Bien que le passage du temps altère le cerveau, la cognition ne suit pas nécessairement le même destin. En effet, il existe des mécanismes compensatoires qui permettent de préserver la cognition (réserve cognitive) malgré le vieillissement. Les personnes âgées peuvent utiliser de nouveaux circuits neuronaux (compensation neuronale) ou des circuits existants moins susceptibles aux effets du vieillissement (réserve neuronale) pour maintenir un haut niveau de performance cognitive. Toutefois, la façon dont ces mécanismes affectent l’activité corticale et striatale lors de tâches impliquant des changements de règles (set-shifting) et durant le traitement sémantique et phonologique n’a pas été extensivement explorée. Le but de cette thèse est d’explorer comment le vieillissement affecte les patrons d’activité cérébrale dans les processus exécutifs d’une part et dans l’utilisation de règles lexicales d’autre part. Pour cela nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) lors de la performance d’une tâche lexicale analogue à celle du Wisconsin. Cette tâche a été fortement liée à de l’activité fronto-stritale lors des changements de règles, ainsi qu’à la mobilisation de régions associées au traitement sémantique et phonologique lors de décisions sémantiques et phonologiques, respectivement. Par conséquent, nous avons comparé l’activité cérébrale de jeunes individus (18 à 35 ans) à celle d’individus âgés (55 à 75 ans) lors de l’exécution de cette tâche. Les deux groupes ont montré l’implication de boucles fronto-striatales associées à la planification et à l’exécution de changements de règle. Toutefois, alors que les jeunes semblaient activer une « boucle cognitive » (cortex préfrontal ventrolatéral, noyau caudé et thalamus) lorsqu’ils se voyaient indiquer qu’un changement de règle était requis, et une « boucle motrice » (cortex postérieur préfrontal et putamen) lorsqu’ils devaient effectuer le changement, les participants âgés montraient une activation des deux boucles lors de l’exécution des changements de règle seulement. Les jeunes adultes tendaient à présenter une augmentation de l’activité du cortex préfrontal ventrolatéral, du gyrus fusiforme, du lobe ventral temporale et du noyau caudé lors des décisions sémantiques, ainsi que de l’activité au niveau de l’aire de Broca postérieur, de la junction temporopariétale et du cortex moteur lors de décisions phonologiques. Les participants âgés ont montré de l’activité au niveau du cortex préfrontal latéral et moteur durant les deux types de décisions lexicales. De plus, lorsque les décisions sémantiques et phonologiques ont été comparées entre elles, les jeunes ont montré des différences significatives au niveau de plusieurs régions cérébrales, mais pas les âgés. En conclusion, notre première étude a montré, lors du set-shifting, un délai de l’activité cérébrale chez les personnes âgées. Cela nous a permis de conceptualiser l’Hypothèse Temporelle de Compensation (troisième manuscrit) qui consiste en l’existence d’un mécanisme compensatoire caractérisé par un délai d’activité cérébrale lié au vieillissement permettant de préserver la cognition au détriment de la vitesse d’exécution. En ce qui concerne les processus langagiers (deuxième étude), les circuits sémantiques et phonologiques semblent se fusionner dans un seul circuit chez les individus âgés, cela représente vraisemblablement des mécanismes de réserve et de compensation neuronales qui permettent de préserver les habilités langagières. / As the one’s brain is structurally altered by the passage of time, cognition does not have to suffer the same faith, at least not to the same extent. Indeed, age-related compensatory mechanisms allow for some cognitive preservation. The elderly can therefore use new compensatory neuronal networks (neural compensation) or flexible pathways that are less susceptible to disruption (neural reserve) in order to maintain high levels of performance (cognitive reserve) during cognitive tasks. However, how these mechanisms affect cortical and striatal activity during set-shifting as well as during semantic and phonological processing has not been extensively explored. The purpose of this thesis was therefore to investigate how aging affects patterns of neural activity related to executive processes on the one hand and the use of lexical rules on the other. To this end we used functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) during the performance of a lexical analogue of the Wisconsin Card-Sorting Test. This task has been shown to strongly depend on fronto-striatal activity during set-shifting as well as on regions associated with semantic and phonological processing during semantic and phonological decisions, respectively. Two groups participated in our fMRI protocol: young individuals (18 to 35 years old) and older individuals (55 to 75 years old). Both younger and older