La vision est le sens privilégié pour intéragir avec notre environnement. C’est pourquoi le système visuel prend plus d’un tiers du cortex cérébral. Lorsqu’un individu perd sa vision, ce système est dépourvu de sa source première de stimuli. Il subit donc une réorganisation neuronale massive et devient un espace intermodal. Pour ce faire, il recrute des afférences des autres modalités afin que celles-ci prennent en charge les fonctions qui sont normalement soutenues par la vision. Ce phénomène, appelé plasticité cérébrale, est stimulé par la durée de la cécité et par l’entraînement des sens fonctionnels. Ceci fait en sorte que les aveugles développent des supra-capacités dans les modalités fonctionnelles. La substitution sensorielle est un principe qui exploite ce phénomène. Celle-ci permet de substituer un sens déficient par un autre sens. Pour ce faire, des appareils de substitution sensorielle sont développés pour acheminer des informations visuelles via le toucher ou l’audition. Bien que le but de ces appareils est d’offrir une vision fonctionnelle aux aveugles, la problématique principale demeure l’indépendance de navigation des aveugles. Cependant, ces appareils sont très peu appréciés par les aveugles parce qu’ils sont inaccessibles et qu’ils fournissent un signal complexe qui demande un entraînement intense et une charge cognitive trop élevée. Dans ce projet, nous avons évalué le potentiel d’un nouvel appareil de substitution sensorielle qui fournit des informations strictement pertinentes à la navigation spatiale sous la forme de sons spatialisés horizontalement. Pour ce faire, des participants aveugles précoces, aveugles tardifs et des voyants aux yeux bandés ont été testé pour leurs habiletés à détecter et éviter des obstacles à l’aide de l’appareil dans des conditions expérimentales de détection et d’évitement d’obstacles. L’étude a démontré qu’il est possible d’utiliser cet appareil en tant qu’aide à la navigation et que ce système est utilisé plus efficacement par les groupes d’aveugles. / Vision is the preferred sense for interacting with our environment. This is why the visual system takes up more than a third of the cerebral cortex. When an individual loses his vision, this system misses its primary source of stimuli. It therefore undergoes a massive neuronal reorganization and becomes an intermodal space. To do so, it recruits afferents from other modalities so that they take over the functions that are normally mediated by vision. This phenomenon, known as cerebral plasticity, is stimulated by the experience of blindness as well as by the training of the functional senses. This causes the blind to develop supra-abilities in their functional modalities. Sensory substitution is a principle that exploits this phenomenon. It makes it possible to substitute a deficient modality with another modality. To help the blind, sensory substitution devices are being developed to convey visual information via touch or hearing. Although these devices attempt to provide functional vision for the blind, the main issue they try to address is the improvement of the navigational independency of the blind. However, these devices are very little appreciated by the blind since they are inaccessible and provide a complex signal that requires intense training and too high of a cognitive load. Therefore, in this project, we evaluated the potential of a new sensory substitution device that provides information strictly relevant to spatial navigation in the form of horizontally spatialized sounds. To do so, early blind , late blind and sighted blindfolded individuals were tested for their ability to detect and avoid obstacles using the device under experimental conditions. The study showed that it is possible to use this device as a navigation aid and that this system is used more effectively by the blind.

Le traitement auditif dans le cerveau humain et dans les systèmes informatiques consiste en une cascade de transformations représentationnelles qui extraient et réorganisent les informations pertinentes pour permettre l'exécution des tâches. Cette thèse s'intéresse à la nature des représentations acoustiques et aux principes de conception et d'apprentissage qui soutiennent leur développement. Les objectifs scientifiques sont de caractériser et de comparer les représentations auditives dans les réseaux de neurones convolutionnels profonds (CNN) et la voie auditive humaine. Ce travail soulève plusieurs questions méta-scientifiques sur la nature du progrès scientifique, qui sont également considérées. L'introduction passe en revue les connaissances actuelles sur la voie auditive des mammifères et présente les concepts pertinents de l'apprentissage profond. Le premier article soutient que les questions philosophiques les plus pressantes à l'intersection de l'intelligence artificielle et biologique concernent finalement la définition des phénomènes à expliquer et ce qui constitue des explications valables de tels phénomènes. Je surligne les théories pertinentes de l'explication scientifique que j’espére fourniront un échafaudage pour de futures discussions. L'article 2 teste un modèle populaire de cortex auditif basé sur des modulations spectro-temporelles. Nous constatons qu'un modèle linéaire entraîné uniquement sur les réponses BOLD aux ondulations dynamiques simples (contenant seulement une fréquence fondamentale, un taux de modulation temporelle et une échelle