L’exécution d’un mouvement purement unilatéral nécessite le recrutement d’un vaste réseau de régions corticales et sous-corticales, qu’il est possible de regrouper sous le terme de réseau de transformation non-miroir. Ce réseau doit contrer la tendance naturelle du cerveau à exécuter des mouvements de manière bilatérale et synchronisée, en miroir. Malgré l’efficacité de ce réseau, une activité miroir subtile est observée au niveau de la main qui doit demeurer inactive lors de mouvements unilatéraux chez l'humain en santé. Ce débordement moteur doit être inhibé grâce aux interactions interhémisphériques transitant par le corps calleux (CC), la plus grande commissure du cerveau servant de pont entre les hémisphères. Ainsi, la commande motrice peut être acheminée efficacement du cortex moteur primaire (M1) controlatéral à la main devant exécuter une l’action par l’entremise de la voie corticospianle (VCS). En plus du CC, le cortex prémoteur (CPM) joue un rôle important dans ce réseau puisque son interférence via la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) entraîne une augmentation de l’activité miroir dans la main devant normalement demeurer inactive lors d’un mouvement unilatéral. Ainsi, toute modification dans ce réseau ou dans les processus interhémisphériques peut provoquer l’augmentation des mouvements miroirs (MM). À ce jour, aucune étude n’a tenté de moduler ces interactions pour réduire la présence de MM. Ainsi, les études cliniques et méthodologiques qui composent la présente thèse comportent deux objectifs principaux : (1) déterminer si la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SÉTcd) permet l'étude du réseau de transformation non-miroir, et si cette technique est en mesure de diminuer l’intensité des MM chez des individus en santé; (2) caractériser l'anatomie et le fonctionnement du cerveau dans deux populations d’individus porteurs de mutations génétiques affectant le développement de structures impliquées dans la latéralisation du mouvement, le CC et la VCS. L’article 1 décrit les assisses théoriques de la présente thèse grâce à une revue de la littérature portant sur les interactions interhémisphériques dans le mouvement unilatéral. L’article 2 suggère que la SÉTcd est un outil efficace dans l'étude du réseau de transformation non-miroir puisque le protocole de stimulation bilatérale a permis d’augmenter la présence et l’intensité des MM physiologiques (MMp) chez des individus en santé. Cependant, il n’a pas été possible de moduler à la baisse les MMp malgré différents protocoles de stimulation. Dans l’article 3, l'étude d’individus nés sans CC a mis en lumière une augmentation de l’épaisseur corticale au niveau des aires somatosensorielles (S1) et visuelles (V1) primaires, de même qu’au niveau de la représentation de la main dans M1. Ces différences demeurent toutefois légères considérant l’importance du CC. L’article 4 a démontré que les individus porteurs d’une mutation sur le gène DCC présentent un phénotype similaire à celui de porteurs d'une mutation sur le gène RAD51. Ces mutations affectent la migration de la VCS au niveau des pyramides. La VCS projette ainsi aux deux mains, causant des mouvements miroirs congénitaux (MMC). Cette pathologie est également accompagnée d’anomalies neurophysiologiques, telle qu’une inhibition interhémisphérique (IIH) réduite. En somme, les études composant cette thèse ont permis d’approfondir notre connaissance de certaines structures responsables de la latéralisation adéquate du mouvement, tout en décrivant de nouvelles méthodes pour en étudier le fonctionnement. / The execution of purely unilateral hand movements requires the recruitment of vast cortical and subcortical brain areas known as the non-mirroring network. This network counteracts the natural tendency of the brain, which tends to execute movements in a bilateral and synchronized manner. Despite the efficacy of the non-mirroring network in restricting motor output to contralateral limbs, subtle mirroring can be observed in the inactive hand of healthy individuals when performing a unilateral task. This motor overflow needs to be inhibited through interhemispheric projections coursing through the corpus callosum (CC), the biggest white matter tract of the brain. This mechanism makes it possible for motor commands originating from the primary motor cortex (M1) to reach the contralateral hand performing an action via the corticospinal tract (CST). It has been suggested that the premotor cortex (PMC) is an important component of the non-mirroring network since its interference with transcranial magnetic stimulation (TMS) enhances mirror activity in the inactive, mirror hand when a unilateral hand movement is performed. Indeed, modulation of parts of the non-mirroring network and interhemispheric