Ce projet visait à 1) déterminer, chez des personnes en santé et des personnes ayant subi un accident vasculaire cérébral (AVC), la fidélité test-retest des paramètres associés aux stimulations magnétiques transcrâniennes (TMS) et 2) décrire la modulation de l’excitabilité corticospinale reliée au tibial antérieur (TA) à l’aide des TMS ainsi que sa relation avec des mesures cliniques de récupération locomotrice. Les paramètres démontrant une fidélité acceptable chez les deux groupes de participants étaient le seuil moteur, le plateau et la valeur maximale des réponses motrices évoquées et la période de silence maximale. Une réorganisation cérébrale a été observée au stade aigu post-AVC: durant la période de réadaptation active, l’hyperexcitablilité de l’hémisphère non lésé s’est résorbée et l’excitabilité de l’hémisphère lésé a augmentée, suggérant un meilleur contrôle contralatéral du TA parétique. Parallèlement, une augmentation de la vitesse de marche a été documentée suggérant un lien entre le contrôle contralatéral et la récupération fonctionnelle. / The project aimed to 1) determine, in healthy subjects and persons with chronic stroke, the test-retest reliability of outcome measures related to transcranial magnetic stimulations (TMS) and 2) describe, by means of TMS, the modulation of the corticospinal excitability of the tibialis anterior (TA) as well as test its relationship with clinical measures of locomotor recovery. The TMS outcome measures presenting acceptable reliability level in both groups of participants were the motor threshold, the plateau and maximal values of the motor evoked potentials and the maximal silent period. Cerebral reorganization was observed in the acute stage post-stroke: during the active rehabilitation period, the non lesioned hemisphere’s hyperexcitability decreased and there was a gradual increase of the lesioned hemisphere’s excitability, suggesting a greater control of the paretic TA via the contralateral tracts. A parallel increase in gait speed was also documented thus suggesting a link between a contralateral control and functional recovery.

Ce doctorat s'est intéressé à l'organisation fonctionnelle du cortex moteur primaire (M1) impliqué dans une synergie musculaire interarticulaire. La question de recherche était de savoir si le contrôle d'une synergie proximo-distale était assuré par les connexions synaptiques facilitatrices existant entre zones M1 contrôlant les muscles proximaux et distaux. L'originalité du travail repose sur le fait que cette question est traitée pour la première fois au cours d'une tâche motrice dynamique. Le modèle expérimental utilisé est le maintien de la pince pouce/index pendant des mouvements cycliques de flexion/extension du poignet. L'hypothèse de travail propose que la pince et la flexion du poignet, forment une synergie proximo-distale assurée par les connexions entre zones M1 des muscles fléchisseurs du poignet et du muscle abducteur de l'index, (FDI, First Dorsal Interosseus préactivé pour le maintien de la pince). Le recrutement de ces connexions augmenterait l'excitabilité corticale du FDI, potentialisant ainsi l'efficacité de la commande motrice distale. Les simples et doubles stimulations magnétiques transcrâniennes de M1 ont permis de tester l'excitabilité corticospinale et le niveau d'inhibition intracorticale (SICI) du FDI chez des personnes en santé (études 1 et 2) et chez une patiente désafférentée (étude 3). Les résultats des études 1 et 2 indiquent respectivement que l'excitabilité corticospinale du FDI est augmentée et que sa SICI est réduite pendant la flexion du poignet comparativement à l'extension, que les mouvements soient actifs ou passifs. Comme la SICI teste des processus strictement corticaux, il est proposé que la facilitation observée (fléchisseurs du poignet - FDI) s'organise en partie dans les circuits de M1. De plus, la facilitation observée en passif suggère une contribution des afférences proprioceptives du poignet. Les résultats de l'étude 3 (désafférentation) où l'effet n'est observé qu'en actif, suggèrent que les seules informations proprioceptives n'expliquent pas la facilitation proximo-distale et qu'une combinaison avec la commande motrice proximale est requise. Ces observations appuient l'idée du contrôle moteur cortical intégré de la pince pouce/index au cours de mouvements cycliques du poignet. Cette tâche dynamique serait une synergie musculaire fonctionnelle représentée au sein de M1 et contrôlée par la perméabilité phase-dépendante des informations sensorielles liées au mouvement.

