La vision classique et hiérarchique de l’organisation du système moteur est remise en question par la découverte d’autres structures que le cortex moteur primaire capables d’influer en parallèle sur la sortie motrice, dans le cadre d’un modèle hodotopique. L’objectif de ce travail a été d’étudier les réseaux de contrôle du mouvement à l’aide de stimulations électriques directes cérébrales lors de chirurgies en condition éveillée pratiquées pour l’exérèse de tumeurs cérébrales. Cette méthode permet la préservation de la fonction motrice tout en apportant de nombreuses informations sur l’organisation du système moteur en général. Le contrôle moteur a été étudié au travers du phénomène moteur négatif, qui consiste en un arrêt du mouvement sans perte de tonus ou de conscience lors d’électrostimulations. Décrit initialement au niveau cortical, nos travaux ont montré qu’il était possible d’identifier ce phénomène dans la substance blanche de façon bilatérale et que les fibres supportant ces réponses motrices négatives sont organisées d’une manière somatotopique, à l’instar de la voie pyramidale. Nous avons pu mettre en évidence une voie modulatrice motrice bilatérale capable d’inhiber les mouvements des deux membres supérieurs lors d’une stimulation sous-corticale unilatérale. Nous avons montré qu’une lésion des sites générant des réponses motrices négatives conduisait à un syndrome de l’aire motrice supplémentaire et à des troubles définitifs des mouvements fins et de la coordination bimanuelle. Ces résultats expliquent les troubles observés lors de chirurgies des régions prémotrices réalisées sans cartographie motrice active, c’est-à-dire cherchant uniquement à identifier les structures motrices primaires. Ils valident la nécessité de pratiquer une cartographie motrice en condition éveillée et ce quelle que soit la dominance hémisphérique. Ces résultats à l’échelle sous-corticale nous ont conduit à définir le concept de réseau moteur négatif et son implication dans les réseaux de contrôle moteur. Le preuve de l’existence de tels réseaux nous a permis d’explorer le niveau cortical et de mettre en évidence une organisation systématique des aires motrices négatives, proposant ainsi une autre vision que celles d’une répartition aléatoire ou somatotopique. Cette organisation en plusieurs aires effecteurs-dépendantes et redondantes a permis de confirmer par les stimulations électriques directes la ségrégation du gyrus précentral en plusieurs gradient rostro-caudal et dorso-ventral. L’ensemble de ces éléments nous a permis d’émettre plusieurs hypothèses concernant le rôle de ces réseaux. Nous supposons qu’il s’agit de plusieurs réseaux interconnectés fonctionnant à l’aide de mécanismes inhibiteurs internes, dont le rôle va de la modulation du flux moteur dans le cadre de processus décisionnels compétitifs intégrés aux aires négatives à l’inhibition vraie d’un comportement moteur dans le cadre de circuits entre le cortex et les noyaux gris centraux. La carte probabiliste réalisée permettra de planifier les chirurgies cérébrales mais aussi de servir de zone d’intérêt pour les nouvelles thérapies par stimulations et la recherche en neurosciences. / The classical and hierarchical view of the motor system has been challenged since the discovery of other structures able to modulate the motor output in the framework of a hodotopic model. The aim of this work was to study the motor control network thanks to direct electrostimulations performed during awake surgery for brain tumors. This method has shown its effectiveness to preserve motor functions while giving new highlights about the organization of the motor system. In our work, motor control has been studied through the negative motor phenomenon, which consists in a complete arrest of movement without loss of tonus or consciousness during electrostimulations. Initially described at a cortical level, our work demonstrated the possibility to elicit negative motor phenomenon in both hemispheres at a subcortical level. Moreover, we identified a bilateral modulatory motor pathway able to inhibit both upper limbs during unilateral subcortical stimulations. We also shown that fibers driving negative motor responses are organized in a somatotopic manner, like the pyramidal pathway. Resection of these fibers lead to a supplementary motor area syndrome with permanent deficit in fine motor skills and bimanual coordination. These results explain the neurological deficits which might occur after surgery in premotor areas when no active brain mapping is performed, that is, when only primary motor structures are sought. They emphasize the necessity to perform a motor mapping during awake surgery whatever the side and hemispheric dominance. These subcortical results led us to define the concept of negative motor networks and their involvement in motor control networks. Evidences of this network allowed us to explore the cortical level and to report a well-defined organization of the negative motor area, different from the random or somatotopic distributions previously described. This effector-dependent and redundant organization in several areas defined by direct electrostimulations has been helpful to confirm the rostro-caudal and dorso-ventral segregation of the precentral gyrus. Consequently, it was possible to propose several hypothesis about the role of these networks. We presume that they are constituted by several large-scale interconnected networks, based on internal inhibitor mechanisms, whose role goes from modulation of the motor output in a competitive model of decision-making integrated in the negative motor area to real inhibition of motor behaviors thanks to cortico-basal ganglia circuitry. The probabilistic map created with these works will be helpful to plan surgery but could also provide regions of interest for brain stimulations therapies as well as neuroscientific research.