projections can result in enhanced mirror movements (MM). It is not known whether specific interventions can decrease MM. The clinical and methodological studies that compose the present thesis have two main objectives: (1) Determine whether transcranial direct-current stimulation (tDCS) can be used to assess non-mirroring network function and reduce MM intensity in healthy individuals; (2) Characterize brain function and anatomy in two clinical populations presenting specific genetic mutations that affect the development of structures involved in the lateralization of movement (the CC and CST). Article 1 provides a theoretical basis for the present essay through a review of the literature pertaining to interhemispheric interactions in the production of unilateral movements. Article 2 shows that tDCS can be used to study the non-mirroring network since a bilateral stimulation protocol significantly increased the intensity of physiological MM (pMM) in healthy individuals. However, despite different stimulation protocols, it was not possible to reduce pMM. In article 3, anatomical MRIs performed in individuals born without a CC revealed increases in cortical thickness in primary somatosensory (S1) and visual (V1) cortex, as well as in the hand representation of M1. Taken together, however, the data suggest that anatomical differences between acallosal patients and healthy participants are relatively subtle considering the size and function of the CC. Article 4 showed that individuals presenting a mutation on the DCC gene display a phenotype similar to that of individuals presenting a mutation on the RAD51 gene. DCC mutations affect the crossing of the CST at the pyramidal level, resulting in a CST that projects to both hands simultaneously, causing congenital mirror movements (CMM). This pathological condition is accompanied by neurophysiological anomalies that include reduced interhemispheric inhibition (IHI). In summary, the studies comprised in the present thesis significantly increase our knowledge of the specific brain structures that enable the proper lateralization of movements. It also describes novel methods that can be used to investigate the non-mirroring network.

Le corps calleux (CC) est la principale commissure cérébrale connectant les aires corticales homologues des deux hémisphères chez les vertébrés placentaires. Les malformations du corps calleux (MCC) représentent la malformation cérébrale la plus fréquente à la naissance et sont présentes chez 5% des individus avec anomalie neuro-développementale. Une meilleure connaissance de l’ontogenèse du corps calleux et de ses causes génétiques devrait permettre d’ouvrir la voie à des corrélations cliniques pour un meilleur conseil génétique. Cet aspect constitue probablement l’enjeu de la prochaine décennie concernant les foetus avec MCC. Le travail de thèse a porté sur 138 foetus avec MCC, pour lesquels nous avons fait un examen foeto-neuropathologique et une classification en plusieurs catégories. Au total, ce travail a permis : 1/le démantèlement des causes génétiques des MCC par une triple approche de CGH array, d’exome en trio et de panels ciblés, avec une augmentation considérable des causes identifiables de MCC au sein de cette cohorte, 2/ l’identification et la caractérisation fonctionnelle d’un nouveau gène de ciliopathie dans un phénotype extrême ; 3/ l’identification de 3 nouvelles mutations de ZBTB20, récemment identifié comme responsable du syndrome de Primrose, démontrant que ce syndrome est une cause fréquente de MCC et permettant une description clinico-radiologique plus précise. 4/ L’identification de plusieurs gènes candidats en cours de validation. / Corpus callosum is the main cerebral commissure connecting homologous cortical areas in placental mammals. Malformations of corpus callosum (MCC) are the most frequent brain malformation at birth and are present in 5% of patients with neurodevelopmental delay. A good knowledge of genetics of corpus callosum development should pave the way to better clinical correlations for a more accurate genetic counselling. This is the challenge of the next decade. This thesis concerns a cohort of 138 fetuses with MCCs, well classified on neuropathological examination. It allowed 1/ to unravel the genetic causes of MCC through a triple approach combining CGH array, whole exome and NGS panels sequencing, with a considerable increase in the number of causes of MCC identified ; 2/ identification of a new gene in an extreme ciliopathy phenotype; and 3/ identification of novel ZBTB20 mutations , a gene recently identified as responsible for Primrose syndrome, showing that this syndrome is frequent among MCCs and allowing a precise clinico-radiological description of the syndrome. 4/ Several new candidate genes are under study.