spectrale) peut se généraliser pour prédire les réponses aux mélanges de deux ondulations dynamiques. Le troisième article caractérise la spécificité linguistique des couches CNN et explore l'effet de l'entraînement figé et des poids aléatoires. Nous avons observé trois régions distinctes de transférabilité: (1) les deux premières couches étaient entièrement transférables, (2) les couches 2 à 8 étaient également hautement transférables, mais nous avons trouvé évidence de spécificité de la langue, (3) les couches suivantes entièrement connectées étaient plus spécifiques à la langue mais pouvaient être adaptées sur la langue cible. Dans l'article 4, nous utilisons l'analyse de similarité pour constater que la performance supérieure de l'entraînement figé obtenues à l'article 3 peuvent être attribuées aux différences de représentation dans l'avant-dernière couche: la deuxième couche entièrement connectée. Nous analysons également les réseaux aléatoires de l'article 3, dont nous concluons que la forme représentationnelle est doublement contrainte par l'architecture et la forme de l'entrée et de la cible. Pour tester si les CNN acoustiques apprennent une hiérarchie de représentation similaire à celle du système auditif humain, le cinquième article compare l'activité des réseaux «freeze trained» de l'article 3 à l'activité IRMf 7T dans l'ensemble du système auditif humain. Nous ne trouvons aucune évidence d'une hiérarchie de représentation partagée et constatons plutôt que tous nos régions auditifs étaient les plus similaires à la première couche entièrement connectée. Enfin, le chapitre de discussion passe en revue les mérites et les limites d'une approche d'apprentissage profond aux neurosciences dans un cadre de comparaison de modèles. Ensemble, ces travaux contribuent à l'entreprise naissante de modélisation du système auditif avec des réseaux de neurones et constituent un petit pas vers une science unifiée de l'intelligence qui étudie les phénomènes qui se manifestent dans l'intelligence biologique et artificielle. / Auditory processing in the human brain and in contemporary machine hearing systems consists of a cascade of representational transformations that extract and reorganize relevant information to enable task performance. This thesis is concerned with the nature of acoustic representations and the network design and learning principles that support their development. The primary scientific goals are to characterize and compare auditory representations in deep convolutional neural networks (CNNs) and the human auditory pathway. This work prompts several meta-scientific questions about the nature of scientific progress, which are also considered. The introduction reviews what is currently known about the mammalian auditory pathway and introduces the relevant concepts in deep learning.The first article argues that the most pressing philosophical questions at the intersection of artificial and biological intelligence are ultimately concerned with defining the phenomena to be explained and with what constitute valid explanations of such phenomena. I highlight relevant theories of scientific explanation which we hope will provide scaffolding for future discussion. Article 2 tests a popular model of auditory cortex based on frequency-specific spectrotemporal modulations. We find that a linear model trained only on BOLD responses to simple dynamic ripples (containing only one fundamental frequency, temporal modulation rate, and spectral scale) can generalize to predict responses to mixtures of two dynamic ripples. Both the third and fourth article investigate how CNN representations are affected by various aspects of training. The third article characterizes the language specificity of CNN layers and explores the effect of freeze training and random weights. We observed three distinct regions of transferability: (1) the first two layers were entirely transferable between languages, (2) layers 2--8 were also highly transferable but we found some evidence of language specificity, (3) the subsequent fully connected layers were more language specific but could be successfully finetuned to the target language. In Article 4, we use similarity analysis to find that the superior performance of freeze training achieved in Article 3 can be largely attributed to representational differences in the penultimate layer: the second fully connected layer. We also analyze the random networks from Article 3, from which we conclude that representational form is doubly constrained by architecture and the form of the input and target. To test whether acoustic CNNs learn a similar representational hierarchy as that of the human auditory system, the fifth article presents a similarity analysis to compare the activity of the freeze trained networks from Article 3 to 7T fMRI activity throughout the human auditory system. We find no evidence of a shared representational hierarchy and instead find that all of our auditory regions were most similar to the first fully connected layer. Finally, the discussion chapter reviews the merits and limitations of a deep learning approach to neuroscience in a model comparison framework. Together, these works contribute to the nascent enterprise of modeling the auditory system with neural networks and constitute a small step towards a unified science of intelligence that studies the phenomena that are exhibited in both biological and artificial intelligence.