La tractographie et stimulation peropératoire optimiseraient l'exérèse tumorale en conservant la qualité de vie. Les principes du tenseur de diffusion, de la tractographie et de la stimulation cérébrale sont présentés. Une étude de la tractographie des radiations optiques et sa validation sur un modèle lésionnel ont permis de confirmer la faisabilité de la reconstruction. Parmi les algorithmes testés, le plus performant était le " Tensor Line " prédisant un risque de quadranopsie lorsque plus de 5 pour cent des trajectoires avaient une intersection avec le volume lésionnel. La 2ème partie portait sur les processus cognitifs du langage dont la traduction, en stimulation corticale lors de chirurgies éveillées pour 7 patients bilingues. Vingt six zones d'interférences de tâches ont été retrouvées mais aucune n'était spécifique de la traduction qui reste complexe à étudier. Enfin, les perspectives d'intégration de ces 2 techniques sont évoquées à travers 3 cas cliniques. / Tractography and intraoperative stimulation would optimize tumor resection preserving the quality of life. The principles of diffusion tensor, tractography and brain stimulation are shown. A study of tractography of optic radiation and validation on a lesion model was able to confirm the feasibility of the reconstruction. Among the tested algorithms, the most effective was the "Tensor Line" predicting a risk of quadrantanopia when more than 5% of the trajectories have an intersection with the lesion volume. The second part focused on the cognitive process of language whose translation by cortical stimulation during awake surgery for 7 bilingual patients. Twenty-six interference tasks area were found but none was specific to the translation, which is complex to study. Finally, the prospects for integration of these 2 techniques are discussed through three clinical cases.

La connectomique est l’étude des cartes de connectivité du cerveau (animal ou humain), qu’on nomme connectomes. À l’aide des outils développés par la science des réseaux complexes, la connectomique tente de décrire la complexité fonctionnelle et structurelle du cerveau. L’organisation des connexions du connectome, particulièrement la hiérarchie sous-jacente, joue un rôle majeur. Jusqu’à présent, les modèles hiérarchiques utilisés en connectomique sont pauvres en propriétés émergentes et présentent des structures régulières. Or, la complexité et la richesse hiérarchique du connectome et de réseaux réels ne sont pas saisies par ces modèles. Nous introduisons un nouveau modèle de croissance de réseaux hiérarchiques basé sur l’attachement préférentiel (HPA - Hierarchical preferential attachment). La calibration du modèle sur les propriétés structurelles de réseaux hiérarchiques réels permet de reproduire plusieurs propriétés émergentes telles que la navigabilité, la fractalité et l’agrégation. Le modèle permet entre autres de contrôler la structure hiérarchique et apporte un support supplémentaire quant à l’influence de la structure sur les propriétés émergentes. Puisque le cerveau est continuellement en activité, nous nous intéressons également aux propriétés dynamiques sur des structures hiérarchiques produites par HPA. L’existence d’états dynamiques d’activité soutenue, analogues à l’état minimal de l’activité cérébrale, est étudiée en imposant une dynamique neuronale binaire. Bien que l’organisation hiérarchique favorise la présence d’un état d’activité minimal, l’activité persistante émerge du contrôle de la propagation par la structure du réseau. / Connectomics is the study of the brain connectivity maps (animal or human), described as complex networks and named connectomes. The organization of the connections, including the network’s hidden hierarchy, plays a major role in our understanding of the functional and structural complexity of the brain. Until now, the hierarchical models in connectomics have exhibited few emergent properties and have proposed regular structures whereas conectomes and real networks show complex structures. We introduce a new growth model of hierarchical networks based on preferential attachment (HPA - hierarchical preferential attachment). The structure can be controlled by a small set of parameters to fit real networks. We show how functional properties emerge from the projection of the hierarchical organization. Furthermore, we use HPA to investigate the minimum level of activity of the brain. The network response under binary dynamics shows evidence of persistent activity, similar to the resting-state of the brain. Even though hierarchical organization is beneficial for sustained activity, we show that persistent activity emerges from the control of the structure over the dynamics.