Différents déficits langagiers sont souvent observés dans la maladie de Parkinson (MP), incluant des difficultés à comprendre les métaphores. Ces difficultés seraient associées à une hypo-activation du cortex préfrontal dorsolatéral (CPFDL), possiblement causée par le dysfonctionnement des boucles fronto-striatales. La polysémie (plusieurs sens associés à un mot) est un facteur linguistique intrinsèque à la composition d’une métaphore et pourrait avoir un impact sur ces déficits, mais son influence est méconnue. La compréhension des métaphores pourrait également être influencée par différentes techniques de stimulation cérébrale pouvant avoir un impact sur le fonctionnement des circuits fronto-striataux, notamment la Stimulation Cérébrale Profonde (SCP) (un traitement chirurgical produisant une stimulation électrique continue) et la Stimulation Magnétique Transcrânienne (TMS) (une approche expérimentale non invasive en mesure d’influencer l’activité cérébrale par influx magnétique transitoire). Selon plusieurs études évaluant à la fois les effets de la chirurgie et des stimulations électriques, la SCP entraînerait une altération du langage. Cependant, les effets dissociés des stimulations électriques sur le langage, incluant la compréhension des métaphores, sont encore à éclaircir. En outre, les effets de la TMS, qui pourrait potentiellement améliorer le dysfonctionnement du CPFDL, n’ont jamais été évalués sur les difficultés à comprendre les métaphores dans la MP. La visée de cette thèse était donc d’évaluer les effets de la SCP et la TMS sur la compréhension des métaphores dans la MP. Les résultats de la première étude, évaluant l’influence de la polysémie, ont d’abord permis de contrôler adéquatemment l’impact de ce facteur lors de l’évaluation de la compréhension des métaphores. Dans la deuxième étude, portant sur les effets de la SCP, aucun impact des stimulations électriques n’a été observé sur la compréhension des métaphores. Enfin, dans la troisième étude, l'application d’un protocole particulier en TMS sur le CPFDL a entraîné une amélioration de la compréhension des métaphores chez un participant atteint de la MP. Ainsi, cette thèse a contribué à l’avancement des connaissances sur la compréhension des métaphores dans la MP et sur l’influence de différentes techniques de stimulation cérébrale sur cette habileté. Elle a également apporté de nouvelles hypothèses neuroanatomiques qui pourront servir dans de futures études. / Different language deficits are often observed in Parkinson's disease (PD), including difficulties to understand metaphors. These difficulties seem to be associated with a decreased activation of the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), possibly caused by fronto-striatal network dysfunctions. Polysemy (the property of a word to have multiple related meanings) is a linguistic factor intrinsic to the composition of a metaphor and could have an impact on this deficit, but its influence is unknown. Metaphor comprehension is also likely to be influenced by different brain stimulation technics that may have an impact on the fronto-striatal loops and the DLPFC, including Deep Brain Stimulation (DBS) (a surgical treatment producing subcortical continuous electrical stimulation) and Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) (a noninvasive experimental approach that can influence brain activity by transient magnetic pulses). According to several studies evaluating both the effects of electrical stimulation and surgery, DBS generally impairs language abilities. However, differentiated effects of electrical stimulation on language, including metaphor comprehension, are still unclear. Additionally, TMS could potentially improve the DLPFC dysfunction, but its effects on metaphor comprehension deficits in PD have never been evaluated. Thus, the aim of this thesis is to evaluate the effects of DBS and TMS on metaphor comprehension in PD. The results of the first study, evaluating the influence of polysemy, showed how to properly control the impact of this factor when evaluating metaphor comprehension in this disease. In the second study, which focused on DBS effects, we observed no impact of electrical stimulation on metaphor comprehension. Finally, in the third study, the application of a particular TMS protocol on the DLPFC improved metaphor comprehension in a participant with PD. Overall, this thesis has contributed to advance knowledge on metaphor comprehension in PD and on the influence of different brain stimulation technics on this ability. It also provided new neuroanatomical hypotheses that could be used in future studies.

La lombalgie chronique non spécifique (LC) est la première cause d'années de vie vécues avec incapacité dans le monde. Alors que la vision réductionniste qui consistait à attribuer une cause uniquement biophysique à la LC n'est plus dominante, il reste néanmoins illusoire d'affirmer que cette douleur est parfaitement comprise par les chercheurs et les cliniciens. La LC est probablement due à l'intrication d'une multitude de facteurs, qu'ils soient d'origine périphérique (ex : contraintes mécaniques sur le rachis) ou centrale (ex : activité augmentée de certaines zone cérébrales impliquées dans le contrôle de la douleur). Une grande partie des dizaines interventions existantes visent à cibler les facteurs périphériques de la LC, avec une efficacité faible à modérée. Par exemple, les exercices de contrôle moteur (MCE, de l'anglais *motor control exercise*) sont recommandés par les guides de pratique cliniques comme un traitement de première ligne, mais certains patients n'ont que peu ou pas d'amélioration à la suite de ce traitement. Ces dernières années, des techniques de stimulation cérébrale non invasive (NIBS, de l'anglais *non invasive brain stimulation*), dont la stimulation magnétique transcrânienne répétitive (rTMS, de l'anglais *repetitive transcranial magnetic stimulation*), pouvant potentiellement cibler directement des facteurs centraux de la douleur ont été testées pour diminuer la douleur en LC avec des résultats contradictoires. **Le premier objectif** de ce doctorat a donc été de recenser la littérature sur l'intérêt de la NIBS dans le traitement de la LC à l'aide d'une revue systématique avec