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

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Les pilotes d'avion sont constamment confrontés à des situations où ils doivent traiter des quantités importantes de données en très peu de temps, ce qui peut conduire à des erreurs. Nous avons créé un système de détection des écarts capable d'auditer le cockpit en temps réel pour détecter les actions qui ont été incorrectement ajoutées, omises ou qui n'ont pas été effectuées dans le bon ordre. Ce modèle évalue les écarts en se basant sur les données hiérarchiques des tâches trouvées dans le modèle de référence ontologique pour les procédures de pilotage, qui contient des procédures de référence basées sur la connaissance et rassemblées par des experts dans le domaine. Les actions des pilotes sont comparées aux séquences de référence de l'ontologie à l'aide de l'algorithme Needleman-Wunsch pour l'alignement global, ainsi que d'un réseau LSTM siamois. Une API pouvant être étendue à plusieurs simulateurs aérospatiaux, ainsi qu'un Runner, ont été créés pour permettre au Deviation Framework de se connecter au simulateur XPlane afin de surveiller le système en temps réel. Des données créées synthétiquement et contenant des mutations de séquences ont été analysées à des fins de test. Les résultats montrent que ce cadre est capable de détecter les erreurs ajoutées, omises et hors séquence. En outre, les capacités des réseaux siamois sont exploitées pour comprendre la relation de certaines anomalies de la chaîne de séquence afin qu'elles puissent être correctement ignorées (comme certaines tâches qui peuvent être exécutées dans le désordre par rapport à la séquence de référence). Les environnements de simulation enregistrant les données à une fréquence de 10 Hz, une valeur de 0.1 seconde constitue notre référence en temps réel. Ces évaluations de déviation peuvent être exécutées plus rapidement que notre contrainte de 0,1 seconde et ont été réalisées en 0,0179 seconde pour une séquence de décollage contenant 23 actions, ce qui est nettement plus performant que les modèles suivants de l'état de l'art. Les résultats de l'évaluation suggèrent que l'approche proposée pourrait être appliquée dans le domaine de l'aviation pour aider à détecter les erreurs avant qu'elles ne causent des dommages. \\En outre, nous avons formé un modèle d'apprentissage automatique pour reconnaître les signaux de pré-erreur dans le cortex cingulaire antérieur (CCA) à l'aide des données de test Flanker de l'ensemble de données COG-BCI, qui peuvent ensuite être utilisées pour détecter les états de pré-erreur chez les pilotes d'avion. Divers modèles d'apprentissage automatique ont été appliqués à l'ensemble de données, notamment des machines à vecteurs de support (SVM), des forêts aléatoires, un double modèle de réseau neuronal convolutif (CNN) et un modèle Transformer. Au-delà des conclusions typiques de l'étude, notre objectif s'étend à l'évaluation de l'applicabilité du modèle dans un domaine secondaire, à savoir l'évaluation du pouvoir discriminant des classificateurs pendant les procédures de décollage pour les pilotes d'avion. Les résultats de l'analyse de l'ensemble de données FLANKER ont révélé la supériorité du modèle transformateur, avec des réductions notables des faux négatifs et un score final macro moyen F1 de 0,610, et un score final macro moyen F1 de 0,578 sur les données pilotes. Comme nous prévoyons une augmentation des performances du classificateur avec davantage de données d'entraînement et des bandes d'interrogation étendues, cette étude jette les bases d'une recherche plus poussée sur la prédiction des états erronés et les modèles d'optimisation de l'apprentissage automatique pour les ICB et les applications du monde réel. / Aircraft pilots are constantly undergoing situations where they must process significant amounts of data in very small periods of time, which may lead to mistakes. We have created a deviation detection system that is capable of auditing the cockpit in real time to detect actions that have been incorrectly added, omitted, or done out of sequence. This model assesses deviations based on hierarchical task data found in the Ontological Reference Model for Piloting Procedures, which contains knowledge-based reference procedures assembled by experts in the domain. Pilot actions are compared to ontology reference sequences using the Needleman-Wunsch algorithm for global alignment, as well as a Siamese LSTM network. An API that can be expanded to several Aerospace Simulators, as well as a Runner, was created to enable the Deviation Framework to connect to the XPlane simulator for real-time system monitoring. Synthetically created data containing sequence mutations were analyzed for testing. The results show that this framework is capable of detecting added, omitted, and out of sequence errors. Furthermore, the capabilities of Siamese networks are leveraged to understand the relation of certain sequence chain anomalies so that they can correctly be ignored (such as certain tasks that can be performed out of order from the reference sequence). With simulation environments recording data at a frequency of 10Hz, a value of 0.1 seconds is our real-time benchmark. These deviation assessments are capable of being run faster than our 0.1 second requirement and have been clocked at 0.0179 seconds for one Takeoff sequence containing 23 actions - significantly outperforming the next state of the art models. The evaluation results suggest that the proposed approach could be applied in aviation settings to help catch errors before harm is done. \\Moreover, we have trained a machine learning model to recognize pre-error signals in the anterior cingulate cortex (ACC) using Flanker test data from the COG-BCI dataset, which can be subsequently employed to detect pre-error states in aviation pilots. Various machine learning models were applied to the dataset, including Support Vector Machines (SVM), Random Forests, double Convolutional Neural Network (CNN) model, and a Transformer model. Moving beyond typical study conclusions, our objective extends to assessing model applicability in a secondary domain —evaluating the classifiers' discriminative power during takeoff procedures for aviation pilots. Results from the analysis of the FLANKER dataset revealed the superiority of the transformer model, with notable reductions in false negatives and a final macro averaged F1 score of 0.610, and a final macro averaged F1 of 0.578 on the Pilot data. As we anticipate increases in classifier performance with more training data and extended polling bands, this study lays the groundwork for further research in erroneous state prediction and machine learning optimization models for BCI and real-world applications.

