détecter les passages étroits à des distances supérieures à trois mètres ainsi que pour éviter les poteaux fins. Le « Télétact » permet de gérer l’ensemble des situations mais le nombre d’utilisateurs est limité par l’effort cognitif important que demande son utilisation ainsi que sa fragilité.Le but principal de cette thèse est d’améliorer les capteurs ainsi que leur façon de représenter l’espace afin d’avoir un dispositif facile d’utilisation détectant tous les passages.Dans un premier temps, l’hypothèse que la forme de la zone de protection idéale devrait être d’aspect cylindrique est émise. La réalisation approchée de cette forme à partir de capteurs infrarouges est analysée théoriquement et validée expérimentalement. Deux dispositifs le « Tom Pouce II » et le « Minitact » utilisant ce concept ont été proposés à des non-voyants et ont reçu un accueil favorable. Dans un second temps, les capteurs laser télémétriques du « Télétact » ont été revus afin d’améliorer leurs performances permettant entre autres une moindre sensibilité aux contraintes mécaniques. Une nouvelle forme d’association des capteurs infrarouges et laser permet de gérer l’ensemble des configurations de passages, y compris en chicane, avec une interface tactile ayant seulement trois niveaux d’alerte correspondant à trois zones de protection (moins de 2 mètres de profondeur sur 10 cm de large, entre 2 et 6 mètres sur plus de 50 cm de large, plus de 6m de profondeur et 1m de large ) avec un effort cognitif très réduit par rapport au « Télétact » initial utilisant 32 sons différents. Des outils pour pouvoir analyser objectivement les performances des dispositifs dans des environnements contrôlés ont été mis au point afin de pouvoir ajuster finement les formes des zones de protection. Un dernier point concerne les possibilités d’identification des obstacles, l’imagerie est explorée mais s’avère immature, actuellement seules les « astuces d’utilisation » des capteurs sont opérationnelles. / This work deals with optical electronic travel aids for visually impaired people. Initially, two devices allowing the detection of an unrestricted path were developed at the Aime Cotton Laboratory: the "Tom Pouce" and the "Télétact". The "Tom Pouce" is simple to use but presents limitations for detecting narrow passages at distances over three meters as well as avoiding fine posts. The "Télétact" allows users to manage every situation but the number of users is restricted due to the cognitive effort required.The main purpose of this thesis is to improve the sensors as well as the way the spatial information is transmitted to the user to allow the safe detection of all passages with reduced cognitive effort.First, the hypothesis is that the ideal protection zone could be a cylindrical shape. The approached realization of the cylindrical shape with infrared sensors is theoretically analyzed and experimentally tested. Two devices,"Tom Pouce II" and "Minitact”, using this concept were proposed to visually impaired people already using the “Tom Pouce I”. They greatly appreciated the improvement.Second, the laser telemetric laser sensors of the «Télétact» were modified to improve their performance and to reduce the sensitivity of mechanical constraints during daily use. The association of infrared sensors and laser telemetric sensors allowed the management of all kinds of passages, including chicanes, with a tactile interface having only three levels of alert corresponding to three zones of protection (less than 2 meters deep and 10 cm wide, between 2 and 6 meters deep and about 50 cm wide, and more than 6m deep and 1m wide). The cognitive effort is greatly reduced compared to the initial "Télétact" , which used 32 different sounds.Third, tools to objectively analyze the performance of the implemented devices in controlled environments were developed to finely adjust the shape of the protection zones.The last point dealt with the possibilities of identification of obstacles, imagery is explored but it is proved to be premature. Nowadays only tricks of the trade are effectively working.

