La symptomatologie non motrice de la maladie de Parkinson s’accompagne fréquemment d’un défaut de contrôle cognitif. Le contrôle cognitif faisant référence à un ensemble de processus facilitant le traitement de l’information et la production de comportements adaptés, son altération impactera de très nombreuses capacités cognitives. Parmi ces capacités, nous nous intéresserons plus spécifiquement, d’une part, à la production orale de mots évaluée à travers les tests de fluences verbales et, d’autre part, aux processus favorisant la production d’actions intentionnelles en situation motivée comme évaluée par la Simon Task motivée. Par notre première étude nous remettrons en question l’hypothèse d’un défaut de contrôle cognitif comme origine principale de la réduction des performances aux tests de fluences verbales à la suite de la stimulation cérébrale profonde du noyau subthalamique. En effet, nous n’avons pas mis en évidence de relation entre cette altération et une modification de l’activité métabolique des régions frontales supportant le contrôle cognitif, ou une modification des performances à d’autres tests nécessitant un contrôle cognitif efficient. Les travaux suivant, portant sur le contrôle des actions motivées démontrent, d’une part, que la production d’actions guidées, non pas par des tendances d’actions impulsives, mais par des tendances d’actions en accord avec les intentions, est plus ardue lorsqu’une récompense financière est mise en jeu. D’autre part, le traitement de la maladie de Parkinson, aussi bien par dopathérapie que par stimulation cérébrale profonde du noyau sous-thalamique module le fonctionnement des processus impliqués, suggérant un rôle particulier des noyaux gris centraux. Nous discuterons des processus cognitifs et neuronaux impliqués et proposerons des perspectives de recherche aussi bien neuroscientifiques que cliniques. / The nonmotor symptoms of Parkinson’s disease frequently include a cognitive control deficit. Cognitive control refers to a set of processes that promote information processing and the production of appropriate behaviours, so its impairment can have an impact on a wide range of cognitive abilities. We focused on just two of these abilities: oral word production, as assessed with phonemic and semantic verbal fluency tests; and cognitive action control in an incentive context, as assessed with a rewarded Simon Task. In our first study, we questioned the hypothesis that the reduction in verbal fluency performances observed following surgery for subthalamic nucleus deep-brain stimulation is mainly due to a cognitive control deficit. Results failed to reveal a relationship between this reduction and either modified metabolic activity in the frontal regions subtending cognitive control or modified performances on other tests requiring efficient cognitive control. In our second and third studies, investigating cognitive action control in an incentive context, we showed that the production of intention-driven actions, as opposed to impulsive ones, is more difficult when a monetary reward is at stake. We also demonstrated that treatment for Parkinson’s disease, whether it takes the form of dopaminergic medication or subthalamic stimulation, modulates the functioning of these processes, suggesting that the basal ganglia have a role in them. We discuss the cognitive and neural processes involved and outline future avenues for both neuroscientific and clinical research.

Ce travail de thèse explore l'organisation fonctionnelle du cortex frontal chez l'homme lors de l'apprentissage et l'utilisation de règles conditionnelles associées à des stimuli contextuels et demandant la réalisation d'actions manuelles, vocales et orofaciales. Ma première étude a démontré chez l'homme que 1) le cortex frontal latéral postérieur (pLFC) est organisé selon un gradient dorso-ventral, où le cortex prémoteur dorsal (PMd) et le cortex préfrontal dorsal (BA 44) sont impliqués respectivement dans les associations conditionnelles manuelles et vocal-orofaciales, et 2) que l'aire motrice cingulaire antérieure (RCZa) au sein du cortex cingulaire moyen (MCC), contribue à l'évaluation des feedback auditifs durant l'apprentissage par essai-erreur de ces associations. Ma seconde étude a révélé qu'au sein du MCC, les trois CMAs sont fonctionnellement couplées avec le cortex préfrontal latéral le long du gradient rostro- caudal où les régions les plus rostrales sont impliqués dans un contrôle comportemental de plus haut niveau. Ces résultats apportent