Les oscillations fournissent le matériel expérimental pour observer la structure dynamique de l'activité cérébrale (Baillet, 2017 ; Buzsaki et Draguhn, 2004 ; Silva, 2013). Entre le repos et la réalisation d'une tâche, les propriétés du signal des oscillations (fréquence, phase et amplitude) varient selon les régions du cerveau, en fonction de l'état mental et de la tâche en cours. Il a été proposé que le couplage phase-amplitude entre la phase des oscillations thêta et l'amplitude des oscillations gamma soit un mécanisme que le cerveau implémente pour permettre la rétention d'informations en mémoire. Cependant, le rôle du couplage thêta-gamma dans la mémoire à court terme doit encore être démontré. Dans cette étude, nous avons cherché à savoir si le couplage phase-amplitude thêta-gamma dans l'hippocampe soutient la rétention de l'information en mémoire, par rapport à la simple perception, et si le couplage thêta-gamma dans l'hippocampe humain est lié la performance comportementale dans un tâche de mémoire à court terme. Des enregistrements EEG stéréotaxiques ont été obtenus chez 16 patients épileptiques pharmaco-résistants qui ont effectué des tâches de comparaison de séquences sonores et une condition de contrôle d'écoute passive avec le même matériel. Pour étudier la mémoire à court terme, la durée de la période silencieuse de rétention entre les séquences à comparer (2000, 4000, 8000 ms) ainsi que la charge en mémoire (3 - 6 éléments à encoder) ont été manipulées. Les analyses de Temps-Fréquence pendant la période d'encodage de la tâche montrent que chaque note a été encodée par une bouffée gamma transitoire dans le cortex auditif, tandis que la séquence entière a induit des oscillations thêta soutenues dans la voie auditive ventrale (à partir du gyrus temporal supérieur jusqu'au gyrus frontal inférieur en incluant des régions du lobe temporal médian). Pendant la période de rétention, le couplage thêta-gamma était augmenté dans l'hippocampe gauche pendant les essais de mémoire par rapport aux essais de perception. Il est important de noter que la force du couplage thêta-gamma était corrélée à la performance des participants et qu'une forte stabilité du couplage (bouffée gamma imbriquée dans la phase ascendante de l'oscillation thêta) a été observée dans l'hippocampe gauche et le cortex auditif secondaire. Ce résultat suggère que le couplage thêta-gamma dans l'hippocampe favorise la rétention des éléments mémorisés dans une tâche de mémoire auditive à court terme. Cela élargit nos connaissances sur le rôle général du couplage inter-fréquentiel en tant que mécanisme biologique global pour le traitement et l'intégration des informations dans le cerveau humain. / Brain oscillations provide the experimental material to observe the dynamical structure of brain activity (Baillet, 2017; Buzsaki and Draguhn, 2004; Silva, 2013). Between rest and task performance, the signal properties of oscillations (frequency, phase, and amplitude) vary across brain regions, according to the mental state and the ongoing task performed. Phase Amplitude Coupling between theta and gamma oscillations has been hypothesized to implement the retention of information during short-term memory. However, the role of theta-gamma coupling in short-term memory functions still needs to be demonstrated. In this study, we investigated if hippocampal theta-gamma PAC supports auditory memory retention, as compared to simple perception, and if theta-gamma coupling in the human hippocampus can correlate with behavioural performance in a short-term auditory memory task. Stereotaxic EEG recordings were obtained from 16 pharmaco-resistant epileptic patients who performed delayed match-to-sample tasks for tone sequences, and a passive listening perception condition with the same material. To investigate short-term memory functions, the duration of the silent retention period between the to-be-compared sequences (2000, 4000, 8000 ms) as well as the memory load (3, 6 tones) were manipulated. Time-frequency analyses during the encoding period of the task show that each tone was encoded by a transient gamma burst in the auditory cortex, while the entire sequence elicited sustained theta oscillations in the ventral auditory stream (from the superior temporal gyrus to the inferior frontal gyrus including regions of the medial temporal lobe). During the retention period, theta-gamma coupling increased in the left hippocampus during memory trials as compared to perception trials. Importantly, theta-gamma coupling strength was correlated with participant's performance and high coupling stability/consistency (gamma burst nested to the ascending phase of the theta oscillation) was observed in both the left hippocampus and secondary auditory cortex. This study suggests that hippocampal theta-gamma coupling supports the retention of memorized items in auditory short-term memory. This expands our knowledge of the general role of cross-frequency coupling as a global biological mechanism for brain information processing and integration in the human brain.