Les relations entre les fonctions cognitives (FCog), les variables d’effort maximal et les facteurs de risques cardiovasculaires ont été peu étudiées chez des sujets obèses. Les objectifs de notre étude étaient: 1) de comparer les FCog chez des sujets obèses ayant une aptitude aérobie plus ou moins grande (HF-OB et LF-OB) aux FCog de sujets sains appariés par l’âge (SSAA) et 2) de trouver des prédicteurs indépendants des FCog parmi les variables d’effort et les facteurs de risques cardiovasculaires mesurés. Quarante-neuf sujets obèses et 14 SSAA ont été recrutés. Les participants ont effectué un test d’effort cardiopulmonaire incrémental maximal (avec mesure d’échanges gazeux et bioimpédance cardiographique) sur ergogycle. Les FCog ont été mesurées à l’aide d’une batterie de tests neuropsychologiques. Les sujets obèses étaient divisés en deux groupes selon que leur V ̇O2pic/masse maigre était au-dessus ou en-dessous de la médiane du V ̇O2pic /masse maigre du groupe (HF-OB ou LF-OB, respectivement). La flexibilité, la vitesse de traitement et la mémoire à court-terme n’étaient pas statistiquement différentes entre les HF-OB et les SSAA et ces deux groupes démontraient de meilleures performances dans ces domaines que les LF-OB. Les SSAA avaient de meilleures performances aux tests d’inhibition que les LF-OB et les HF-OB. En résumé, une plus grande aptitude aérobie chez des sujets obèses était associée à des FCog préservées dans tous les domaines évalués, sauf l’inhibition. / The relationship between cognitive function (CF), peak exercise parameters and cardiovascular risk factors has been poorly studied in obese subjects (OB). The goals of this study were: 1) to compare CF in higher-fitness and lower-fitness OB (HF-OB and LF-OB) vs. age-matched healthy controls (AMHC) according to their aerobic fitness level (V ̇O2peak) and 2) to find independent predictors of CF within the measured cardiovascular risk factors and peak exercise parameters. Forty nine OB and 14 AMHC were recruited. Maximal cardiopulmonary exercise test (with gas exchange analysis and impedance cardiography) was performed during an incremental ergocycle test. As well, CF was measured with a neuropsychological test battery. Obese subjects were divided into 2 groups according to the median V ̇O2peak divided by lean body mass (V ̇O2peak/LBM): the obese lower-fitness (LF-OB, n=22) and the obese higher-fitness (HF-OB, n=27). Cognitive flexibility, processing speed and short-term memory were not statistically different in HF-OB vs. AMHC and those two groups showed better performances in these domains when compared to the LF-OB group. The AMHC group performed better in tests measuring inhibition compared to the LF-OB and HF-OB groups. In summary, higher aerobic fitness in obese subjects was associated with preserved CF in every evaluated domains except for inhibition.

La stimulation transcrânienne par courant alternatif (tACS) est une technique de stimulation non invasive du cerveau qui est d’un intérêt croissant, entre autres pour ses effets sur les ondes cérébrales intrinsèques. Par opposition à la stimulation transcranienne par courant direct (tDCS), la tACS permet l’administration d’un courant sinusoïdal ajusté à la fréquence endogène individuelle d’un individu. Les oscillations cérébrales constituant la bande de fréquence alpha (8-12 Hz) sont parmi les plus étudiées en raison de leurs associations variées avec les fonctions et états cérébraux. Un nombre important d’études ont montré l’efficacité de la tACS de diverses façons pour augmenter la puissance de l’activité EEG dans la bande de fréquence alphal’onde alpha. Cependant, l’hétérogénéité des paramètres de stimulation, particulièrement l’intensité, rend l’implémentation de nouveaux protocoles ardue. En effet, il n’y a actuellement aucun consensus sur les paramètres optimaux de stimulation pour moduler l’activité EEG dans la bande de fréquence alphal’onde alpha. Ce projet a pour but de documenter l’impact différentiel de contrôler les caractéristiques de stimulation tACS, soit l’intensité, la fréquence et le site (antérieur ou postérieur) de stimulation. À cette fin, 20 participants en santé ont pris part à notre étude, chacun soumis à 4 conditions de stimulation tACS, échelonnées sur 2 jours (2 blocs par jour). Pour chaque condition expérimentale, la stimulation tACS a été administrée de façon continue via 2 électrodes pendant 20 minutes. Deux conditions actives de tACS ont été réalisées aux sites PO7-PO8 (Système International EEG 10-10), l’une à Fréquence Alpha Individuelle (IAF) et l’autre à Fréquence Theta Individuelle (ITF), qui ont été prédéterminées par une session EEG, au repos et les yeux ouverts, de 5 minutes a priori. Deux conditions de stimulation ont été effectuées avec les électrodes de stimulation positionnées aux sites F3F4 (Système International EEG 10-20), à IAF ou à intensité SHAM (montée de courant 15 secondes seulement). L’intensité de stimulation a été ajustée en respectant le degré de confort de chaque participant, selon une échelle standardisée de désagréabilité (≤ 40 sur 100), et ne pouvait excéder 6 mA. La seconde séance journalière était exécutée 180 minutes après la première séance de tACS. Afin d’évaluer les niveaux de fatigue, les participants ont eu à réaliser une tâche psychomotrice de vigilance (PVT) durant la tACS. Toutes les conditions ont été contrebalancées. Les résultats suggèrent que la tACS ajustée à IAF a été plus efficace que les conditions ITF et SHAM afin d’augmenter la puissance alpha. Pour les deux sites de stimulation IAF tACS, l’augmentation de puissance spectrale la plus importante a été obtenue en tACS antérieure; par contre cette augmentation est distale et spécifique aux générateurs alpha, en pariéto-occipital. Pour ce qui est du montage tACS postérieur, l’augmentation alpha est observée pour les deux régions cérébrales, frontale et postérieure, tout en démontrant un effet d’augmentation préférentiel sur la puissance alpha, versus les autres bandes de fréquence theta et beta. Cette étude propose une évidence préliminaire que la tACS ajustée à IAF à plus hautes intensités