individuals revealed significant fronto-striatal loop activity associated with planning and execution of set-shifts. However, while the younger group showed the involvement of a “cognitive loop” (including the ventrolateral prefrontal cortex, the caudate nucleus and the thalamus) when instructed that a set-shift would be required on following trial, and the involvement of a “motor loop” (including the posterior prefrontal cortex and the putamen) when the set-shift had to be performed, the older participants showed significant activation of both loops during the execution of the set-shift (matching periods) only. Young adults tended to present increased activity in the ventrolateral prefrontal cortex, the dorsolateral prefrontal cortex, the fusiform gyrus, the ventral temporal lobe and the caudate nucleus during semantic decisions and in the posterior Broca’s area, the temporoparietal junction and the motor cortical regions during phonological decisions, older individuals showed increased activity in the lateral prefrontal cortex and motor cortical regions during both semantic and phonological decisions. Furthermore, when semantic and phonological decisions were contrasted with each other, younger individuals showed significant brain activity differences in several regions while older individuals did not. In conclusion, our first study showed an age-related delayed cerebral activation phenomenon during set-shifting (previously observed only in few memory and language tasks). Based on those findings, we conceptualised the Temporal Hypothesis of Compensation (third manuscript) which is the existence of a compensatory mechanism characterised by age-related delayed cerebral activation allowing for cognitive performance to be preserved at the expense of speed processing. Regarding language processing (second study), semantic and phonological routes seem to merge into a single pathway in the elderly; these findings represent most probably neural reserve/compensation mechanisms on which the elderly rely to maintain an adequate level of performance.

Bei altersbedingt abnehmender kognitiver Funktion stellt das steigende Renteneintrittsalter Arbeitgeber und -nehmer vor wachsende Herausforderungen. Der Aufbau der kognitiven Reserve (CR) durch geistig stimulierende Aktivitäten verspricht eine Resilienz gegenüber neuropathologisch bedingten kognitiven Defiziten. In der vorliegenden Arbeit wird die Rolle der CR in Bezug auf die kognitive Leistungsfähigkeit und die neuronale Informationsverarbeitung gesunder Erwachsener im Berufsalter untersucht. Unter Ableitung des Elektroenzephalogramms bearbeiteten Probanden mittleren und hohen Erwerbsalters (34-45 J. und 46-62 J.) im 2-Jahres-Abstand Aufgaben zu drei Domänen exekutiver Funktionen: Arbeitsgedächtnis (AG), kognitive Flexibilität und Inhibitionskontrolle. Hoch-CR-Probanden wiesen aufgabenübergreifend schnellere Reaktionen und geringere Fehlerraten auf. Reduzierte Leistung ließ sich in der Gering-CR-Gruppe tendenziell bei älteren Probanden und in anspruchsvollen Aufgabenbedingungen beobachten. Nach 2 Jahren zeigten Gering-CR-Ältere eine numerisch abnehmende AG-Kapazität, während Hoch-CR-Ältere ihre hohe Leistung steigern konnten. Die P3-Amplitude variierte in Abhängigkeit von der CR und dem Alter. Hoch-CR-Jüngere wiesen im Vergleich zu Gering-CR-Jüngeren höhere P3-Amplituden auf, während Hoch-CR-Ältere im Gegensatz zu Gering-CR-Älteren kleinere P3-Amplituden generierten. Zudem legten kürzere P3-Latenzen in der Hoch-CR-Gruppe eine schnellere neuronale Verarbeitungsgeschwindigkeit nahe. In der Aufgabe zur kognitiven Flexibilität ließ sich bei Gering-CR-Probanden ein Anterior-Shift der P3 beobachten. Die Untersuchungsergebnisse konnten nach 2 Jahren repliziert werden. Alterungsrelevante Leistungsvariablen und neuronale Informationsverarbeitungsprozesse zeigten sich bereits im Berufsalter sensitiv gegenüber der CR. Das mittlere Erwachsenenalter sollte bei der Erarbeitung und Evaluation CR-basierter Maßnahmen zur Prävention kognitiver Defizite stärker berücksichtigt werden. / The increasing retirement date accompanied by an age-associated decline of cognitive functions poses growing challenges to employers and employees. The cognitive reserve (CR) promises a resilience to brain damage-associated cognitive deficits through intellectually stimulating lifestyle activities. The present study examines the role of CR relating to cognitive performance and neuronal information processing of healthy adults in working age. Using an electroencephalogram, subjects of middle and high working age (34-45 years and 46-62 years of age, respectively) completed tasks on three domains of executive functions: working memory, cognitive flexibility and inhibition control. Follow-up assessments were conducted after two years. High-CR subjects performed better across tasks than Low-CR subjects, with faster reaction