méta-analyse. Sur la base des 12 articles inclus, il a été observé que des sessions répétées de NIBS ne permettent pas une amélioration de la douleur à court et moyen termes en comparaison à des stimulations placebo. Cependant, il est important de noter que la majorité des études ont utilisé la stimulation transcrânienne à courant direct (tDCS). Dans cette revue, les deux seules études ayant évalué la rTMS ont retrouvé des effets positifs sur la douleur, mais il convient de confirmer ces résultats aux vues de leur faible qualité méthodologique. Pour ce faire, **le second objectif** de cette thèse a été la réalisation d'un essai contrôlé randomisé (ECR) visant à comparer l'efficacité de la rTMS, associée ou non à des MCE, par rapport à des stimulations placebo pour diminuer la douleur chez des individus avec LC. Cent-quarante participants ont été randomisés en quatre groupes : rTMS active / rTMS active + MCE / rTMS placebo / rTMS placebo + MCE. A la suite des huit semaines de traitement, tous les groupes ont eu une amélioration statistiquement significative de leur douleur, sans qu'un groupe n'ait eu de meilleurs résultats que les autres. Cela pose des questions tant sur l'efficacité de la rTMS en LC que sur l'efficacité des MCE comparés à un placebo pouvant être perçu comme impressionnant par les participants. La douleur en LC étant multifactorielle, il reste possible que le regroupement des participants en sous-groupes selon des caractéristiques cliniques ou physiologiques précises puisse permettre de retrouver une efficacité de la rTMS ou des MCE. Pour réaliser **ce troisième objectif**, différents prédicteurs potentiels ont été évalués afin d'identifier des répondeurs aux traitements proposés dans l'ECR précédemment décrit. Les résultats de cette analyse secondaire indiquent que parmi les participants ayant reçu la rTMS active, ceux présentant des symptômes de sensibilisation centrale élevés avaient une incapacité significativement plus importante à la fin du traitement par rapport à ceux ayant moins de sensibilisation centrale. Chez les participants présentant des niveaux élevés de sensibilisation centrale, ceux ayant reçu la rTMS active présentaient également une incapacité plus importante que ceux ayant reçu la rTMS placebo. Aucun autre prédicteur n'a eu d'effet sur l'incapacité ou la douleur. **Pour conclure**, les résultats de cette thèse semblent indiquer que la rTMS, les MCE, et leur association ne sont pas plus efficaces que des stimulation cérébrales placebo pour diminuer la douleur en lombalgie chronique. De plus, notre analyse exploratoire suggère que la rTMS pourrait empêcher l'amélioration de l'incapacité chez les patients souffrant de LC et présentant des symptômes auto-rapportés élevés de sensibilisation centrale. / Chronic nonspecific low back pain (CLBP) is the leading cause of years lived with disability worldwide. While the reductionist view of attributing a solely biophysical cause to CLBP is beginning to fade, it remains illusory to say that researchers and clinicians fully understand this pain. CLBP is likely due to the intricate interplay of many factors, whether of peripheral origin (e.g., mechanical constraints on the spine) or central (e.g., increased activity of certain brain areas involved in pain processing). Many of the existing interventions aim to target peripheral factors in CLBP, with low to moderate efficacy. For example, MCE are recommended by clinical practice guidelines as a first-line treatment, but some patients have little or no improvement following this treatment. In recent years, NIBS techniques, including rTMS, which can potentially directly target central pain factors, have been tested to reduce pain in CLBP with contradictory results. **The first objective** of this thesis was to evaluate the literature on the effectiveness of NIBS in treating CLBP through a systematic review and meta-analysis. Based on the 12 articles included, it was observed that repeated sessions of NIBS did not outperform sham stimulations for pain reduction in the short and medium term. However, it is important to note that most studies have used transcranial direct current stimulation (tDCS). In this review, the only two studies that assessed rTMS reported positive effects on pain intensity, but the low methodological quality of these studies implies further confirmation of these findings. To do this, **the second objective** of this thesis was to conduct a randomized controlled trial (RCT) to compare the efficacy of rTMS in association or not with MCE with a placebo to reduce pain in individuals with CLBP. One hundred forty participants were randomized into four groups: rTMS active / rTMS active + MCE / rTMS placebo / rTMS placebo + MCE. After eight weeks of treatment, all groups had a statistically significant improvement in their pain, with no group being superior to the others. These results raise questions about both the effectiveness of rTMS in CLBP and the effectiveness of MCE compared to a placebo which may be perceived as impressive by participants. Since CLBP is a heterogeneous pathology in its causes, grouping participants into subgroups according to specific clinical or physiological characteristics may allow us to retrieve the potential effectiveness of rTMS or MCE. To achieve **this third objective**, various potential predictors were evaluated to identify responders to the treatments proposed in the previously described RCT. The results of this secondary analysis indicate that among participants who received active rTMS, those with higher levels of self-reported central sensitization symptoms had significantly greater disability at the end of the treatment compared to those with lower central sensitization. Among participants with high central sensitization, those who received active rTMS also exhibited greater disability than those who received sham rTMS. No other predictors affected disability or pain. In conclusion, the findings of this thesis suggest that rTMS, MCE, and their combination, are no more effective than a placebo stimulation in reducing pain in CLBP. Moreover, our exploratory analysis suggests that rTMS may prevent disability improvement in patients with CLBP with higher self-reported symptoms of central sensitization.