Bildgebende Studien haben gezeigt, dass bei schizophrenen Patienten Positivsymptome mit Veränderungen mesolimbischer Aktivierungsmuster unter Einbeziehung des Nucleus accumbens in Zusammenhang stehen. Hierbei ist von besonderem Interesse, dass der Nucleus accumbens Teil des Belohnungssystems ist, wobei die integrale „Bewertung“ belohnungsanzeigender Reize präfrontalen kortikalen Strukturen, insbesondere dem anterioren Zingulum, zuzurechnen ist. Bereits in der Antizipationsphase potentiell belohnender Reize, werden vermutlich zur Berechnung von Prädiktionsabweichungen dopaminerge Signale in der VTA generiert und modulieren den Nucleus accumbens. Es gibt zahlreiche Hinweise, dass glutamaterge Neurone des anterioren Zingulums die Dopaminausschüttung im Nucleus accumbens beeinflussen, und dass diese Modulation bei Erkrankungen wie der Schizophrenie beeinträchtigt ist. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mittels funktioneller Magnetresonanztomographie und Protonen Magnetresonanzspektroskopie, Hinweise über den Zusammenhang zwischen der glutamatergen Neurotransmission des ACC und belohnungsassoziierter Dopaminausschüttung im Nucleus accumbens bei 23 gesunden Probanden und bei 23 unmedizierten schizophrenen Patienten zu erlangen. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die gegenseitige Modulation von anteriorem Zingulum und Nucleus accumbens bei schizophrenen Patienten gestört ist. Dieses und weitere Ergebnisse wurden im theoretischen Rahmen der NMDA-Rezeptor-Hypoaktivität und einer gestörten Balance zwischen Dopamin-D1- und Dopamin-D2-Rezeptor-Aktivität als pathophysiologische Korrelate schizophrener Erkrankungen diskutiert. / Imaging studies have demonstrated that for schizophrenic patients a correlation exists between positive symptoms and changes in the patterns of mesolimbic activity. Especially the changes in the ncl. accumbens (Nac) were interpreted in connection with the reward system. The signals indicating reward are thought to be processed by the anterior cingulum (ACC). These structures attribute meaning to the reward signals. In the anticipation phase of a potentially rewarding stimulus, dopaminergic signals from the VTA are generated in prediction of expected or aberrant outcome, thus modulating the Nac. Data indicate a direct modulation of the Nac. by glutamatergic neurons of the anterior cingulum. A major aim of this thesis is to establish a connection between the reward associated dopaminergic signals of the ncl. accumbens and the glutamatergic projections of the acc in unmedicated schizophrenic patients and healthy controls. The methods included measurements of proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) and functional MRI-scans done at a 3-Tesla tomograph. The paradigm applied was a modified version of the monetary incentive delay paradigm (Knutson et al. 2000). In healthy volunteers we found a significant negative correlation between the glutamate concentration in the ACC and the BOLD-contrast in the Nac (reward versus neutral), in contrast to the findings in schizophrenic patients. A significant higher BOLD-contrast was seen in the anticipation phase in healthy controls. The results were incorporated in a model of NMDA-R-Hypoaktivity. In addition to discussing the functional aspects for the structures involved the model was further expanded to include the hypothesis of a disturbed balance between dopamine-D1- and -D2-receptor activity and a dysfunctional hippocampal gating-process. The so constructed model suggests a profound striato-thalamo-cortical filter disturbance as the basis of the observed aberrations in the reward processing in schizophrenic disorders.