est bien tolérée et démontre que l’optimisation de la technique peut avoir un impact prometteur dans le domaine. / Transcranial alternating current stimulation (tACS) is a non-invasive brain stimulation technique increasingly used for its modulating effect on intrinsic brain oscillations. In comparison to transcranial direct current stimulation (tDCS), tACS allows the administration of a sinusoidal current adjusted to one’s endogenous measured frequency. Oscillations within the alpha band range (8-12 Hz) are among the most studied, given their various associations with brain functions and states. A number of studies have proven to be effective in increasing alpha power using tACS through diverse methods. However, the heterogeneity of stimulation parameters, notably the intensity, makes it difficult to implement new tACS protocol. Indeed, there is currently no consensus on optimal stimulation parameters to modulate the alpha rhythm. The current project aimed to document the differential impact of controlling for key tACS stimulation characteristics, namely the stimulation intensity, the stimulation frequency and the stimulation site (anterior or posterior). To this end, we conducted a study, in which 20 healthy participants underwent four different tACS conditions conducted over two non-consecutive days (2 blocks per day). In each experimental condition, tACS stimulation was continuously delivered via two electrodes for a total duration of 20 minutes. Two active tACS conditions were administered at electrode sites PO7-PO8 (10-10 International System) at either the Individual’s Alpha Frequency (IAF) or at the Individual’s Theta Frequency (ITF), which were a priori determined via a 5-minute pre-stimulation EEG recording with eyes open at rest. Two stimulation conditions were performed with stimulating electrodes positioned over F3-F4 electrode sites, at IAF or sham intensity (ramp-up of 15 seconds). The stimulation intensity was set according to the participant’s own rating of unpleasantness on a standardized unpleasantness scale (≤ 40 out of 100) and could not exceed 6 mA. The second tACS condition was administered 180 minutes after the first tACS condition. To assess for fatigue levels, participants were asked to perform a psychomotor vigilance task (PVT) during tACS. All conditions were counterbalanced. Results suggest that alpha tACS stimulation adjusted to IAF was effective in increasing alpha power. Of the two stimulating sites, anterior alpha tACS stimulation induced greatest increases in alpha power, maximal when set to IAF, although specific to alpha generators’ site. Posterior alpha tACS stimulation showed overall increase both over frontal and posterior brain areas. These effects persisted at the 60-minute recording for the anterior tACS only. The current pilot study provides preliminary evidence that posterior tACS stimulation adjusted to IAF at higher intensities is well tolerated and shows potential as an effective brain stimulation technique to increase posterior alpha power.

La dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) touche actuellement un million de Canadiens, ce qui en fait la principale cause de perte de vision au Canada. La DMLA cause l’apparition d’une tache aveugle au niveau de la macula – la zone centrale de la vision. Cette tache aveugle affecte la vision centrale rendant les perceptions visuelles floues ou déformées. L’impact de cette condition est considérable puisqu’elle rend impossible la conduite, difficile la lecture et entraîne ultimement une cécité totale. La DMLA a également été identifiée comme facteur de risque de la dépression et de l’isolement sociale, ce qui porte d’autant plus atteinte à la qualité de vie des patients. Une des avenues de réadaptation pour les patients est d’améliorer leur utilisation de leur fonction visuelle résiduelle, notamment la vision périphérique. Le but de la présente recherche est d’investiguer le potentiel réadaptatif d’un entraînement imposant l’utilisation de la vision périphérique chez des participants en bonne santé en présence d’une perte de vision centrale simulée. Une compréhension des changements dans les comportements des mouvements oculaires en présence d'un scotome artificiel central aidera à développer des programmes de réadaptation pour les personnes atteint de DMLA et plus largement les personnes présentant une perte visuelle centrale. Les résultats démontrent une adaptation des stratégies visuelles des participants, entraînant une augmentation de la performance, une réduction des temps de réponse et une meilleure discrimination, suggérant ainsi que l’entraînement est susceptible de contribuer à la réadaptation des personnes atteintes de pertes visuelles centrales. / Age Macular Degeneration (AMD) currently affects one million Canadians, making it the leading cause of vision loss in Canada. AMD causes the appearance of a blind spot on the macula – the central area of vision. This blind spot affects the central vision making visual perceptions blurry or distorted. The impact of this condition is considerable since it impedes driving as well as reading and ultimately leads to total blindness. AMD has also been shown to be a risk factor for depression and social isolation, further compromising quality of life for patients. One of the avenues of rehabilitation for patients is to improve their use of their residual visual function, in particular their peripheral vision. The purpose of the present research is to investigate the rehabilitative potential of training requiring the use of peripheral vision in healthy participants in the presence of a simulated central vision loss. An understanding of changes in eye movement patterns in the presence of a central artificial scotoma will help develop rehabilitation protocols for people with AMD and more broadly people with central visual loss. Results demonstrate an adaptation of visual strategies among participants, resulting in increased performance, reduced response times and better discrimination, suggesting that training is likely to contribute to the rehabilitation of people with central vision loss.