de nouveaux éclaircissements aux théories actuelles concernant l'organisation cortico-frontal du contrôle comportemental. En réalisant une revue de la littérature, j'ai montré qu'au sein du réseau pLFD-MCC les aires BA 44 et RCZa font partie d'un réseau cérébral homologue qui pourrait jouer un rôle similaire dans le contrôle cognitif vocal/orofacial chez les primates - le contrôle adaptatif des actions vocales/orofaciales basés sur l'évaluation des feedback auditifs. Cette hypothèse a été validé chez l'homme dans ma première étude. Cette thèse a mis en évidence un important réseau neural aidant à comprendre comment le contrôle du langage a évolué au cours de l'évolution des primates. Pour finir, j'ai présenté des résultats préliminaires qui montre que la correspondance des profils de connectivité en état de repos est une approche prometteuse pour comparer l'organisation fonctionnelle cérébrale inter-espèces / This thesis primarily investigated how the human frontal cortex is organised to learn and use conditional rules linking contextual stimuli with manual, vocal and orofacial actions. My first study demonstrated that in humans: 1) the posterior lateral frontal cortex (pLFC) is organized along a dorso-ventral gradient, where the dorsal premotor cortex and ventral area 44 are involved in manual and vocal-orofacial conditional associations respectively, and 2) the anterior-most cingulate motor area (RCZa) within the mid-cingulate cortex (MCC), contributes to the evaluation of auditory feedback during the trial-and-error learning of the conditional associations. My second study showed that within the MCC, the three CMAs are functionally coupled with the lateral frontal cortex along a rostral-caudal gradient where more rostral regions are implicated in more abstracted levels of behavioral control. These findings provided important contributions to current theories about frontal cortical organization for behavioural control. Lastly, through an extensive review, I revealed that, within the pLFC-MCC network, area 44 and RCZa are part of a homologous brain network that might play a similar role in cognitive vocal/orofacial control across primates. My hypothesized role of this network in the adaptive control of vocal/orofacial actions based on auditory feedback monitoring had been validated, in humans, from my first study. Thus, my thesis had also revealed an important starting point - the area 44-RCZa, for future investigations into the potential neural changes that occurred across primate evolution to support the emergence of human speech abilities

Bien que les individus atteints de schizophrénie présentent un risque élevé de manifester des comportements agressifs par rapport à la population générale, peu d'efforts ont été consacrés à élucider les mécanismes neurocognitifs sous-jacents à cette augmentation. L'objectif de cette thèse était d'étudier les processus susceptibles d'être perturbés dans cette population spécifique de patients, notamment le traitement des émotions, le contrôle cognitif et le traitement de la récompense. À cette fin, nous avons eu recours à l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle basée sur des tâches, à de grands échantillons et à des groupes de contrôle appropriés de patients et de non-patients. Dans le premier échantillon de participants, nous avons évalué les altérations neurofonctionnelles chez des hommes souffrant de schizophrénie et ayant des antécédents de comportements agressifs en utilisant une tâche de traitement des émotions basée sur des images émotionnelles standardisées. Dans la première étude, les hommes violents atteints de schizophrénie ont montré une augmentation de la réponse du cortex cingulaire antérieur (ACC) aux images négatives, contrairement aux sujets sains et schizophrènes non-violents. La deuxième étude a approfondi ces résultats en identifiant une topologie perturbée de connectivité fonctionnelle basée sur la tâche au sein du réseau de la saillance émotionnelle pendant le traitement des émotions negatives. Ceci suggère une intégration inefficace des informations par l'ACC entre les régions frontales et limbiques. Ensemble, ces résultats soulignent l'importance de l'ACC dans la neurobiologie des comportements agressifs dans la schizophrénie. Dans le deuxième échantillon de participants, nous avons évalué le contrôle cognitif et le traitement de la récompense dans l'agression. Dans la troisième étude, nous avons examiné l'interaction entre le traitement des émotions négatives et le contrôle