times and lower error rates. Reduced performance in the Low-CR group tended to be more common among older participants and during the more challenging task conditions. In addition, after two years, Low-CR older workers showed a decreased working memory capacity while older High-CR individuals improved their higher performance. The P3 amplitude of the event-related brain potential varied systematically as a function of CR and age. High-CR younger individuals revealed higher P3 amplitudes compared to Low-CR younger individuals, while High-CR older individuals generated smaller P3 amplitudes than Low-CR older individuals. The shorter P3 peak-latencies of the High-CR group suggested moreover a difference in neural processing speed. When testing cognitive flexibility an anterior shift of the P3 was observed in older Low-CR subjects. The results were almost completely replicated after two years. Age-related performance variables and neuronal information processes revealed to be sensitive to CR already at working age. These findings recommend more research on early adulthood in the development and evaluation of CR-based programs to prevent cognitive deficits.

Le vieillissement normal est souvent associé à des changements cognitifs négatifs, notamment sur les performances cognitives. Cependant, des changements comportementaux et cérébraux positifs ont aussi été observés. Ces modifications indiquent l’existence d’une plasticité cérébrale dans le vieillissement normal. Ainsi, plusieurs facteurs ont été étudiés afin de mieux connaitre les modulateurs de cette plasticité dite positive. La plupart des études évaluant ce phénomène ont utilisé la technique d’imagerie par résonance magnétique alors que la technique des potentiels évoqués a été beaucoup moins utilisée. Cette technique est basée sur les enregistrements de l’activité électrique cérébrale très sensible aux changements anatomiques associés au vieillissement et permet donc d’observer de manière précise les variations du décours temporel des ondes éléctrophysiologiques lors du traitement des informations. Les travaux de cette thèse visent à étudier les modifications de plasticité cérébrale induites par des facteurs protecteurs/préventifs du vieillissement normal et notamment lors de la réalisation de tâches impliquant le contrôle attentionnel, grâce à l’analyse de signaux électroencéphalographiques en potentiels évoqués. Dans un premier temps, une description de l’analyse des données EEG en potentiels évoqués sera fournie, suivie d’une revue de littérature sur le contrôle attentionnel et les facteurs de plasticité dans le vieillissement normal (Chapitre 1). Cette revue de littérature mettra en avant, d’une part la diminution des capacités de contrôle de l’attention dans le vieillissement et d’autre part, les facteurs protecteurs du vieillissement ainsi que la plasticité cérébrale qui leur est associée. Ces facteurs sont connus pour avoir un effet positif sur le déficit lié à l’âge. La première étude de ce projet (Chapitre 2) vise à définir l’effet d’un facteur de réserve cognitive, le niveau d’éducation, sur les composantes des potentiels évoqués chez les personnes âgées. Cette étude mettra en avant une composante des potentiels évoqués, la P200, comme indice de plasticité lorsqu’elle est liée au niveau d’éducation. Cet effet sera observé sur deux tâches expérimentales faisant intervenir des processus de contrôle attentionnel. De plus, une différence d’épaisseur corticale sera observée : les personnes âgées ayant un plus haut niveau d’éducation ont un cortex cingulaire antérieur plus épais. La deuxième étude (Chapitre 3) cherche à déterminer, chez les personnes âgées, les modifications comportementales et en potentiels évoqués induites par trois entraînements cognitifs, entrainements visant l’amélioration de processus attentionnels différents : l’attention focalisée, l’attention divisée, ainsi que la modulation de l’attention. Au niveau comportemental, les entraînements induisent tous une amélioration des performances. Cependant, l’entraînement en modulation de l’attention est le seul à induire une amélioration du contrôle attentionnel. Les résultats éléctrophysiologiques indiquent la N200 comme composante sensible à la plasticité cérébrale à la suite d’entraînements cognitifs. L’entraînement en modulation de l’attention est le seul à induire une modification de cette composante dans toutes les conditions des tests. Les résultats de ces études suggèrent que les facteurs protecteurs du vieillissement permettent des changements positifs observés en potentiels évoqués. En effet, nous mettons en évidence des phénomènes de plasticité cérébrale des personnes âgées qui diffèrent selon leurs origines. L’impact de ces résultats ainsi que les limites et perspectives futures seront présentés en fin de thèse (Chapitre 4). / Normal aging usually has a negative connotation for cognitive