Les variations d’efficacité du traitement visuel dans le temps ont été étudiées par échantillonnage temporel aléatoire. Vingt-quatre adultes ont identifié des stimuli composés de bruit blanc visuel et d’images d’objets familiers (expérience 1) ou de visages célèbres (expérience 2). Le ratio signal-bruit variait à travers le temps selon des fonctions d’échantillonnage générées par l’intégration d’ondes sinusoïdales de différentes fréquences (5 à 55 Hz) et de phases et amplitudes aléatoires. Des vecteurs de classification (VC) temporels ont été calculés en soustrayant la somme pondérée des ratios signal-bruit associés aux mauvaises réponses de celle associée aux bonnes réponses. Des images de classification (IC) temps-fréquence ont été obtenues en appliquant la même procédure aux résultats d’analyses temps-fréquence réalisées sur la fonction d’échantillonnage de chaque essai. Les VC temporels des deux expériences sont très variables entre les participants. Par contre, les IC temps-fréquence sont remarquablement similaires à travers les participants (cohérence inter-sujets de .93 et .57 pour l’expérience 1 et 2 respectivement). Des comparaisons par test t nous indiquent de nombreuses différences entre les IC temps-fréquence des objets et visages familiers, mais aussi des objets non familiers et des mots analysés dans des études précédentes. Ainsi, ces IC sont sensibles à la classe de stimuli présentés, mais aussi à la familiarité de ces derniers. Les résultats témoignent d’une variation rapide dans l’efficacité de l’encodage visuel durant les 200 premières millisecondes d’exposition au stimulus et suggèrent que les IC du domaine temps-fréquence reflètent un aspect hautement fondamental du traitement visuel, hypothétiquement rattaché aux oscillations cérébrales. / Variations in visual processing effectiveness through time were investigated using random temporal stimulus sampling. Twenty-four adults named photographs of either familiar objects (experiment 1) or famous faces (experiment 2). Stimuli were made by a linear combination of the target image and high density white visual noise. Signal-to-noise ratio varied throughout the 200 ms stimulus duration. A new temporal sampling function was generated on each trial by the integration of random amplitude and phase sinusoidal waves of frequency between 5 and 55 Hz (in 5 Hz steps). Temporal classification vectors (CV) were calculated by subtracting the weighted sum of the signal-to-noise ratio associated to errors from that associated to correct responses. Time-frequency classification images (CI) were obtained by applying the same procedure on the outcome of time-frequency analyses applied to the sampling functions of each trial. In both experiments, the temporal CVs were highly variable across participants, but the time-frequency CIs were remarkably similar across participants (inter-subject coherence of .93 and .57 for experiments 1 and 2 respectively). T-tests revealed multiple differences between the time-frequency CIs obtained with familiar objects and faces, but also with non-familiar objects and words analyzed in previous studies. Therefore, theses CIs are sensitive to stimulus type, but also to stimulus familiarity. The present results indicate rapid variations of visual encoding effectiveness in the initial 200 ms of stimulus exposure and suggests that the time-frequency CIs tap a highly fundamental aspect of visual processing, hypothetically linked to brain oscillations.

Le vieillissement normal peut être accompagné par un déclin cognitif incluant une diminution du contrôle attentionnel, une fonction exécutive nous permettant de concentrer notre attention tout en inhibant les distractions. De plus, des études antérieures ont démontré que la musique de fond peut améliorer certaines fonctions exécutives, autant chez les jeunes que chez les personnes âgées. Sachant que le vieillissement normal est caractérisé par un déclin du contrôle attentionnel qui n’est pas observé chez leurs cadets, cette étude vise à explorer si l’effet de la musique de fond sur le contrôle attentionnel est le même chez les personnes âgées et les jeunes adultes. Pour ce faire, 19 personnes âgées (62 à 74 ans) ainsi que 21 jeunes adultes (20 à 32 ans) ont effectué la tâche flanker d’Eriksen, qui évalue le contrôle attentionnel, dans trois conditions : en écoutant de la musique de fond stimulante, relaxante et en silence. Comme attendu, les temps de réaction étaient plus lents pour les essais non congruents que pour les essais congruents. Cette différence, appelée l’effet flanker, était significativement plus grande sous la condition de musique relaxante comparativement aux deux autres conditions. De plus, l’effet flanker était le même dans les deux groupes d’âge. Pour conclure, la musique relaxante nuit au contrôle attentionnel des personnes âgées et des jeunes adultes, comparativement à la musique stimulante et au silence. / Normal aging can be accompanied by a cognitive decline including a decrease in attentional control, an executive function allowing us to focus attention while inhibiting distractors. Also, previous studies demonstrated that background music can enhance some executive functions, both in young and older adults. Knowing that normal aging is characterised by a decline in attentional control that is not observed in their younger peers, this study aims to explore if the effect of background music on attentional control is the same in older and young adults. To do so, 19 older adults (62-74) as well as 21 young adults (20-32) performed the Eriksen’s flanker task, evaluating attentional control, under the exposition of three conditions: stimulating and relaxing music and silence. As expected, reaction time (RT) was slower for the incongruent trials and faster for the congruent ones. However, this difference, called the flanker effect, was significantly greater under the relaxing music condition compared to others, due to a combination of much slower RT in incongruent trials and faster RT in congruent ones. The flanker effect was the same in both age groups. In conclusion, relaxing music impairs attentional control of older and young adults compared to stimulating music and silence.