Les oscillations fournissent le matériel expérimental pour observer la structure dynamique de l'activité cérébrale (Baillet, 2017 ; Buzsaki et Draguhn, 2004 ; Silva, 2013). Entre le repos et la réalisation d'une tâche, les propriétés du signal des oscillations (fréquence, phase et amplitude) varient selon les régions du cerveau, en fonction de l'état mental et de la tâche en cours. Il a été proposé que le couplage phase-amplitude entre la phase des oscillations thêta et l'amplitude des oscillations gamma soit un mécanisme que le cerveau implémente pour permettre la rétention d'informations en mémoire. Cependant, le rôle du couplage thêta-gamma dans la mémoire à court terme doit encore être démontré. Dans cette étude, nous avons cherché à savoir si le couplage phase-amplitude thêta-gamma dans l'hippocampe soutient la rétention de l'information en mémoire, par rapport à la simple perception, et si le couplage thêta-gamma dans l'hippocampe humain est lié la performance comportementale dans un tâche de mémoire à court terme. Des enregistrements EEG stéréotaxiques ont été obtenus chez 16 patients épileptiques pharmaco-résistants qui ont effectué des tâches de comparaison de séquences sonores et une condition de contrôle d'écoute passive avec le même matériel. Pour étudier la mémoire à court terme, la durée de la période silencieuse de rétention entre les séquences à comparer (2000, 4000, 8000 ms) ainsi que la charge en mémoire (3 - 6 éléments à encoder) ont été manipulées. Les analyses de Temps-Fréquence pendant la période d'encodage de la tâche montrent que chaque note a été encodée par une bouffée gamma transitoire dans le cortex auditif, tandis que la séquence entière a induit des oscillations thêta soutenues dans la voie auditive ventrale (à partir du gyrus temporal supérieur jusqu'au gyrus frontal inférieur en incluant des régions du lobe temporal médian). Pendant la période de rétention, le couplage thêta-gamma était augmenté dans l'hippocampe gauche pendant les essais de mémoire par rapport aux essais de perception. Il est important de noter que la force du couplage thêta-gamma était corrélée à la performance des participants et qu'une forte stabilité du couplage (bouffée gamma imbriquée dans la phase ascendante de l'oscillation thêta) a été observée dans l'hippocampe gauche et le cortex auditif secondaire. Ce résultat suggère que le couplage thêta-gamma dans l'hippocampe favorise la rétention des éléments mémorisés dans une tâche de mémoire auditive à court terme. Cela élargit nos connaissances sur le rôle général du couplage inter-fréquentiel en tant que mécanisme biologique global pour le traitement et l'intégration des informations dans le cerveau humain. / Brain oscillations provide the experimental material to observe the dynamical structure of brain activity (Baillet, 2017; Buzsaki and Draguhn, 2004; Silva, 2013). Between rest and task performance, the signal properties of oscillations (frequency, phase, and amplitude) vary across brain regions, according to the mental state and the ongoing task performed. Phase Amplitude Coupling between theta and gamma oscillations has been hypothesized to implement the retention of information during short-term memory. However, the role of theta-gamma coupling in short-term memory functions still needs to be demonstrated. In this study, we investigated if hippocampal theta-gamma PAC supports auditory memory retention, as compared to simple perception, and if theta-gamma coupling in the human hippocampus can correlate with behavioural performance in a short-term auditory memory task. Stereotaxic EEG recordings were obtained from 16 pharmaco-resistant epileptic patients who performed delayed match-to-sample tasks for tone sequences, and a passive listening perception condition with the same material. To investigate short-term memory functions, the duration of the silent retention period between the to-be-compared sequences (2000, 4000, 8000 ms) as well as the memory load (3, 6 tones) were manipulated. Time-frequency analyses during the encoding period of the task show that each tone was encoded by a transient gamma burst in the auditory cortex, while the entire sequence elicited sustained theta oscillations in the ventral auditory stream (from the superior temporal gyrus to the inferior frontal gyrus including regions of the medial temporal lobe). During the retention period, theta-gamma coupling increased in the left hippocampus during memory trials as compared to perception trials. Importantly, theta-gamma coupling strength was correlated with participant's performance and high coupling stability/consistency (gamma burst nested to the ascending phase of the theta oscillation) was observed in both the left hippocampus and secondary auditory cortex. This study suggests that hippocampal theta-gamma coupling supports the retention of memorized items in auditory short-term memory. This expands our knowledge of the general role of cross-frequency coupling as a global biological mechanism for brain information processing and integration in the human brain.

Certains résultats récents de recherche suggèrent que les atteintes musculosquelettiques s'accompagnent de changements centraux qui pourraient contribuer à la chronicité des déficits. Dans cette thèse, la cartographie cérébrale par stimulation magnétique transcrânienne a été utilisée pour évaluer la présence de changements corticospinaux associés à un changement d'utilisation d'un membre, en contexte expérimental et en présence d'une lésion musculosquelettique réelle. Les résultats obtenus appuient l'existence d'une plasticité cérébrale motrice accompagnant une réduction de l'usage d'un membre. Spécifiquement, les résultats démontrent une diminution de l'excitabilité cortico-spinale dans l'hémisphère contrôlant le membre affecté et dont l'utilisation est réduite. Ce changement d'excitabilité chez les patients a été trouvé associé à la durée de la douleur, suggérant que la chronicité est un facteur d'impact au niveau corticospinal. En plus de ces observations importantes sur le plan clinique, les résultats de cette thèse ont permis certaines avancées sur le plan méthodologique. Ceux-ci démontrent que les cartes corticales de la représentation d'un muscle sont similaires, que celles-ci soient obtenues avec le muscle en actif ou avec le muscle au repos. De plus, la majorité des mesures issues de la stimulation magnétique présente une bonne fidélité test-retest à court- et long-terme. Par ailleurs, bien que la musculature proximale du membre supérieur soit importante du point de vue clinique, celle-ci a fait l'objet de très peu d'études au plan neurophysiologique. Dans cette thèse, cette représentation a été décrite chez des sujets sains aussi bien que chez des patients. Ces données constituent donc une référence importante pour des études subséquentes portant sur des problématiques spécifiques impliquant cette musculature. En somme, la présence d'altérations au sein des représentations centrales du mouvement, en lien avec une diminution d'utilisation d'un membre, suggère qu'une intervention visant les représentations centrales du mouvement, et non uniquement les structures périphériques, pourrait être utile en réadaptation.