cognitif chez les hommes atteints de schizophrénie et ayant des antécédents de violence en emplyant une tâche Go-NoGo émotionnelle utilisant des stimuli de visages neutres et en colère. Nous avons constaté une activation réduite dans le cortex préfrontal dorsolatéral chez les hommes violents atteints de schizophrénie, en particulier lorsqu'ils inhibaient une réponse en regardant des visages en colère. Ces résultats indiquent une incapacité à recruter une région centrale du réseau de contrôle cognitif dans le contexte de la colère. Dans la quatrième étude, nous avons cherché à investiguer l'altération de la prise de décision liée à la récompense et son association avec l'agressivité dans la schizophrénie en utilisant le Balloon Analogue Risk Task. La tâche n'a pas fait ressortir de différences entre les hommes violents et non violents atteints de schizophrénie. Néanmoins, nous avons observé des activations plus élevées dans le striatum et l'insula en réponse à des événements de récompense, suggérant potentiellement que la surévaluation des stimuli de récompense peut être à la base des capacités de prise de décision altérées des individus atteints de schizophrénie. Cette thèse est la première à identifier des altérations de l'activité cérébrale fonctionnelle et de la connectivité pendant le traitement des émotions négatives chez des hommes agressifs atteints de schizophrénie. C'est également la première à observer des mécanismes neuronaux altérés impliqués dans l'interaction entre le contrôle cognitif et le traitement de la colère chez des hommes violents atteints de schizophrénie. / Despite individuals with schizophrenia being at an elevated risk for aggressive behaviors compared to the general population, limited efforts have been devoted to understanding the neurocognitive mechanisms underlying the increase. The objective of this dissertation was to investigate processes thought to be disrupted in this specific patient population including emotion processing, cognitive control, and reward processing. To this end, we utilized task-based functional magnetic resonance imaging, large samples, and appropriate patient and non-patient control groups. In the first sample of participants, we assessed neurofunctional alterations in men with schizophrenia and a history of aggressive behaviors using an emotional processing task based on standardized affective photographs. In the first study, violent men with schizophrenia displayed increased anterior cingular cortex (ACC) response to negative images as opposed to non-violent healthy individuals and individuals with schizophrenia. The second study expanded on these results by identifying disrupted task-based functional connectivity topology within the emotional-salience network during negative emotion processing suggestive of inefficient information integration by the ACC between frontal and limbic regions. Together, these highlight the importance of the ACC in the neurobiology of aggressive behaviors in schizophrenia. In the second sample of participants, we assessed cognitive control and reward processing in aggression. In the third study, we investigated the interaction between negative emotion processing and inhibitory control among men with schizophrenia and a history of violence by employing an affective Go-NoGo task utilizing angry and neutral face stimuli. We found a reduced activation in the dorsolateral prefrontal cortex in violent men with schizophrenia specifically when inhibiting a response while viewing angry faces. These results are indicative of an inability to recruit a core region of the cognitive control network in the context of anger. In the fourth study, we aimed to investigate impaired reward-related decision-making and its association with aggression in schizophrenia using the Balloon Analogue Risk Task. The task did not elicit differences between violent and non-violent men with schizophrenia. Nevertheless, we observed increased activations in the striatum and insula in response to reward events potentially suggesting that overvaluation of outcome stimuli may underlie the impaired decision-making abilities of individuals with schizophrenia. This dissertation is the first to identify alterations in functional brain activity and connectivity during the processing of negative emotions among aggressive men with schizophrenia. This is also the first to observe impaired neural mechanisms involved in the interaction between cognitive control and anger processing among violent men with schizophrenia.