L’adversité précoce présente une variété de conséquences nuisibles d’ordre cognitif, émotionnel, comportemental ou reliées à la santé. Plusieurs formes d’adversité durant l’enfance peuvent perturber le développement et générer du stress. L’adversité précoce est associée à de moindres volumes hippocampiques, ce qui pourrait être expliqué par l’effet neurotoxique de taux élevés de glucocorticoïdes générés par du stress chronique et l’influence d’expériences précoces et aversives. Les stratégies de navigation représentent la méthode selon laquelle un individu navigue dans l’environnement. En explorant un nouvel environnement, on peut choisir d’utiliser une stratégie spatiale dépendant de l’hippocampe basée sur une carte cognitive ou une stratégie réponse dépendant du noyau caudé basée sur une succession de virages. Nous voulions vérifier s’il existe une association entre les stratégies de navigation et l’adversité familiale précoce. Nous avons donc supposé que les individus utilisant une stratégie spatiale durant le Labyrinthe Virtuel 4/8 (une tâche de navigation à double solution) obtiendraient des scores d’adversité familiale précoce plus faibles que ceux employant une stratégie réponse. Nous supposions aussi que les enfants ayant des scores d’adversité familiale plus élevés présenteraient une performance de mémoire réduite comparativement à ceux aux scores plus faibles. Nous avons observé que les enfants avec un score élevé d’adversité familiale avaient une performance de mémoire réduite dans le Labyrinthe Virtuel 4/8 lorsque comparés au groupe à faible score. Cela soutient que la mémoire serait négativement affectée par l’adversité familiale vécue précocement. Cela suggère aussi l’existence potentielle d’une interaction plus complexe entre l’adversité précoce et les systèmes de mémoire. / Experiencing early adversity presents many varied detrimental consequences, whether they be cognitive, emotional, behavioral or health related. Various forms of adverse manifestations can perturb a child’s development and generate stress. Early adversity shows a lot of associations with lesser hippocampal volumes, which could be explained by the neurotoxic effect of elevated glucocorticoid levels due to chronic stress and the influence of adverse experience at an early age. Navigation strategies represent an individual’s method to navigate in an environment. When exploring a new environment, they may choose to use a hippocampus-dependent spatial strategy, which relies on a cognitive map, or a caudate nucleus-dependent response strategy based on a succession of turns. We wanted to verify if there was an association between navigation strategies and early family adversity. We hypothesised that individuals who use a spatial strategy on the 4/8 Virtual Maze (a dual-solution navigation task) would have a lesser cumulative score of early family adversity. It was also supposed that our group with a high risk of family adversity would manifest a reduced memory performance. We found that our group with a high risk of family adversity had shown reduced memory performance in the 4/8 Virtual Maze when compared to the low-risk group. This supported our initial supposition that memory would be affected by family adversity during early childhood. Our findings support the detrimental effect of early family adversity on memory performance. This also suggests the lingering of a more complex interaction between early adversity and the memory systems.