INTRODUCTION : La tendinopathie de la coiffe des rotateurs (CR) entraîne de la douleur et des limitations fonctionnelles qui seraient expliquées en partie par une perturbation du contrôle neuromusculaire de l’épaule. L’entrainement sensorimoteur a été démontré efficace pour rééduquer le contrôle neuromusculaire suite à cette atteinte. Chez des populations neurologiques, l’ajout de stimulation anodale transcrânienne par courant direct (a-tDCS) à un entrainement sensorimoteur permet d’améliorer plus rapidement la condition des patients. Ainsi, l’ajout de l’a-tDCS pourrait optimiser l’efficacité de l’entrainement sensorimoteur à la suite d’une tendinopathie de la CR. OBJECTIF : Comparer un groupe recevant un programme de réadaptation centré sur l’entrainement sensorimoteur et l’a-tDCS, à un groupe recevant le même programme mais avec une a-tDCS placébo. MÉTHODOLOGIE : Quarante adultes présentant une tendinopathie de la CR ont pris part aux 4 évaluations (0, 3, 6, 12 semaines) et au programme de réadaptation de 6 semaines (incluant éducation, entrainement sensorimoteur et renforcement musculaire) de cet essai clinique randomisé à triple insu (participants, physiothérapeute traitant, évaluateur). Les symptômes et limitations fonctionnelles (questionnaires Disability of the Arm, Shoulder and Hand [DASH] et Western Ontario Rotator Cuff [WORC]) et la distance acromiohumérale (DAH ; mesures échographiques à 0°, 45°, 60° d’élévation du bras) étaient les variables à l’étude. L’a-tDCS était positionnée au-dessus du cortex moteur controlatéral à la douleur (stimulation 1,5 mA pour 30 minutes) et appliquée pendant l’entrainement sensorimoteur. RÉSULTATS : Une amélioration statistiquement significative aux DASH et WORC à 3, 6 et 12 semaines et de la DAH à 45° et 60° à 6 semaines chez les deux groupes a été démontrée (effet Temps P < 0,05). Toutefois, aucune différence entre les groupes n’a été observée dans cette amélioration pour toutes les variables (interaction Groupe X Temps P > 0,43) CONCLUSION : L’ajout de l’a-tDCS ne semble pas améliorer l’efficacité de l’entrainement sensorimoteur pour les personnes atteintes d’une tendinopathie de de la CR. / BACKGROUND: Rotator cuff (RC) tendinopathy results in pain and functional limitations, and these deficits can be explained, in part, by an alteration of shoulder motor control. For treatment of RC tendinopathy, sensorimotor training has been shown to be effective to reduce symptoms and improve function, as well as optimize shoulder motor control. Anodal transcranial direct current stimulation (a-tDCS), an electrostimulation technique known to modulate the motor cortex excitability, has been shown to enhance the effects of sensorimotor training in neurological populations. The addition of a-tDCS during a rehabilitation program centered on sensorimotor training could enhance motor learning associated with sensorimotor training and thus improve treatment outcome. OBJECTIVE: To compare a group receiving a rehabilitation program centered on sensorimotor training with a-tDCS to a group receiving the same rehabilitation program with sham a-tDCS. METHODS: Forty adults with RC tendinopathy part in the 4 evaluation sessions (0, 3, 6, 12 weeks) and the 8 supervised physiotherapy treatments during the 6-week rehabilitation program (education, sensorimotor training, strengthening) of this triple-blind randomized control trial (evaluator, physiotherapist and participants). Outcome measures were symptoms and functional limitations (Disability of the Arm, Shoulder and Hand [DASH] and the Western Ontario Rotator Cuff [WORC] index), as well as acromiohumeral distance (AHD; ultrasonographic measurement at 0° and 60° of elevation arm). A-tDCS (1.5 mA for 30 minutes) was applied during sensorimotor training on the motor cortex contralateral to the side of pain. RESULTS: Both groups showed significant improvement in DASH and WORC at 3, 6 and 12 weeks and in AHD at 45° and 60° at 6 weeks (P < .05). However, no significant Group-by-Time interaction was observed for all outcomes (P > .43). CONCLUSION: Results do not demonstrate any added effects of a-tDCS during a rehabilitation program in individuals with RC tendinopathy.