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L'exclusion sociale est considérée comme l'une des situations les plus douloureuses pour les êtres humains. Les travaux dans ce domaine montrent que même de brefs épisodes d’ostracisme (paradigme du Cyberball) ont des effets importants aux niveaux neurophysiologique, émotionnel et comportemental, l’impact de cet ostracisme au niveau cognitif néanmoins n'a pas reçu beaucoup d'attention. Des résultats récents mettent en évidence une influence négative de l'ostracisme sur les marqueurs électrophysiologiques du contrôle cognitif, il n'y a cependant à ce jour aucune preuve directe d’une réduction de contrôle cognitif sous l’effet d’une exclusion sociale. Dans nos travaux nous avons étudié l'impact de l'ostracisme (Cyberball) sur le contrôle cognitif avec la tâche standard de Simon couplée à des analyses distributionnelles des temps de réaction auprès de populations caractérisées ou non par des expériences chroniques d’ostracisme (i.e., des étudiants ordinaires dans l’Étude 1, des personnes illettrées dans l'Étude 2 et des chômeurs de longue durée dans l'Étude 3). Dans les trois études, de brefs épisodes d'exclusion sociale suffisent à dégrader le niveau de satisfaction exprimé par les participants à l’égard des besoins fondamentaux (appartenance sociale, existence significative, estime de soi, contrôle des événements). Ces effets, cependant, s’avèrent réduits dans les populations chroniquement frappées d'ostracisme, suggérant leur moindre sensibilité à l'exclusion sociale en jeu dans le Cyberball. Plus important encore, cet ostracisme provoque chez les participants non stigmatisés une diminution du contrôle cognitif (Étude 1), mise en évidence dans nos travaux par un effet Simon stable (plutôt que réduit) sur les temps de réaction les plus longs pourtant les plus sensibles à l’expression d’un processus d'inhibition. Cependant, nos résultats ne montrent aucune différence de sensibilité entre les participants chroniquement ostracisés et leurs groupes contrôle (les Études 2 et 3), suggérant une certaine faiblesse du paradigme Cyberball auprès des personnes en situation d'exclusion sociale dans leur vie quotidienne. Nos résultats remettent donc en question la prédominance de ce paradigme pour la compréhension des effets cognitifs de l’exclusion sociale, au moins chez les individus caractérisés par un ostracisme chronique. / Impact on cognitive control, emotions and fundamental needsRésumé : Social exclusion is considered as one of the most painful situations for human beings. Past research showed that even brief episodes of ostracism (the Cyberball paradigm) have strong effects at the neurophysiological, emotional, and behavioral levels, its impact at the cognitive level however did not receive much attention. Recent findings revealed a negative influence of ostracism on electrophysiological markers of cognitive control, yet there is no direct evidence that being socially excluded reduces cognitive control. Here, we investigated the impact of ostracism (using the Cyberball) on cognitive control using a standard Simon task and distributional reaction time analyses with non-chronically-ostracized and chronically-ostracized populations (regular students in Study 1, illiterate people in Study 2, and long-term unemployed people in Study 3). In the three studies, brief episodes of social exclusion had negative effects on participants’ self-reports of fundamental needs' satisfaction (belonging, meaningful existence, self-esteem, and control). These effects, however, were substantially reduced in chronically-ostracized populations, suggesting that ostracism based on the Cyberball is a bit less meaningful for those populations. More importantly, this ostracism caused a transitory reduction in cognitive control in the non-chronically-ostracized participants (Study 1), as indicated by a stable (rather than decreased) Simon effect on longer reaction times where inhibition yet is more likely. However, we found no evidence of a differential sensitivity between the chronically-ostracized participants and their control groups (Study 2 and Study 3), suggesting that the Cyberball paradigm is not powerful enough with people experiencing social exclusion in their ordinary life. Our findings therefore call into question the predominance of the Cyberball paradigm for our understanding of the cognitive effects of ostracism, at least in chronically ostracized-individuals.