functioning. However, positive changes have been reported in the literature concerning the elderly. Indeed positive plasticity associated with protective factors has been found to have an impact on cognition. This plasticity was observed using magnetic resonance imaging which gives precise information concerning the localization of cerebral activations, but event-related potentials have not been used to evaluate this plasticity. Certain factors have been found to induce positive changes in the elderly; cognitive reserve factors, such as education, have been found to protect against deleterious effects of aging. Additionally, training programs aiming to improve various cognitive processes, such as attentional control, have been described to increase performance in the elderly and to induce changes in cerebral activity. The following thesis describes two studies that use event-related potentials (ERP) in which we evaluate the impact of education and attentional control training on cerebral plasticity in normal aging. Based on a literature review, Chapter 1 will describe ERP techniques, attentional control in aging as well as the different protective factors in aging and their impact on plasticity. This literature review will also highlight the lack of studies using the ERP technique. To address this dearth, chapter 2 will present a study that uses ERP to evaluate the effect of educational level on cerebral plasticity in aging populations. This reserve factor was studied using two tasks involving attentional control while recording ERPs to define the plasticity associated with it. Results indicate that the P200 component of event-related potentials serves as an index of plasticity, when this plasticity is related to the level of education. Additionally, cortical thickness analyses show a thicker anterior cingulate cortex with higher education. Chapter 3 examines the impact of three attentional training formats: focused attention, divided attention and attentional modulation formats. These formats have been reported to improve performance in the elderly in different attentional processes. Before and after being assigned to one of the training formats, participants underwent an EEG recording while performing an attentional control task. Behaviorally, all groups improved, but only attentional modulation training induces changes in attentional control. Event-related potentials reveal the N200, as an index of plasticity associated with cognitive training. Changes in the N200 component after training were shown in all testing conditions only for the group having received attentional modulation training. Results confirm that positive plasticity exists in aging and that some ERP components can serve as indexes of plasticity. However, this index differs depending upon factors responsible for the plasticity. Chapter 4 discusses the impact and limitations of the findings, as well as future areas of research.

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Durant l'envelliment es dónen canvis estructurals i funcionals al cervell, especialment a l'escorça prefrontal, un dels substractes anatòmics responsables del control atencional. Aquest es va mesurar emprant tècniques neuropsicològioques i neurofuncionals durant l'execució de tasques de canvi amb senyals implícites (tipus WCST). 80 subjectes majors sans es varen dividir segons la seva edat i el seu nivell de control cognitiu. El baix control cognitiu (però no l'edat) s'associà a un augment dels costos residuals de resposta, en paral.lel amb una major amplitud del component P2 davant els senyals. L'edad avançada, en conjunt amb un baix nivell de control s'associà a un increment dels costos locals de resposta durant el canvi de tasca, paral.lelament amb l'augment de les ones lentes durant la fase de senyalització. Mantenir dues tasques en memòria es més difícil per als subectes amb baix control, reflexat per una reducció en l'amplitud de les ones lentes fronto-parietals

De nombreux changements cérébraux s’opèrent au cours du vieillissement normal, et ce, tant au niveau structurel que fonctionnel. Ces changements résultent le plus souvent en une certaine détérioration du fonctionnement cognitif et se répercutent ainsi sur la qualité de vie des personnes âgées. Il appert toutefois que certaines personnes se voient relativement épargnées et parviennent à maintenir un niveau de fonctionnement cognitif comparativement élevé en dépit de l’avancement en âge. En présence d’une accélération du vieillissement populationnel, il devient donc criant de comprendre les facteurs et les mécanismes neurobiologiques qui contribueraient à cette meilleure résilience face aux effets du vieillissement sur le cerveau et la cognition. Bien que plusieurs modèles aient tenté de rendre compte de ce phénomène, la compréhension des mécanismes qui le sous-tendent demeure à ce jour relativement