Touchant plus de 50 millions de personnes dans le monde, l’épilepsie est un problème majeur de santé publique. Un tiers des patients souffrent d’épilepsie pharmaco-résistante. Une chirurgie visant à enlever la région cérébrale à l’origine des crises – la zone épileptogène – est considérée comme l’option de référence pour rendre libre de crises ces patients. Le taux d’échec chirurgical non négligeable a poussé la recherche d’autres marqueurs. Un marqueur potentiel est les oscillations à haute fréquence (HFOs). Une HFO est une brève oscillation entre 80-500 Hz qui dure au moins 4 périodes enregistrée en EEG intracérébrale. Par leur caractère très bref, le marquage visuel de ces petites oscillations est fastidieux et chronophage.. Il semble impératif de trouver un moyen de détecter automatiquement ces oscillations pour étudier les HFOs sur des cohortes de patients. Aucun détecteur automatique existant ne fait cependant l’unanimité. Durant cette thèse, nous avons développé un nouveau moyen de visualiser les HFOs grâce à une normalisation originale de la transformée en ondelettes pour ensuite mieux les détecter automatiquement. Puis, nous avons mise en place une stratégie pour caractériser et valider des détecteurs. Enfin, nous avons appliqué le nouveau détecteur à une cohorte de patients pour déterminer la fiabilité des HFOs et des pointes épileptiques - le marqueur standard - dans la prédiction de la zone épileptogène. La conclusion de cette thèse est que les HFOs ne sont pas meilleurs que les pointes épileptiques pour prédire la zone épileptogène mais que combiner ces deux marqueurs permettait d’obtenir un marqueur plus robuste. / Epilepsy is a major health problem as it affects 50 million people worldwide. One third of the patients are resistant to medication. Surgical removal of the brain areas generating the seizure – the epileptogenic zone – is considered as the standard option for these patients to be seizure free. The non-negligible rate of surgical failure has led to seek other electrophysiological criteria. One putative marker is the high-frequency oscillations (HFOs).An HFO is a brief oscillation between 80-500 Hz lasting at least 4 periods recorded in intracerebral EEG. Due to their short-lasting nature, visually marking of these small oscillations is tedious and time-consuming. Automatically detecting these oscillations seems an imperative stage to study HFOs on cohorts of patients. There is however no general agreement on existing detectors.In this thesis, we developed a new way of representing HFOs thanks to a novel normalisation of the wavelet transform and to use this representation as a base for detecting HFOs automatically. We secondly designed a strategy to properly characterise and validate automated detectors. Finally, we characterised, in a cohort of patients, the reliability of HFOs and epileptic spikes - the standard marker - as predictors of the epileptogenic zone using the validated detector. The conclusion of this thesis is that HFOs are not better than epileptic spikes in predicting the epileptogenic zone but combining the two leads to a more robust biomarker.

L'analyse visuelle de scènes débute par l'extraction en parallèle de différentes caractéristiques visuelles élémentaires à différentes fréquences spatiales. L'objectif de cette thèse a été de préciser les mécanismes et les bases cérébrales du traitement des fréquences spatiales lors de la catégorisation de scènes et leur évolution au cours du vieillissement normal et pathologique. Nous avons tout d'abord mené deux études en Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf) sur des adultes jeunes avec une vision normale afin de proposer un outil de cartographie rétinotopique des aires visuelles permettant une localisation fine des activations cérébrales qui soit à la fois rapide et précis (Expériences 1 et 2). Dans un second temps, nous avons étudié via IRMf les bases cérébrales du traitement des fréquences spatiales lors de la catégorisation de scènes chez de jeunes adultes avec vision normale(Expérience 3). Nous avons également étudié l'influence de la normalisation RMS (« root mean square ») du contraste de luminance des scènes filtrées. Au sein du cortex occipital, nous avons montré une organisation rétinotopique du traitement des fréquences spatiales contenues dans de larges scènes visuelles. Au sein du cortex occipito-temporal, nous avons montré que les régions sélectives aux scènes (la « parahippocampal place area », le cortex retrosplenial et l'« occipital place area ») participent de façon distincte au traitement des fréquences spatiales. Enfin, nous avons montré que la normalisation du contraste de luminance modifiait l'intensité et l'étendue des activations cérébrales. Dans un dernier temps, nous avons ensuite étudié le traitement des fréquences spatiales au cours du vieillissement normal et pathologique. Nous avons tout d'abord montré, dans le cas du vieillissement normal (Expérience 4), un déficit spécifique de la catégorisation de scènes en hautes fréquences spatiales (HFS), associé à une hypo activation du cortex occipital et des régions sélectives aux scènes. Dans le cas de la perte de la vision centrale consécutive à une dégénérescence maculaire liée à l'âge (patients DMLA, Expériences 5 et 6), nous avons mis en évidence un déficit du traitement des HFS encore plus marqué que celui observé au cours du vieillissement normal. De façon intéressante pour l'aide aux patients DMLA, l'augmentation du contraste de luminance des scènes en HFS améliorait significativement leur catégorisation des scènes en HFS. Les résultats de ces travaux nous permettent de mieux