Introduction. L'humour est un processus cognitif complexe qui peut entraîner un état émotionnel positif d’amusement. La réponse émotionnelle déclenchée par l'humour possède plusieurs bénéfices pour la santé. Son utilisation en recherche et lors d’essais cliniques est d’ailleurs de plus en plus fréquente. Malheureusement, l’appréciation de l’humour varie considérablement d’un individu à l’autre, et entraîne des réponses émotionnelles très différentes. Cette variabilité, rarement prise en compte dans les études de recherche, est donc importante à quantifier pour pouvoir évaluer de manière robuste les effets de l’humour sur la santé. Objectifs. Ce projet de maîtrise vise à explorer différentes modalités permettant d’établir une mesure objective de l'appréciation de l'humour via des techniques d'apprentissage automatique et d'apprentissage profond. Les caractéristiques de la vidéo, les expressions faciales et l'activité cérébrale ont été testées comme prédicteur potentiels de l’intensité de l'amusement. Étude 1. Dans notre première étude, les participants (n = 40) ont regardé et évalué des vidéos humoristiques et neutres pendant que leurs expressions faciales étaient enregistrées. Pour chaque vidéo, nous avons calculé le mouvement moyen, la saillance et deux scores sémantiques. L’algorithme d’arbres aléatoire a été entraîné sur les caractéristiques des vidéos et le sourire des participants afin de prédire à quel point le participant a évalué la vidéo comme étant drôle, et ce, à trois moments durant la vidéo (début, milieu et fin). De plus, nous avons utilisé l'expression faciale du participant pour explorer la dynamique temporelle de l'appréciation de l'humour tout au long de la vidéo et ses impacts sur la vidéo suivante. Nos résultats ont montré que les caractéristiques des vidéos permettent de bien classifier les vidéos neutres et les vidéos humoristiques, mais ne permettent pas de différencier les intensités d'humour. À l’inverse, le sourire est un bon prédicteur de l’intensité de l’amusement au sein des vidéos humoristiques (contribution=0.53) et est la seule modalité à fluctuer dans le temps; montrant ainsi que l'appréciation de l'humour est plus grande à la fin de la vidéo et après la vidéo. Étude 2. Notre deuxième étude a utilisé des techniques d'apprentissage profond afin de prédire l’intensité de l’amusement ressenti par les participants (n = 10) lorsqu’ils visionnaient des vidéos humoristiques avec un casque EEG commercial. Nous avons utilisé un algorithme LSTM pour prédire les intensités d'amusement vi (faible, modéré, élevé, très élevé) en fonction d'une seconde d'activité cérébrale. Les résultats ont montré une bonne transférabilité entre les participants et une précision de décodage dépassant 80% d’exactitude. Conclusion. Les caractéristiques de la vidéo, les expressions faciales des participants et l'activité cérébrale ont permis de prédire l'appréciation de l'humour. À partir de ces trois modalités, nous avons trouvé que les réactions physiologiques (expression faciale et activité cérébrale) prédisent mieux les intensités de l’amusement tout en offrant une meilleure précision temporelle de la dynamique d'appréciation de l'humour. Les futures études employant l'humour gagneraient à inclure le niveau d’appréciation, mesuré via le sourire ou l’activité cérébrale, comme variable d’intérêt dans leurs protocoles expérimentaux. / Introduction. Humour is a complex cognitive process that can result in a positive emotional state of amusement. The emotional response triggered by humour has several health benefits and is used in many research and clinical trials as treatments. Humour appreciation varies greatly between participants and can trigger different levels of emotional response. Unfortunately, research rarely considers these individual differences, which could impact the implication of humour in research. These researches would benefit from having an objective method to detect humour appreciation. Objectives. This master's thesis seeks to provide an appropriate solution for an objective measure of humour appreciation by using machine learning and deep learning techniques to predict how individuals react to humorous videos. Video characteristics, facial expressions and brain activity were tested as potential predictors of amusement’s intensity. Study 1. In our first study, participants (n=40) watched and rated humorous and neutral videos while their facial expressions were recorded. For each video, we computed the average movement, saliency and semantics associated with the video. Random Forest Classifier was used to predict how funny the participant rated the video at three moments during the clip (begging, middle, end) based on the video's characteristics and the smiles of the participant. Furthermore, we used the participant's facial expression to explore the temporal dynamics of humour appreciation throughout the video and its impacts on the following video. Our results showed that video characteristics are better to classify between neutral and humorous videos but cannot differentiate humour intensities. On the other hand, smiling was better to determine how funny the humorous videos were rated. The proportion of smiles also had more significant fluctuations in time, showing that humour appreciation is greater at the end of the video and the moment just after. Study 2. Our second study used deep learning techniques to predict how funny participants (n=10) rated humorous videos with a commercial EEG headset. We used an LSTM algorithm to predict the intensities of amusement (low, medium, high, very high) based on one second of brain activity. Results showed good transferability across participants, and decoding accuracy reached over 80%. Conclusion. Video characteristics, participant's facial expressions and brain activity allowed us to predict humour appreciation. From these three, we found that physiological reactions (facial expression and brain activity) better predict funniness intensities while also offering a better temporal precision as to when humour appreciation occurs. Further studies using humour would benefit from adding physiological responses as a variable of interest in their experimental protocol.