Le processus visuel débute lorsque les photorécepteurs transforment la lumière en un signal biochimique qui est ensuite traité et transmis via la rétine. Notre groupe s'intéresse à élucider les défauts génétiques et les mécanismes à l'origine de pathologies rétiniennes comme la cécité nocturne congénitale stationnaire (CNCS), conséquence d'un défaut de transmission du signal entre les photorécepteurs et les cellules bipolaires. Cette thèse apporte de nouvelles connaissances sur la physiologie de cette première synapse visuelle. Nous avons identifié quatre nouvelles mutations dans SLC24A1, un échangeur ionique intervenant dans l'homéostasie du calcium dans les bâtonnets, à l'origine de la CNSC de type Riggs. Nous avons également identifié LRIT3 comme étant un nouveau gène impliqué dans la forme complète de CNCS. Nous avons décrit un modèle de souris invalidé pour Lrit3 avec un phénotype visuel similaire à celui des patients. Nous avons confirmé la localisation de LRIT3 aux extrémités dendritiques des cellules bipolaires ON, suggérant un rôle dans la cascade de signalisation mGluR6. Nous avons montré que LRIT3 était nécessaire à la localisation fonctionnelle de TRPM1. Nous avons de plus démontré un rôle additionnel de LRIT3 dans la formation de la synapse du cône n'impactant probablement que faiblement les voies OFF. Nous avons également réussi à détecter LRIT3 par spectrométrie de masse, ouvrant la voie à l'identification de ses partenaires. La meilleur connaissance de la physiologie et de la physiopathologie rétinienne doit mener non seulement à un meilleur diagnostic et conseil génétique des patients mais également au développement de nouvelles approches thérapeutiques. / The first steps in vision occur when rod and cone photoreceptors transform light into a biochemical signal, which gets processed through the retina. Our group investigates genetic causes and mechanisms involved in inherited retinal diseases as congenital stationary night blindness (CSNB), which reflects a signal transmission defect between photoreceptors and bipolar cells. This thesis gives several insights on the retinal physiology at this first visual synapse. We identified four novels mutations in SLC24A1 underlying the Riggs-type of CSNB, which has a role in calcium balance in rods. We subsequently identified a novel gene, LRIT3, which is mutated in the complete form of CSNB. We delivered a knock-out mouse model lacking Lrit3 which displays a phenotype similar to patients. We confirmed the localization of LRIT3 at the dendritic tips of ON-bipolar cells, suggesting a role of LRIT3 in the mGluR6 signaling cascade. We showed that LRIT3 is necessary for the functional localization of TRPM1. We also revealed that LRIT3 has an additional role in formation of the cone synapse but with probably only a minor effect on OFF-pathway functionality. We finally succeeded in immunoprecipitating and detecting LRIT3 by mass spectrometry, opening the way for the identification of LRIT3 partners. Improving knowledge about retinal physiology and physiopathology will lead to a better diagnosis and genetic counseling of the patients and to the development of novel therapeutic approaches.

La navigation repose en majeure partie sur la vision puisque ce sens nous permet de rassembler des informations spatiales de façon simultanée et de mettre à jour notre position par rapport à notre environnement. Pour plusieurs aveugles qui se fient à l’audition, le toucher, la proprioception, l’odorat et l’écholocation pour naviguer, sortir à l’extérieur de chez soi peut représenter un défi considérable. Les recherches sur le circuit neuronal de la navigation chez cette population en particulier s’avèrent donc primordiales pour mieux adapter les ressources aux handicapés visuels et réussir à les sortir de leur isolement. Les aveugles de naissance constituent aussi une population d’intérêt pour l’étude de la neuroplasticité. Comme leur cerveau s’est construit en absence d’intrant visuel, la plupart des structures reliées au sens de la vue sont réduites en volume par rapport à ceux de sujets voyants. De plus, leur cortex occipital, une région normalement dédiée à la vision, possède une activité supramétabolique au repos, ce qui peut représenter un territoire vierge pouvant être recruté par les autres modalités pour exécuter diverses tâches sensorielles. Plusieurs chercheurs ont déjà démontré l’implication de cette région dans des tâches sensorielles comme la discrimination tactile et la localisation auditive. D’autres changements plastiques de nature intramodale ont aussi été observés dans le circuit neuronal de la navigation chez ces aveugles. Par exemple, la partie postérieure de l’hippocampe, impliquée dans l’utilisation de cartes mentales, est réduite en volume alors que la section antérieure est élargie chez ces sujets. Bien que ces changements plastiques anatomiques aient bel et bien été observés chez les aveugles de naissance, il reste toutefois à les relier avec leur aspect fonctionnel. Le but de la présente étude était d’investiguer les corrélats neuronaux de la navigation chez l’aveugle de naissance tout en les reliant avec leurs habiletés spatio-cognitives. La première étude comportementale a permis d’identifier chez les aveugles congénitaux une difficulté d’apprentissage de routes tactiles construites dans des labyrinthes de petite échelle. La seconde étude, employant la technique d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, a relié ces faiblesses au recrutement de régions cérébrales impliquées dans le traitement d’une perspective égocentrique, comme le lobule pariétal supérieur droit. Alors que des sujets voyants aux yeux bandés excellaient dans la tâche des labyrinthes, ces derniers recrutaient des structures impliquées dans un traitement allocentrique, comme l’hippocampe et le parahippocampe. Par ailleurs, la deuxième étude a confirmé le recrutement du cortex occipital dans une tâche de navigation chez les aveugles seulement. Ceci confirme l’implication