La stimulation corticomotoneuronale pairée (PCMS) combine stimulation magnétique transcrânienne (TMS) du cortex moteur primaire (M1) et stimulation électrique périphérique (ePCMS). L'intervalle synchronisant l'arrivée des potentiels d'action pré- et post-synaptique au niveau de la synapse corticomotoneuronale vise l'induction d'une plasticité spinale de type potentialisation long terme. Le pairage avec la stimulation périphérique magnétique (mPCMS) pourrait être plus efficace pour augmenter l'excitabilité corticospinale vu la correspondance d'activation des motoneurones avec la TMS et les afférences purement proprioceptives. La mPCMS a été comparée avec la ePCMS pour tester les effets induits (mesurés par l'amplitude des potentiels évoqués moteurs (MEP)) appliqués au membre inférieur durant une activation volontaire. L'influence des variants du gène BDNF (brain-derived neurotrophic factor) sur la réponse aux PCMS a également été observée. Seize adultes en santé ont participé à deux expérimentations pairant la TMS de M1 du tibial antérieur (TA) avec la stimulation du nerf fibulaire commun (aux intensités sous le seuil de la douleur) à l'intervalle inter-stimuli personnalisé, pendant une légère contraction isométrique du TA. En somme, la majorité des participants ont eu une augmentation significative de l'amplitude des MEP. La grandeur de la taille effet était différente entre les protocoles et dans le temps soit: un changement plus marqué direction après l'intervention ePCMS (taille d'effet moyen) et 30 minutes après l'intervention mPCMS (effet très large). Les variables secondaires n'ont pas été influencées, supportant l'origine prémotoneuronale de l'augmentation d'excitabilité corticospinale. Une distribution différente des génotypes du BDNF a été notée: les répondants en ePCMS étaient davantage porteurs du génotype Val66Val et ceux en mPCMS étaient plus des porteurs de l'allèle Met. Il s'agit de la première étude testant les mPCMS et appliquant les ePCMS en activité au membre inférieur et nos conclusions supportent leur efficacité et pertinence. Davantage d'études au design expérimental sont nécessaires pour reproduire nos résultats et explorer le potentiel des mPCMS. / Paired corticomotoneuronal stimulations (PCMS) is of great interest as a novel neurostimulation paradigm to explore the potential plasticity of the spinal cord. The methods consist in the synchronization of presynaptic (from transcranial magnetic stimulation (TMS) at the primary motor cortex) and postsynaptic (from peripheral stimulation of the nerve) volleys at the corticomotoneuronal synapse to induce STDP-like (spike-timing-dependant-plasticity) after-effects. The body of PCMS literature has investigated its application at the upper limb with only few at the lower limb. The peripheral nerve stimulation is usually electrical (ePCMS) and pairing TMS with magnetic stimulation of the nerve (mPCMS) has never been tested. This new paradigm would have interesting advantages compared to ePCMS: recruits first alpha-motoneurons of small diameters (correspondence with activated motoneuron by TMS) and generates almost pure proprioceptive afferences. After-effects on corticospinal excitability (measured by motor evoked potential (MEP) amplitude) were compared between the two PCMS protocols (ePCMS vs. mPCMS) at the tibial anterior (TA: ankle dorsiflexor) in active state for healthy participants. Our findings have shown that both ePCMS and mPCMS are effective to strengthen corticospinal projections in painless intensities at the TA in active state for a majority of healthy participants. For the first time studied, mPCMS has shown promising results for inducing LTP-like effects as its magnitude of effect was considered very large (for responders in Post30) compared to medium-sized effect for ePCMS (in Post0). The factor BDNF genotypes was also observed in our study, revealing different distribution between the two protocols: Val66Vall genotype was predominant in ePCMS responders, while Met allele carriers were more represent in mPCMS responders. Our results support the premotoneuronal origin of MEP increase for the TA preactivated with comfortable TMS intensities. Larger sampled experimentally designed studies are needed to reproduce our findings, to optimized mPCMS parameters and better understand its underlying mechanisms.