lacunaire. L’objectif principal de cette thèse était ainsi d’exposer les corrélats neurobiologiques associés à une meilleure résilience face aux effets du vieillissement normal sur le cerveau et la cognition, et ce, par l’entremise de mesures d’imagerie par résonance magnétique structurelle (IRM) et fonctionnelle (IRMf). Cette thèse contient quatre articles. L’intention du premier article (Chapitre II) était de faire une synthèse des connaissances quant aux mécanismes impliqués dans la résilience contre les effets délétères du vieillissement normal sur la cognition. Dans cette revue de la littérature, nous nous sommes intéressés à deux des principaux modèles visant à rendre compte de ce phénomène de protection : la réserve cérébrale et la réserve cognitive. L’examen de la littérature empirique amène à la conclusion qu’une meilleure résilience pourrait reposer sur des différences cérébrales à la fois structurelles et fonctionnelles, et donc que les deux modèles proposés pourraient amener une contribution indépendante au phénomène de résilience. Par ailleurs, nous soulevons l’hypothèse que les corrélats de la résilience s’apparentent grandement aux différences cérébrales associées aux entraînements cognitifs. Les trois articles suivants sont des articles empiriques qui s’intéressent à la mémoire de travail, une fonction qui décline avec l’âge, mais qui montre d’importantes différences interindividuelles. L’objectif du second article (Chapitre III) était d’investiguer la relation entre la scolarité, un indicateur de réserve (reserve proxy) bien établi, et le volume régional de la substance grise, ainsi qu’entre la scolarité et les activations cérébrales lors d’une tâche de mémoire de travail chez des participants âgés et cognitivement sains. Les résultats indiquent qu’un nombre d’années de scolarité plus élevé est à la fois associé à une moindre perte de volume liée à l’âge dans les régions frontales et pariétales, ainsi qu’à une plus grande activation liée à l’âge dans certaines régions préfrontales faisant partie du réseau de la mémoire de travail. La troisième étude (Chapitre IV) visait à examiner si les différences cérébrales fonctionnelles associées à la scolarité sont compatibles avec des mécanismes d’efficacité ou de flexibilité neuronale. Elle avait ensuite pour objectif d’examiner l’effet « protecteur » de ces différences fonctionnelles sur le plan de la performance en mémoire de travail. Les résultats suggèrent que les deux mécanismes posés seraient associés à une meilleure préservation de la mémoire de travail face aux effets de l’âge, mais que leur implication respective dépendrait du niveau d’exigence de la tâche. Enfin, l’objectif de la quatrième étude (Chapitre V) était de tester, dans un premier temps, la relation entre l’engagement dans un style de vie stimulant et le maintien de l’intégrité de la substance blanche. Puis, l’étude visait dans un second temps à examiner si une plus grande intégrité de la substance blanche diminuait l’impact de l’âge sur la mémoire de travail. Les résultats de l’étude suggèrent qu’un style de vie plus stimulant serait associé à un moindre volume de lésions de la substance blanche liées à l’âge et que ce moindre volume de lésions de la substance blanche serait en retour associé à de meilleures performances en mémoire de travail. / Many changes to the brain occur in normal aging, both structurally and functionally. These changes most often result in a certain deterioration of cognitive functioning, and thus affect the quality of life of the elderly. It appears, however, that some people are relatively spared and manage to maintain a comparatively high level of cognitive functioning despite advancing in age. In the presence of an acceleration of population aging, there is a striking need to understand the factors and neurobiological mechanisms that may contribute to this better resilience to the effects of aging on the brain and on cognition. Although several models have attempted to account for this phenomenon, the understanding of the mechanisms that underpin it is still relatively incomplete. The main objective of this thesis was to expose the neurobiological correlates associated with a better resilience to the effects of normal aging on the brain and cognition, through structural (MRI) and functional magnetic resonance imaging (fMRI). This thesis contains four articles. The intention of the first article (Chapter II) was to synthesize knowledge about the mechanisms involved in the resilience against the degenerative effects of normal aging on cognition. In this literature review, we were interested in the two main models attempting to account for this protective phenomenon: the brain reserve and cognitive reserve. Examining the empirical literature leads to the conclusion that better resilience might be based on both structural and functional brain differences, and therefore that