comprendre les mécanismes neuro-fonctionnels impliqués dans la perception visuelle de scènes et de différencier les changements au niveau cortical liés au vieillissement normal de ceux résultant d'une pathologie visuelle.Mots clés : Scènes visuelles, Fréquences spatiales, IRMf, Cortex visuel, Rétinotopie, Régions sélectives aux scènes, Vieillissement normal, DMLA. / Visual analysis begins with the parallel extraction of different attributes at different spatial frequencies. The aim of this thesis was to investigatethe mechanisms and the cerebral basis of spatial frequencies processing during scene categorization and their evolution during normal and pathological aging. As a first step, we performed two functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) studies on young adults with normal vision in order to design a retinotopic mapping tool that allows to localize cerebral activations, which is both fast and accurate (studies 1 and 2). As a second step, we studied via fMRI (study 3) the cerebral basis involved in spatial frequencies processing during scenes categorization in young adults with normal vision (study 3). We also assessedthe influence of RMS luminance contrast (“root mean square”) normalization of filtered scenes. Within the occipital cortex, we showed a retinotopic organization of spatial frequencies processing for large visual scenes. Within the occipito-temporal cortex, we showed that scenes-selective regions (the parahippocampal place area, retrosplenial cortex and occipital place area) are specifically involved in spatial frequencies processing. Also, we highlighted the factthat luminance contrast normalization changesboth the intensity and the size of cerebral activations. As a last step, we studiedspatial frequencies processing in normal and pathological aging. We first highlighted in normal aging (study 4) a specific deficit in the ability to categorize scenes with high spatial frequencies (HSF); this deficit was associated with a decrease of activation within the occipital cortex and scenes selective regions. In patients suffering from a loss in central vision due to Age-Related Macular Degeneration (AMD patients, studies 5 and 6), we showed an even more pronounced deficit of HSF processing than observed in normal aging. Interestingly, with respect to the assistance of AMD patients, we observed that increasing the contrast luminance of HSF scenes significantly improved their ability to categorize such scenes. In the end, these results allow us to better understand the neurofunctional mechanisms involved in the visual perception of scenes and to distinguish the cortical changes related to normal aging from those resulting from a visual pathology.Keywords: Visual scenes, Spatial frequencies, fMRI, Visual cortex, Retinotopy, Scene-selective regions, Normal aging, AMD.

Le vieillissement cérébral normal est caractérisé par un déclin progressif de la capacité de traitement des informations en particulier dans le système de la mémoire de travail. Il apparaît donc essentiel d'explorer l'organisation corticale cérébrale sous-jacente au mécanisme de la mémoire de travail dont l'évaluation est rendu possible par l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Les objectifs de notre travail ont consisté à identifier, dans une large cohorte d'individus âgés en bonne santé, les réorganisations des réseaux neuronaux en relation avec (i) l'augmentation de la difficulté d'une tâche de mémoire de travail, (ii) l'âge des individus au cours de la tâche et (iii) la performance de la tâche pendant un état de repos. Trois cent quatre-vingt participants âgés (82 ans, 56% femmes) issus de la cohorte des Trois Cités de Montpellier ont été sélectionnés pour réaliser un examen d'IRMf comprenant une tâche de DIR (reconnaissance d'item en élément différé) et un état de repos. La tâche de DIR s'organisait en trois phases : (i) présentation – une, trois ou six lettres – (ii) rétention – écran blanc – et (iii) réponse – après la présentation d'une lettre cible, le participant indique si cette lettre cible faisait partie ou non de l'ensemble de départ. Dans une première partie, après avoir localisé les régions activées lors des trois phases de la tâche, nos analyses de covariance ont pu identifier, simultanément à la difficulté croissante de la tâche, une augmentation de l'activation dans les réseaux du central exécutif et de saillance pendant les trois phases de la tâche ainsi qu'une diminution dans le réseau du mode par défaut pendant la phase de stimulation et dans les régions limbiques et des ganglions de la base pendant la phase de rétention. Ces résultats suggèrent une interaction entre les réseaux d'augmentation et de diminution. Dans une deuxième partie, nous avons exploré l'effet de l'âge sur l'augmentation de l'activité simultanément avec la difficulté croissante de la tâche. Pendant la phase de stimulation, une réduction de l'activation dans le lobule pariétal gauche a été identifiée chez les individus très âgés par rapport aux individus âgés jeunes suggérant la mise en jeu d'un décalage antéro-postérieur lorsque l'âge augmente. Dans une troisième partie, les réseaux impliqués dans la mémoire de travail (central exécutif, saillance et mode par défaut) ont été mis en évidence pendant l'état de repos. Notre travail a montré que la connectivité fonctionnelle et la performance sont corrélées par : (i) une réduction au sein des réseaux de saillance et du mode par défaut suggérant une altération des processus mémoriels et attentionnels et (ii) une augmentation au sein du réseau du central exécutif évoquant l'implication d'un processus compensatoire. L'ensemble