Ce mémoire doctoral vise à approfondir les connaissances dans le domaine de la réadaptation, de la neurostimulation et de la pratique mentale basée sur l’imagerie motrice (IM). Très peu d’études ont mesuré les effets de ces deux techniques en combinaison et il existe à notre connaissance seulement une étude ayant mesuré les effets de ces deux techniques au niveau du membre inférieur. Concrètement, l’objectif principal du mémoire doctoral est de mesurer les effets de l’IM combinée à la stimulation transcrânienne à courant continu (STCC) sur les performances motrices d’une séquence complexe de mouvements de la jambe chez des sujets sains. Une étude expérimentale d’une seule séance, avec un protocole en double aveugle, placebo contrôle, a été réalisée auprès de 36 adultes sains. Les sujets ont été divisés aléatoirement en trois groupes égaux, soit un groupe recevant une stimulation anodale active du cortex moteur de la jambe combinée à l’IM, un groupe recevant une stimulation placebo combinée à l’IM et un groupe recevant une stimulation placebo combinée à une tâche de lecture. Les sujets devaient apprendre puis réaliser une séquence complexe de huit mouvements avec la jambe dominante, afin de mesurer la précision et la vitesse des séquences complétées. Les résultats ont démontré un effet d’acquisition de la séquence, soit immédiatement et 30 minutes après l’intervention, de même que des capacités d’IM équivalentes et ce pour tous les groupes. Cependant, contrairement à nos hypothèses, les résultats n’ont démontré aucun effet additionnel de l’IM ou de la combinaison de l’IM et de la neurostimulation sur le nombre de séquences correctement exécutées ou sur le temps d’exécution. Ce mémoire doctoral contribue toutefois à l’avancement des connaissances en démontrant la pertinence de réaliser des études auprès de populations saines afin de valider les paramètres d’intervention avant l’utilisation des interventions auprès de populations cliniques. / This doctoral thesis aimed at further developing knowledge on novel techniques to improve rehabilitation notably neurostimulation and mental practice based on motor imagery (MI). Very few studies have combined these two techniques and only one study combined these two techniques to investigate its effects on the lower limb. More precisely, the objective of this doctoral thesis is to study the effects of mental practice based on motor imagery (MI) combined with transcranial direct current stimulation (tDCS) on leg motor performances in healthy subjects, using a complex foot-movements sequence. A single session experimental study was conducted, using a double blind, placebo controlled protocol with 36 healthy adults. Subjects were randomly assigned to one of three equal groups: one receiving active anodal stimulation over the leg region of the motor cortex combined with motor imagery training, one receiving sham stimulation combined with motor imagery training and one receiving sham stimulation combined with a reading task. Subjects had to learn then execute a complex 8-movement sequence with their dominant leg; the goal being to measure accuracy and speed of completed sequences. Results showed new skill acquisition, immediately after and 30 minutes after the intervention in all groups. Results also showed that all three groups had similar MI abilities. However, contrary to our hypothesis, our results showed no additional effect of MI training or of the combination of MI training and stimulation, measured by an increase number of correctly performed sequences or by an decreased in execution time, suggesting that motor performances were similar for all three groups. This doctoral thesis contributes to scientific knowledge by showing the relevance of conducting research with healthy populations in order to validate the interventions before implementing the interventions with a clinical population.

Savoir différiencier les différentes types de tissus représente un aspect important lors d’interventions médicales, que ce soit pour aider au diagnostic d’une maladie ou pour le guidage chirurgical. Il est généralement très difficile de distinguer les tissus sains des tissus pathologiques à l’oeil nu et la navigation chirurgicale peut parfois être difficile dans les grands organes où la structure ciblé se trouve enfouie profondément. De nouvelles méthodes susceptibles d’accroître la réussite de telles interventions médicales suscitent actuellement de l’intérêt chez les professionnels de la santé. La spectroscopie optique, en analysant les interactions lumière-tissu dans une plage spectrale définie, est un outil permettant de différencier les tissus avec une résolution et une sensibilité bien supérieures à celles de l’oeil humain. Tout au long de cette thèse, je détaillerai comment la spectroscopie optique a été utilisée pour créer et améliorer un système de guidage optique utilisé pour la stimulation cérébrale profonde en neurochirurgie, en particulier pour le traitement de la maladie de Parkinson. Pour commencer, je montrerai comment les informations spectroscopiques peuvent fournir une rétroaction peropératoire en temps réel à un neurochirurgien, au cours de la phase d’implantation de la procédure, avec une sonde qui n’induit aucune invasion supplémentaire. Je présenterai l’investigation de deux modalités spectroscopiques différentes pour la discrimination tissulaire pour le guidage, soit la spectroscopie à réflectance diffuse et la spectroscopie de diffusion Raman anti-Stokes cohérente. Les avantages et les inconvénients des deux techniques, ainsi que leurs aptitude à la traduction prometteuse pour cette application seront abordés. Par la suite, je présenterai une nouvelle technique d’analyse de données pour extraire l’oxygénation des tissus à partir de spectres de réflectance diffus dans le but d’améliorer la précision de mesure en spectroscopie rétinienne et ultimement de porter un diagnostique. Bien que conçu pour la rétine, l’algorithme peut également être utilisé pour analyser les spectres acquis lors d’une neurochirurgie afin de fournir des informations à la fois discriminantes et diagnostiques. Finalement, je montrerai des preuves de diffusion anisotrope de la lumière dans les axones myélinisés de la moelle épinière et discuterai des conséquences que cela pourrait avoir sur les simulations actuelles de la propagation des photons dans le cerveau, qui feront partie intégrante d’un guidage optique efficace. / Differentiating tissue types is an important aspect of guiding medical interventions whether it be for disease diagnosis or for surgical guidance. However, diseased and healthy tissues are often hard to discriminate by human vision alone and surgical navigation can be difficult to accomplish in large organs where the target structure lies deep within the body. New methods that can increase certainty in such medical interventions are therefore of great interest to healthcare professionals. Optical spectroscopy is a tool which can be exploited to probe discriminatory information in tissue by analyzing light-tissue interactions with a spectral range, resolution and sensitivity much greater than the human eye. Throughout this thesis, I will explain how I have leveraged optical spectroscopy to create, and improve, an optical guidance system for deep brain stimulation neurosurgery, specifically for the treatment of Parkinson’s disease. I will begin by describing how spectroscopic information can provide real-time feedback to a surgeon during the procedure, in the hopes of ultimately improving treatment outcome. To this end, I will present the investigation of two different spectroscopic modalities for optical guidance: diffuse reflectance spectroscopy, and coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy. The advantages and disadvantages of both techniques will be discussed along with their promising translatability for this application. Following this, I will present a novel data analysis technique for extracting the tissue oxygenation from diffuse reflectance spectra with the aim of improved diagnostic information in retinal spectroscopy. While designed for the retina, the algorithm can also be used to analyze spectra acquired during a neurosurgery to provide both discriminatory and diagnostic information. Lastly, I will show evidence of anisotropic light scattering in the myelinated axons of the spinal cord and discuss the implications this may have on current photon propagation simulations in the brain, which will be integral for effective optical guidance.