the two proposed models could make an independent contribution to the resilience phenomenon. In addition, we hypothesize that the correlates of resilience are very similar to the brain differences associated with cognitive training. The following three articles are empirical articles which focus on working memory, a function that declines with age but shows significant inter-individual differences. The purpose of the second article (Chapter III) was to investigate the relationship between education, a well-established reserve proxy, and the regional volume of gray matter, as well as between education and brain activation during a working memory task in cognitively healthy elderly participants. Results indicate that higher years of education are associated with lower age-related loss of volume in the frontal and parietal areas, as well as greater age-related activation in some prefrontal regions that are part of the working memory network. The third study (Chapter IV) sought to examine whether functional education-related brain differences are compatible with neuronal efficiency and/or flexibility mechanisms. It further aimed to examine the "protective" effect of these functional differences on working memory performance. The results suggest that the two proposed mechanisms would be associated with a better preservation of working memory in the face of the effects of age, but that their respective involvement would depend on the level of the task requirement. Finally, the objective of the fourth study (Chapter V) was to first test the relationship between engagement in a stimulating lifestyle and white matter integrity maintaining. Then, the study aimed to examine whether greater white matter integrity decreased the impact of age on working memory. The results of the study suggest that a more stimulating lifestyle would be associated with a lesser age-related white matter lesions volume, and that this smaller white matter lesions volume would in turn be associated with better working memory performance.

La disconnessione frontostriatale è considerata il correlato neurale della disfunzione esecutiva nei pazienti con malattia di Parkinson (MP), una patologia neurodegenerativa che si presenta nella fase iniziale come una sindrome clinica asimmetrica con sintomi predominanti nel lato destro o sinistro associati alla perdita neuronale nella sostanza grigia profonda dell'emisfero cerebrale controlaterale. Nella tesi, è stato indagato un particolare aspetto della disfunzione esecutiva nella MP espressa quando è richiesto di selezionare le parole nel contesto di alternative in competizione, cercando differenze in relazione all'insorgenza clinica dei sintomi motori. A livello neurostrutturale, sono state esplorate le alterazioni della sostanza grigia e bianca nelle sottopopolazioni di MP, verificando se la capacità di selezionare le parole è associata ad indici di integrità della materia sostanza grigia e bianca nelle sottopopolazioni di PD. Infine, a livello neurofunzionale, è stato esplorato se la connettività delle regioni cerebrali associate alla disfunzione esecutiva in MP è modulata dalla riserva cognitiva, un fattore di efficienza cognitiva dovuto ad esperienze di vita cognitivamente stimolanti che possono contribuire alla resilienza nel fronteggiare al meglio la neurodegenerazione. Le evidenze raccolte indicano che la lateralità di insorgenza dei sintomi motori e la riserva cognitiva dovrebbero essere prese in considerazione nella valutazione delle funzioni cognitive nei pazienti con MP. / Frontostriatal disconnection is considered the neural correlate of executive dysfunction in patients with Parkinson’s disease (PD), a neurodegenerative pathology that exhibits at the initial phase as an asymmetric clinical syndrome with right or left sided predominant symptoms associated with neuronal loss in the deep grey matter of the contralateral cerebral hemisphere. In the current thesis, it was investigated a particular aspect of the executive dysfunction in PD expressed when it is required to select words in the context of competing alternatives, looking for differences according to the clinical onset of motor symptoms. At the neurostructural level, grey and white matter alterations were explored in PD subpopulations, testing if the ability to select words is associated with indices of grey and white matter integrity in PD subpopulations. Finally, at the neurofunctional level, it was explored if the connectivity of brain regions associated with the executive dysfunction in PD is modulated by the cognitive reserve, a factor of cognitive efficiency due to lifelong experiences that may contribute to the resilience against neurodegeneration. The evidence collected indicates that laterality of clinical motor symptom onset and cognitive reserve should be taken into account in the assessment of cognitive functions in patients with PD.