de ces résultats indiquent la présence de réorganisations cérébrales des réseaux neuronaux (saillance, central exécutif et mode par défaut) sous-tendant la mémoire de travail au cours du vieillissement cérébral normal. / Normal brain aging is characterized by a progressive decline in information processing ability in particular in the system of working memory. Therefore, it is essential to examine neural substrates underlying the working memory system which can be assessed by functional magnetic resonance imaging (fMRI). The aim of our work is to explore, in a large cohort of healthy elderly individuals, reorganizations in the networks in relation to (i) increase task load during a DIR (delayed item recognition) task, (ii) age during increase DIR task load and (iii) the performance in the DIR task during a resting state. Three hundred and eighty elderly participants (82 years, 56% women) from the Three-City cohort in Montpellier have been selected to perform an fMRI exam including a DIR task and a resting state. DIR task consisted of three phases: (i) stimulation – presentation of one, three or six letters - (ii) retention - blank screen to hold the stimulus items in mind - and (iii) probe - after the presentation of a target letter, the participant indicates whether or not this probe matched a letter in the study array. In the first work, using a covariance analysis, we observed, when the difficulty of the DIR task increases, simultaneously increased activation in salience and central executive networks during three phases separately of the DIR task and decreased activation in DMN during stimulation phase and in limbic regions and deep grey nuclei during retention phase. It may be hypothesized that salience and central executive networks interact in a complex way with DMN and limbic regions and deep grey nuclei. In the second work, age effects on load-dependent increases activations of the task were explored. Reduced activation in the left parietal lobe was identified in very old individuals compared to young old individuals during the stimulation phase suggesting an involvement of posterior–anterior shift with increasing age. In the third work, networks implicated in working memory (central executive, salience and the default mode networks) were highlighted by independent component analysis during the resting state. Our findings have confirmed that the functional connectivity and performance are related by: (i) a decreased in the both salience and the default mode networks and (ii) an increased in the central executive network. We can suggest that the decreased functional connectivity within the salience and the default mode networks could be due attentional and memory processes alterations and/or altered motivation. The increased functional connectivity within the central executive network could be related to compensatory mechanisms meanwhile elders would perform more poorly. All of these studies indicate that brain reorganizations of neural networks (salience, central executive and default mode) underlying working memory in normal brain aging.

Introduction : Les patients atteints de la variante sémantique de l'aphasie primaire progressive (vsAPP) et de trouble neurocognitif majeur dû à la maladie d'Alzheimer (MA) ont des déficits langagiers qui nuisent à leur qualité de vie. Ces déficits sont notamment liés à une atteinte du traitement de la signification des mots ou sémantique. Les thérapies actuelles, telles que les thérapies de rééducation du langage et la pharmacothérapie, ont une efficacité limitée pour améliorer les habiletés langagières chez les personnes atteintes de vsAPP et de MA. Une des raisons pouvant contribuer aux limites de l'efficacité de ces thérapies est qu'ils ne ciblent pas de façon spécifique les substrats cérébraux liés à l'atteinte du traitement sémantique. Or, ces substrats cérébraux ont besoin d'être mieux définis. Plusieurs mesures liées à l'anatomie, à l'activité électrophysiologique et à la modulation de l'activité cérébrale permettent d'étudier les substrats cérébraux associés au traitement sémantique. En ce qui a trait à l'anatomie, il est possible de mesurer le volume de matière grise du cerveau. Comme mesures de l'activité électrophysiologique, on note le potentiel évoqué N400 et la puissance des oscillations au repos. La modulation de l'activité cérébrale permet, pour sa part, d'explorer des liens de causalité entre des processus cognitifs et des réseaux cérébraux. Différentes techniques permettent d'obtenir ces mesures, telles la morphométrie cérébrale, l'électroencéphalographie (EEG) et la stimulation transcrânienne à courant continu (STCC). Objectif : L'objectif général de cette thèse est d'étudier les substrats cérébraux associés au traitement sémantique, au cours du vieillissement, afin de contribuer au développement d'approches thérapeutiques pour améliorer le langage dans le vieillissement pathologique. Hypothèse : L'anatomie et l'activité électrophysiologique cérébrale sont associées au traitement sémantique dans le vieillissement pathologique et normal, et la modulation de l'activité cérébrale permet d'explorer des liens de causalité entre le traitement sémantique et des régions cérébrales. Méthode : Pour atteindre notre objectif, nous avons effectué 4 études. L'étude 1 a pour but d'identifier les régions du cerveau dont le volume de matière grise est lié aux habiletés en lecture de mots, laquelle implique un traitement sémantique, chez des patients atteints de vsAPP et de MA et des aînés sains à l'aide de la morphométrie cérébrale. L'étude 2 a pour but d'étudier le traitement sémantique via le comportement