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Abstract Neuropsychiatric illnesses usually become overtly manifest in adolescence and early adulthood. A critical long-term aim is to be able to prevent the development of such illnesses, which requires instruments to identify subjects at high risk of illness and to offer them effective interventions. There is an indisputable need for more sophisticated methods to enable more precise detection of adolescents and young adults who are at high risk of developing psychosis. Abnormal function in brain networks has been reported in people with schizophrenia and other psychotic disorders. Similar abnormalities have been found also in people at risk for developing psychosis, but it is not known whether this applies also to spontaneous resting state activity in young people with a familial risk for psychosis. We conducted resting-state functional MRI (R-fMRI) in 72 (29 male) young adults with a history of psychosis in one or both parents (FR) but without psychosis themselves, and 72 (29 male) similarly healthy control subjects without familial risk for psychosis. Both groups in the Oulu Brain and Mind study were drawn from the Northern Finland Birth Cohort 1986. All volunteers were 20–25 years old. Parental psychosis was established using the Care Register for Health Care. R-fMRI data was pre-processed using independent component analysis (ICA). A dual regression technique was used to detect between-group differences with p < 0.05 threshold corrected for multiple comparisons at voxel level. FR subjects demonstrated significantly decreased activity compared to control subjects in the default mode network and in the central executive network and increased activity in the cerebellum. The findings clarify previously controversial literature on the subject. The finding suggests that abnormal activity in these brain networks in rest may be associated with increased vulnerability to psychosis. The findings maybe helpful in developing more precise methods for detecting young people at highest risk for developing psychosis. / Tiivistelmä Psykoottisiin häiriöihin sairastutaan yleensä nuoruudessa tai varhaisaikuisuudessa. Psykoositutkimuksen tavoitteena on löytää uusia menetelmiä, joiden avulla kyettäisiin tunnistamaan suurimmassa psykoosiriskissä olevat nuoret, jotta heille voitaisiin tarjota sairautta ennaltaehkäiseviä hoitokeinoja. Skitsofreniaan ja muihin psykoottisiin häiriöihin sairastuneilla on havaittu aivotoiminnan poikkeavuuksia. Samankaltaisia aivotoiminnan poikkeavuuksia on havaittu myös nuorilla, jotka ovat vaarassa sairastua psykoosiin. Toistaiseksi on ollut epäselvää, onko psykoosiin sairastuneiden henkilöiden lapsilla aivohermoverkkojen toiminnan poikkeavuuksia lepotilassa. Suoritimme aivojen lepotilan MRI-tutkimuksen (R-fMRI) 72:lle (29 miestä) nuorelle aikuiselle, joiden jompikumpi vanhempi oli sairastunut psykoosin sekä 72:lle (29 miestä) nuorelle aikuiselle, joiden vanhemmat eivät olleet sairastaneet psykoosia. Molemmat tutkimusryhmät tässä Oulu Brain and Mind -tutkimuksessa olivat Pohjois-Suomen 1986 syntymäkohortin jäseniä. Tutkittavat olivat 20–25 vuoden iässä. Lepotilan toiminnallinen magneettikuvaus suoritettiin 1.5 Teslan Siemensin magneettikuvantamislaitteella. Tutkimuskohteiksi valittiin lepotilan toiminnallinen aivohermoverkko, toiminnan ohjauksesta vastaava aivohermoverkko ja pikkuaivot. Kuvantamisdataan sovellettiin itsenäisten komponenttien analyysia aivohermoverkkojen määrittämistä varten. Ryhmien välisen eron havaitsemiseen käytettiin ei-parametristä permutaatiotestiä, joka kynnystettiin tilastollisesti merkitsevään tasoon (p < 0.05). Lepotilan oletushermoverkossa ja toiminnanohjauksesta vastaavassa aivohermoverkoissa havaittiin vähäisempää aktiivisuutta ja pikkuaivoissa kohonnutta aktiivisuutta perinnöllisessä psykoosiriskissä olevilla nuorilla aikuisilla verrattuna verrokkeihin. Tutkimustulokset selkeyttivät aiempaa ristiriitaista kirjallisuutta tutkimusaiheesta. Tutkimuksessa havaittujen aivoalueiden poikkeava toiminta lepotilassa voi liittyä kohonneeseen psykoosin puhkeamisriskiin. Tutkimuslöydösten avulla voidaan todennäköisesti edesauttaa parempien kuvantamismenetelmien kehittämistä suurimmassa psykoosiriskissä olevien nuorten tunnistamiseen.

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