de la plasticité intermodale dans des tâches cognitives de plus haut niveau, comme la navigation. / Navigation is predominately based on vision as it gathers spatial information simultaneously and allows a continuous update of our position relative to space. For many blind people who rely mainly on auditive, haptic, proprioceptive, olfactive and echolocating cues to navigate, leaving outside their home can be a challenge. Research on the navigational neural network in this particular population is therefore crucial to better adapt resources for visually impaired people and free them from isolation. Congenitally blind subjects are also an interesting population for the study of neuroplasticity. As their brain was built without any visual input, most structures related to vision are reduced in volume compared to those of seeing subjects. Moreover, their occipital cortex, a region normally dedicated to vision, has a suprametabolic activity at rest, which could represent a virgin territory that can be recruited by other modalities to accomplish various sensory tasks. Recently some researchers have demonstrated the involvement of this region in sensory tasks such as tactile discrimination and auditive localisation. Other intramodal plastic changes have also been observed in the blind’s navigational neural network. The posterior part of hippocampus, involved in cognitive mapping, is reduced in volume while the anterior section is enlarged in blind subjects. Although some anatomical plastic changes have been observed in congenitally blind’s brain navigational system, their functional aspect remains to be elucidated. The purpose of this study was to investigate the neural correlates of navigation in congenital blindness and to link them with the blinds’ spatio-cognitive skills. The first behavioral study identified route learning difficulties in congenitally blind participants when they were ask to navigate inside small-scaled tactile mazes. Using functional magnetic resonance imagery in the second study, these problems were associated with the recruitment of brain regions involved in an egocentric perspective processing, such as right superior parietal lobule. While blindfolded seeing subjects excelled in the maze task, they recruited structures involved in allocentric processing, such as hippocampus and parahippocampus. Moreover, the second study confirmed the recruitment of occipital cortex in a navigation task for blind subjects only. This strengthens the involvement of crossmodal plasticity in higher level cognitive tasks, such as navigation.

La littérature décrit certains phénomènes de réorganisation physiologique et fonctionnelle dans le cerveau des aveugles de naissance, notamment en ce qui a trait au traitement de l’information tactile et auditive. Cependant, le système olfactif des aveugles n’a reçu que très peu d’attention de la part des chercheurs. Le but de cette étude est donc de comprendre comment les aveugles traitent l’information olfactive au niveau comportemental et d’investiguer les substrats neuronaux impliqués dans ce processus. Puisque, en règle générale, les aveugles utilisent leurs sens résiduels de façon compensatoire et que le système olfactif est extrêmement plastique, des changements au niveau de l’organisation anatomo-fonctionnelle pourraient en résulter. Par le biais de méthodes psychophysiques et d’imagerie cérébrale (Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle-IRMf), nous avons investigué les substrats anatomo-fonctionnels sollicités par des stimuli olfactifs. Nous avons trouvé que les aveugles ont un seuil de détection plus bas que les voyants, mais que leur capacité à discriminer et identifier des odeurs est similaire au groupe contrôle. Ils ont aussi plus conscience de l’environnement olfactif. Les résultats d’imagerie révèlent un signal BOLD plus intense dans le cortex orbitofrontal droit, le thalamus, l’hippocampe droit et le cortex occipital lors de l’exécution d’une tâche de détection d’odeur. Nous concluons que les individus aveugles se fient d’avantage à leur sens de l’odorat que les voyants afin d’évoluer dans leur environnement physique et social. Cette étude démontre pour la première fois que le cortex visuel des aveugles peut être recruté par des stimuli olfactifs, ce qui prouve que cette région assume des fonctions multimodales. / It is generally acknowledged that people blind from birth develop supra-normal sensory abilities in order to compensate for their visual deficit. While extensive research has been done on the somatosensory and auditory modalities of the blind, information about their sense of smell remains scant. The goal of this study was therefore to understand olfactory processing in the blind at the behavioral and the neuroanatomical levels. Since blind individuals use their remaining senses in a compensatory way to assess their environment and since the olfactory system is highly plastic, it is likely to be susceptible to changes similar to those observed for tactile and auditory modalities. We used psychophysical testing and functional magnetic resonance imaging (fMRI) to investigate the neuronal substrates responsible for odor processing. Our data showed that blind subjects had a lower odor detection threshold compared to the sighted. However, no group differences were found for odor discrimination and odor identification. Interestingly, the OAS revealed that blind participants scored higher for odor awareness. Our fMRI data revealed stronger BOLD responses in the right lateral orbitofrontal cortex, bilateral medio-dorsal thalamus, right hippocampus and left occipital cortex in the blind participants during an odor detection task. We conclude that blind subjects rely more on their sense of smell than the sighted in order to assess their environment and to recognize places and people. This is the first demonstration that the visual cortex of the blind can also be recruited by odorants, thus adding new evidence to its multimodal function.