La mémoire épisodique permet de se souvenir d’évènements dans leur contexte spatio-temporel. Les données issues de la neuroimagerie fonctionnelle ont mis en évidence que les régions préfrontales gauche et droite sont activées lors de l’encodage et de la récupération en mémoire épisodique, et ceci même lors de tâches mnésiques relativement simples. Sur la base de ces données, il est attendu que des patients présentant une atteinte frontale devraient présenter des déficits mnésiques. Or, de tels patients ont des performances déficitaires spécifiquement lors de tâches mnésiques complexes. Cette divergence quant à l’implication du cortex préfrontal pourrait s’expliquer par le fait que les activations obtenues à partir des techniques de neuroimagerie fonctionnelle sont le reflet de changements hémodynamiques : elles ne signifient pas que les régions activées soient essentielles au fonctionnement mnésique. La technique des Stimulations Magnétiques Transcrâniennes (SMT) permet de contourner certaines de ces limites et permet d’étudier, d’une manière sécuritaire, l’implication d’une région cérébrale donnée dans une fonction cognitive. Selon les paramètres de stimulations appliquées, il est possible d’interférer ou de faciliter les processus neuronaux d’une région donnée. Après une revue de la question et des principaux enjeux théoriques (Chapitre 1), l’objectif principal de la thèse, détaillé au Chapitre 2, était d’étudier le rôle des régions préfrontales dorsolatérales (CPFDL) en encodage et en récupération épisodique selon la nature verbale ou non-verbale du matériel à traiter et ce, à l’aide des effets inhibiteurs et facilitateurs que peuvent induire les SMT. Les bases neuronales de la mémoire épisodique ont donc été étudiées chez de jeunes adultes en santé dans le cadre de deux études originales, présentées aux Chapitres 3 et 4 de la thèse. En induisant des effets d’interférence avec les SMT, la première étude de la thèse a permis de démontrer le rôle essentiel des CPFDL gauche et droit lors de la mise en jeu des processus d’encodage et de récupération de matériel verbal et non-verbal. Les données d’une seconde étude, tablant sur les effets de facilitation des SMT, ont indiqué qu’il est possible d’améliorer le fonctionnement de la mémoire épisodique lorsque des SMT sont appliquées au niveau des CPFDL gauche et droit durant l’encodage ou la récupération. Les résultats des deux études de la thèse sont analysés à la lumière des données issues d’approches complémentaires lors du Chapitre 5. / Data from neuroimaging studies show right and left prefrontal cortex (PFC) activations during episodic encoding and retrieval. However, because functional neuroimaging findings rely on metabolic/hemodynamic indices, even if activations suggest that the activated areas are involved in a cognitive task; this does not necessarily mean that the activated regions are functionally crucial to episodic memory. Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a brain stimulation technique that can transiently and safely interfere with ongoing neuronal activity in a targeted region. Depending on the stimulation parameters, it is possible to interfere with, or facilitate, neuronal activity. The first chapter of this thesis reviews current and past literature about on the prefrontal regions and its relation to episodic memory and different technique. This review lays the ground for the main objective (detailed in Chapter 2): to study the critical role of the dorsolateral PFC (DLPFC) in episodic encoding and retrieval processes, according to the nature of the material (verbal or non-verbal). Two original empirical investigations are included in this thesis. The first article (Chapter 3) highlights how the left and right DLPFC are essential for the encoding and retrieval of verbal and non-verbal information. The second article (Chapter 4) uses the potential facilitation effect of TMS for augmenting memory efficiency in young and healthy adults and actually showed that it is possible to improve the efficiency in episodic memory with TMS. These studies contribute to a better understanding of the role of the DLPFCs in episodic memory and promote TMS as a safe and efficient way to study human memory. Results of both studies are discussed in Chapter 5 in the light of data from other approaches.