et le potentiel évoqué N400 dans la MA et le vieillissement normal, par le biais d'une revue systématique. L'étude 3 a pour but d'étudier l'activité cérébrale associée au traitement sémantique chez des aînés sains en comparaison à celle de jeunes adultes avec l'EEG. L'étude 4 a pour but d'identifier les régions du cerveau auxquelles la STCC peut être appliquée pour moduler le traitement sémantique par le biais d'une revue de littérature. Résultats : L'étude 1 a révélé que le volume de matière grise du lobe temporal antérieur gauche est associé au nombre d'erreurs commises lors de la lecture de mots, qui implique un traitement sémantique. L'étude 2 a révélé des différences dans le potentiel évoqué N400 entre les personnes atteintes de MA et les aînés sains, ainsi qu'entre ces derniers et les adultes plus jeunes. L'étude 3 a révélé que, malgré un comportement similaire entre les aînés et les jeunes, l'activité électrophysiologique cérébrale associée au traitement sémantique diffère entre les groupes d'âge. L'étude 4 a révélé que la STCC appliquée à des régions des cortex frontal, temporal et pariétal peut moduler le traitement sémantique chez des adultes en santé. Conclusion : Des mesures de l'anatomie et de l'activité électrophysiologique, dont le volume de matière grise du lobe temporal du cerveau et le potentiel évoqué N400, sont associés au traitement sémantique dans le vieillissement pathologique et normal. Les mesures de la modulation de l'activité cérébrale renforcent le rôle de régions cérébrales temporales, frontales et pariétales dans le traitement sémantique. Ces études fournissent des pistes quant aux régions cérébrales qui pourraient être ciblées pour améliorer le traitement sémantique dans le vieillissement pathologique, tel que par l'utilisation de techniques de neuromodulation non-invasive. / Introduction: Patients with the semantic variant of primary progressive aphasia (svPPA) and with Alzheimer's disease (AD) show language impairments that affect their quality of life. One of the main sources of language impairment in these populations is that they present with abnormal processing of the meaning of words (semantic processing deficits). Treatment options currently available, namely pharmacotherapy and language therapy, have limited effectiveness to improve language abilities in these patients. It is possible that a therapy that would directly target the neural substrates involved in semantic processing, unlike currently available therapies, could have a positive impact on language abilities. However, these neural substrates are not that well characterized. Neural substrates of semantic processing can be studied via different anatomical and electrophysiological brain measures, or through neuromodulation of brain activity. To study the structural brain anatomy and electrophysiological brain activity, one can measure respectively gray matter volume and the N400 event-related potential. The measurement of the effects of neuromodulation further allows to explore causal links between cognitive processes and targeted brain regions. Different techniques enable to collect these measures, such as voxel-based morphometry (VBM), electroencephalography (EEG) and transcranial direct current stimulation (tDCS). Objective: The main objective of this thesis is to study the brain substrates related to semantic processing in aging in order to contribute to the development of treatments aiming at improving language abilities. Hypothesis: Anatomical and electrophysiological brain measures are associated with semantic processing in pathological and healthy aging, and neuromodulation allows to explore causal links between semantic processing and brain regions. Methods: To achieve our objective, we conducted 4 studies. Study 1 aims at identifying the brain regions in which gray matter volume is associated with whole-word reading (which implies semantic processing) in patients with svPPA or AD and healthy elderly adults using VBM. Study 2 aims at investigating the N400 event-related potential, associated with semantic processing, in AD and healthy aging through a systematic review. Study 3 aims at investigating the electrophysiological brain activity associated with semantic processing in healthy elderly adults in comparison to young adults using EEG. Study 4 aims at identifying the brain regions that could be targeted with tDCS to modulate semantic processing through a literature review. Results: Study 1 revealed that gray matter volume of the left anterior temporal lobe is associated with the number of errors in whole-word reading, which implies semantic processing. Study 2 revealed differences in the N400 event-related potential between patients with AD and healthy elderly adults, as well as between healthy elderly and younger adults. Study 3 revealed that, despite a similar behavioral performance between elderly and younger adults, some of the electrophysiological activity patterns associated with semantic processing differed between the two age groups. Study 4 revealed that tDCS delivered over the frontal, temporal and parietal cortices can modulate semantic processing in healthy adults. Conclusion: Anatomical and electrophysiological brain measures, including gray matter volume and the N400 event-related potential, are associated with semantic processing in pathological and healthy aging. Neuromodulation measures strengthen the role of temporal, frontal and parietal brain regions in semantic processing. These studies outline brain regions that could be targeted with non-invasive neuromodulation techniques to improve semantic processing in pathological aging.