Les plaques amyloïdes, composées d’agrégats de protéines bêta-amyloïde, sont l’un des principaux marqueurs physiopathologiques de la maladie d’Alzheimer et peuvent s’accumuler jusqu’à trois décennies avant les premiers signes cliniques. Il n’est pas encore bien établi dans quelle mesure le vieillissement cognitif normal pourrait dépendre de la présence de cette pathologie cérébrale. Par ailleurs, la réserve cognitive reflète le décalage parfois observé entre le niveau de pathologie et les manifestations cliniques de démence. En plus d’être associée à un risque réduit de développer une maladie neurodégénérative, la réserve cognitive rend compte d’une susceptibilité réduite de présenter un déclin cognitif associé au vieillissement normal. Cependant, la littérature demeure mitigée quant à l’effet protecteur de la réserve cognitive face à une charge amyloïde élevée à un stade où la cognition est cliniquement normale. L’objectif général de cette thèse était donc d’acquérir une meilleure compréhension de la relation entre la charge amyloïde, la cognition et la réserve cognitive au sein du vieillissement normal. Cette question de recherche a été étudiée grâce à la participation d’un groupe de 104 personnes âgées (77 femmes, âge moyen de 73 ans). Suivant une procédure de dépistage permettant de recruter uniquement des aînés sans trouble cognitif, une batterie d’épreuves neuropsychologiques a été administrée à partir de laquelle une mesure de mémoire épisodique a été extraite. Puis, l’imagerie par résonance magnétique et la tomographie par émission de positons ont permis d’établir la charge amyloïde de chaque participant. La première étude avait comme objectif de documenter chez cette population, d’une part, l’impact de la charge amyloïde sur l’efficience de la mémoire épisodique, et d’autre part, l’effet de la scolarité sur cette relation. Les résultats de cette étude ont permis d’appuyer l’idée que la performance en mémoire épisodique est associée à la charge amyloïde, relation qui est modérée par la scolarité. Plus précisément, cette association demeure significative jusqu’à 13.5 années d'études, alors qu’au-delà de ce seuil, la pathologie n’a plus d’impact sur les performances en mémoire. Ce résultat est cohérent avec celui démontrant que les performances en mémoire épisodique des participants ayant un diplôme d’études secondaires et collégiales étaient significativement affectées par les dépôts amyloïdes comparativement au groupe d’universitaires. La deuxième étude visait à évaluer l’effet protecteur d’autres proxys de réserve cognitive reconnus comme pouvant compenser les effets de l’âge et d’une pathologie cérébrale, soit la profession, le vocabulaire et les activités cognitivement stimulantes liées au style de vie. L’effet de différents indexes composites de réserve ont aussi été examinés. Lorsque considérés individuellement, seule la profession modère significativement la relation entre la charge amyloïde et la mémoire épisodique. Enfin, la combinaison de la profession et de la scolarité démontre la plus grande taille d'effet relativement à la modération de l’impact du fardeau amyloïde sur la mémoire épisodique. Cette thèse met en évidence l’impact de la charge amyloïde sur l’efficience de la mémoire épisodique dans le vieillissement normal. Néanmoins, les personnes âgées cognitivement normales ayant une réserve cognitive mieux développée seraient protégées contre l’effet délétère qu’entraîne cette pathologie sur la mémoire épisodique. / Amyloid plaques, aggregates of beta-amyloid proteins, are one of the main pathophysiologic markers of Alzheimer's disease and can accumulate up to three decades before the first clinical signs. It is unclear to what extent normal cognitive aging might depend on the presence of this brain pathology. Furthermore, cognitive reserve reflects the discrepancy that can be observed between the level of pathology and the clinical manifestations of dementia. In addition to being associated with a reduced risk of developing a neurodegenerative disease, cognitive reserve accounts for the reduced susceptibility to cognitive decline associated with aging. However, whether cognitive reserve may help withstand the effect of high amyloid load among cognitively normal older adults is still unclear. The general objective of this thesis was therefore to gain a better understanding of the relationship between amyloid load, cognition and cognitive reserve in normal aging. This research question was investigated through a sample of 104 older adults (77 women, mean age 73 years). Following a screening procedure which allowed to recruit only older adults with clinically normal cognition, a battery of neuropsychological tests was administered from which a measure of episodic memory was extracted. Participants underwent magnetic resonance imaging and positron emission tomography in order to quantify beta-amyloid load in each participant. The first study aimed to better characterize in this population, on the one hand, the impact of amyloid deposition on the efficiency of episodic memory, and on the other hand, the effect of education against this pathology. Performance in episodic memory was significantly associated with amyloid load, and this relationship was moderated by education. More precisely, the association remained significant up to 13.5 years of education, whereas beyond this threshold, amyloid load no longer had an impact on episodic memory performances. This result is consistent with the fact that the episodic memory performance of participants with a high school and college diploma were significantly affected by amyloid deposits compared to participants with a university degree. The second study aimed to investigate the protective effect of cognitive reserve against amyloid burden by means of other well-documented proxies of cognitive reserve that help better cope with age or pathology, such as occupation, vocabulary and cognitively stimulating lifestyle activities. The effect of different composite indexes of cognitive reserve was also examined. Taken individually, only occupation significantly moderated the relationship between amyloid load and episodic memory. In addition, when combined with education, this composite index of cognitive reserve demonstrated the largest effect size relatively to the moderation of the impact of amyloid burden on episodic memory. This thesis highlights the impact of amyloid load on episodic memory efficiency in normal aging. Furthermore, cognitively normal older adults with higher cognitive reserve appear to be protected against the deleterious effect of amyloid load on episodic memory.