La théorie du processus dual stipule que la cognition humaine fonctionne selon deux modes distincts : l’un pour le traitement rapide, habituel et associatif, appelé communément "système 1" et le second, ayant un traitement plus lent, délibéré et contrôlé, que l’on nomme "système 2". Cette distinction indique une caractéristique sous-jacente importante de la cognition humaine : la possibilité de passer de manière adaptative à différentes stratégies de calcul selon la situation. Cette capacité est étudiée depuis longtemps dans différents domaines et de nombreux bénéfices hypothétiques semblent y être liés. Cependant, les réseaux neuronaux profonds sont souvent construits sans cette capacité à gérer leurs ressources calculatoires de manière optimale. Cette limitation des modèles actuels est d’autant plus préoccupante que de plus en plus de travaux récents semblent montrer une relation linéaire entre la capacité de calcul utilisé et les performances du modèle lors de la phase d’évaluation. Pour résoudre ce problème, ce mémoire propose différentes approches et étudie leurs impacts sur les modèles, tout d’abord, nous étudions un agent d’apprentissage par renforcement profond qui est capable d’allouer plus de calcul aux situations plus difficiles. Notre approche permet à l’agent d’adapter ses ressources computationnelles en fonction des exigences de la situation dans laquelle il se trouve, ce qui permet en plus d’améliorer le temps de calcul, améliore le transfert entre des tâches connexes et la capacité de généralisation. L’idée centrale commune à toutes nos approches est basée sur les théories du coût de l’effort venant de la littérature sur le contrôle cognitif qui stipule qu’en rendant l’utilisation de ressource cognitive couteuse pour l’agent et en lui laissant la possibilité de les allouer lors de ses décisions il va lui-même apprendre à déployer sa capacité de calcul de façon optimale. Ensuite, nous étudions des variations de la méthode sur une tâche référence d’apprentissage profond afin d’analyser précisément le comportement du modèle et quels sont précisément les bénéfices d’adopter une telle approche. Nous créons aussi notre propre tâche "Stroop MNIST" inspiré par le test de Stroop utilisé en psychologie afin de valider certaines hypothèses sur le comportement des réseaux neuronaux employant notre méthode. Nous finissons par mettre en lumière les liens forts qui existent entre apprentissage dual et les méthodes de distillation des connaissances. Notre approche a la particularité d’économiser des ressources computationnelles lors de la phase d’inférence. Enfin, dans la partie finale, nous concluons en mettant en lumière les contributions du mémoire, nous détaillons aussi des travaux futurs, nous approchons le problème avec les modèles basés sur l’énergie, en apprenant un paysage d’énergie lors de l’entrainement, le modèle peut ensuite lors de l’inférence employer une capacité de calcul dépendant de la difficulté de l’exemple auquel il fait face plutôt qu’une simple propagation avant fixe ayant systématiquement le même coût calculatoire. Bien qu’ayant eu des résultats expérimentaux infructueux, nous analysons les promesses que peuvent tenir une telle approche et nous émettons des hypothèses sur les améliorations potentielles à effectuer. Nous espérons, avec nos contributions, ouvrir la voie vers des algorithmes faisant un meilleur usage de leurs ressources computationnelles et devenant par conséquent plus efficace en termes de coût et de performance, ainsi que permettre une compréhension plus intime des liens qui existent entre certaines méthodes en apprentissage machine et la théorie du processus dual. / The dual-process theory states that human cognition operates in two distinct modes: one for rapid, habitual and associative processing, commonly referred to as "system 1", and the second, with slower, deliberate and controlled processing, which we call "system 2". This distinction points to an important underlying feature of human cognition: the ability to switch adaptively to different computational strategies depending on the situation. This ability has long been studied in various fields, and many hypothetical benefits seem to be linked to it. However, deep neural networks are often built without this ability to optimally manage their computational resources. This limitation of current models is all the more worrying as more and more recent work seems to show a linear relationship between the computational capacity used and model performance during the evaluation phase. To solve this problem, this thesis proposes different approaches and studies their impact on models. First, we study a deep reinforcement learning agent that is able to allocate more computation to more difficult situations. Our approach allows the agent to adapt its computational resources according to the demands of the situation in which it finds itself, which in addition to improving computation time, enhances transfer between related tasks and generalization capacity. The central idea common to all our approaches is based on cost-of-effort theories from the cognitive control literature, which stipulate that by making the use of cognitive resources costly for the agent, and allowing it to allocate them when making decisions, it will itself learn to deploy its computational capacity optimally. We then study variations of the method on a reference deep learning task, to analyze precisely how the model behaves and what the benefits of adopting such an approach are. We also create our own task "Stroop MNIST" inspired by the Stroop test used in psychology to validate certain hypotheses about the behavior of neural networks employing our method. We end by highlighting the strong links between dual learning and knowledge distillation methods. Finally, we approach the problem with energy-based models, by learning an energy landscape during training, the model can then during inference employ a computational capacity dependent on the difficulty of the example it is dealing with rather than a simple fixed forward propagation having systematically the same computational cost. Despite unsuccessful experimental results, we analyze the promise of such an approach and speculate on potential improvements. With our contributions, we hope to pave the way for algorithms that make better use of their computational resources, and thus become more efficient in terms of cost and performance, as well as providing a more intimate understanding of the links that exist between certain machine learning methods and dual process theory.