Introduction Le trouble lié aux substances est une condition neuropsychiatrique complexe particulièrement difficile à traiter avec les méthodes thérapeutiques actuelles et les rechutes sont fréquentes. Le craving, cette envie de consommer la substance, est un facteur critique dans la rechute. Les techniques de stimulation cérébrale non-invasive telles que la stimulation transcrânienne par courant continu (tDCS) et la stimulation magnétique transcrânienne répétée (rTMS) ont démontré des résultats intéressants dans plusieurs conditions psychiatriques, dont dans la réduction du craving chez les patients souffrant de troubles liés aux substances. Cela dit, les mécanismes d’action de ces techniques demeurent mal définis. Objectifs L’objectif de cette thèse est de déterminer les mécanismes d’action de la tDCS et rTMS, et de les mettre en perspective dans le trouble lié aux substances. Méthodes Nous avons effectué 3 études combinant la tDCS ou rTMS avec l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Nous avons combiné la stimulation cérébrale avec la spectroscopie par résonance magnétique (MRS), qui permet de quantifier la concentration de métabolites cérébraux, et l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), qui permet de mesurer la connectivité fonctionnelle entre structures cérébrales. Résultats La première étude a combiné l’administration de la tDCS au cortex préfrontal et la MRS. Les résultats démontrent que la tDCS permet l’élévation de n-acétylaspartate (NAA) et glutamine+glutamate (Glx) dans le cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC) et le striatum. Ceci suggère que la tDCS a un effet excitateur rapide sur le DLPFC et facilite la transmission corticostriatale. La deuxième étude a combiné la tDCS avec l’IRMf, dans un devis expérimental calqué sur celui de l’étude 1. Les résultats indiquent que la tDCS administrée au DLPFC augmente la connectivité fonctionnelle entre le DLPFC et le striatum, ce qui suggère une augmentation de l’activité des voies corticostriatales. La troisième étude est une étude de cas clinique où nous avons administré la rTMS à un patient du trouble lié aux substances et obtenu des mesures en MRS avant puis après la rTMS. Les résultats cliniques démontrent une diminution du craving et des symptômes anxieux chez le patient. Les résultats neurophysiologiques démontrent que la rTMS a permis l’élévation de NAA et Glx dans le DLPFC, striatum et le cortex cingulaire. Ces résultats suggèrent que la rTMS a un effet excitateur sur le DLPFC et ses structures sous-jacentes, ce qui pourrait expliquer la diminution de symptômes. Conclusion Les résultats démontrent que la tDCS et la rTMS administrés au DLPFC ont des effets excitateurs locaux, sur le DLPFC, et distaux, suivant les voies corticostriatales. Ces résultats suggèrent que ces techniques peuvent moduler l’activité des voies glutamatergiques préfrontales. Ceci pourrait participer à diminuer le craving chez les patients de dépendances aux substances et suggère que la stimulation cérébrale non-invasive est une technique alternative à explorer dans cette perspective. / Introduction Substance use disorders (SUD) is a complex neuropsychiatric disorder that is particularly difficult to treat with conventional treatment methods and relapse is frequent. Cravings are a critical factor in relapse and constitute an important target for abstinence. Noninvasive brain stimulation techniques such as transcranial direct current stimulation (tDCS) and repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) have demonstrated interesting clinical potential in a wide range of neuropsychiatric disorders, including the decrease of craving in patients of SUD, when administrated to the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC). However, neurophysiological mechanisms of action of tDCS and rTMS remain largely unknown. Objectives The objective of the thesis is to characterize some of these mechanisms of action and put them in perspective of its potential therapeutic effect in SUD. Methods To investigate this, we conducted 3 studies combining tDCS or rTMS and magnetic resonance imaging (MRI) techniques in healthy individuals and SUD patients. We combined brain stimulation with agnetic resonance spectroscopy (MRS), which allows to measure levels of brain metabolites within a voxel of interest, and functional MRI (fMRI), which allows to measure functional connectivity levels between cerebral structures. Results The first study combined prefrontal tDCS and MRS in healthy subjects. Results show that tDCS elevated brain metabolites n-acetylaspartate (NAA) and glutamine+glutamate (Glx) in the DLPFC and striatum. This suggests that tDCS has fast excitatory effects over the DLPFC and facilitates corticostriatal transmission. The second study replicated the same design as the first one, with tDCS combined with fMRI. Results show that tDCS elevated functional connectivity of the DLPFC with the striatal region, suggesting a fast excitatory effect of the corticostriatal pathways. The final study is a case report in which we administrated rTMS to the prefrontal cortex of a SUD patient. We gathered MRS measurements before and after the rTMS regimen. Clinical results show that rTMS decreased cravings for substances and anxiety symptoms. Neurophysiological results show that rTMS elevated levels of NAA and Glx in the DLPFC, striatum and cingulate cortex. These results suggest that rTMS has an excitatory effect over the DLPFC and its downstream targets, which may explain reduction of symptoms of SUD and anxiety. Conclusion Taken together, these findings suggest that tDCS and rTMS of the DLPFC have excitatory effects on the stimulation target and downstream structures. This suggests that tDCS and rTMS can modulate activity within prefrontal glutamatergic pathways. Such effects may explain reduction of craving in patients of SUD and support the idea that noninvasive brain stimulation has therapeutic potential in this condition.