Le corps calleux (CC) est la principale commissure cérébrale connectant les aires corticales homologues des deux hémisphères chez les vertébrés placentaires. Les malformations du corps calleux (MCC) représentent la malformation cérébrale la plus fréquente à la naissance et sont présentes chez 5% des individus avec anomalie neuro-développementale. Une meilleure connaissance de l’ontogenèse du corps calleux et de ses causes génétiques devrait permettre d’ouvrir la voie à des corrélations cliniques pour un meilleur conseil génétique. Cet aspect constitue probablement l’enjeu de la prochaine décennie concernant les foetus avec MCC. Le travail de thèse a porté sur 138 foetus avec MCC, pour lesquels nous avons fait un examen foeto-neuropathologique et une classification en plusieurs catégories. Au total, ce travail a permis : 1/le démantèlement des causes génétiques des MCC par une triple approche de CGH array, d’exome en trio et de panels ciblés, avec une augmentation considérable des causes identifiables de MCC au sein de cette cohorte, 2/ l’identification et la caractérisation fonctionnelle d’un nouveau gène de ciliopathie dans un phénotype extrême ; 3/ l’identification de 3 nouvelles mutations de ZBTB20, récemment identifié comme responsable du syndrome de Primrose, démontrant que ce syndrome est une cause fréquente de MCC et permettant une description clinico-radiologique plus précise. 4/ L’identification de plusieurs gènes candidats en cours de validation. / Corpus callosum is the main cerebral commissure connecting homologous cortical areas in placental mammals. Malformations of corpus callosum (MCC) are the most frequent brain malformation at birth and are present in 5% of patients with neurodevelopmental delay. A good knowledge of genetics of corpus callosum development should pave the way to better clinical correlations for a more accurate genetic counselling. This is the challenge of the next decade. This thesis concerns a cohort of 138 fetuses with MCCs, well classified on neuropathological examination. It allowed 1/ to unravel the genetic causes of MCC through a triple approach combining CGH array, whole exome and NGS panels sequencing, with a considerable increase in the number of causes of MCC identified ; 2/ identification of a new gene in an extreme ciliopathy phenotype; and 3/ identification of novel ZBTB20 mutations , a gene recently identified as responsible for Primrose syndrome, showing that this syndrome is frequent among MCCs and allowing a precise clinico-radiological description of the syndrome. 4/ Several new candidate genes are under study.

Le principal rôle du corps calleux est d’assurer le transfert de l’information entre les hémisphères cérébraux. Du support empirique pour cette fonction provient d’études investiguant la communication interhémisphérique chez les individus à cerveau divisé (ICD). Des paradigmes expérimentaux exigeant une intégration interhémisphérique de l’information permettent de documenter certains signes de déconnexion calleuse chez ces individus. La présente thèse a investigué le transfert de l’information sous-tendant les phénomènes de gain de redondance (GR), de différence croisé– non-croisé (DCNC) et d’asynchronie bimanuelle chez les ICD et les individus normaux, et a ainsi contribué à préciser le rôle du corps calleux. Une première étude a comparé le GR des individus normaux et des ICD ayant subi une section partielle ou totale du corps calleux. Dans une tâche de détection, le GR consiste en la réduction des temps de réaction (TR) lorsque deux stimuli sont présentés plutôt qu’un seul. Typiquement, les ICD présentent un GR beaucoup plus grand (supra-GR) que celui des individus normaux (Reuter-Lorenz, Nozawa, Gazzaniga, & Hughes, 1995). Afin d’investiguer les conditions d’occurrence du supra-GR, nous avons évalué le GR en présentation interhémisphérique, intrahémisphérique et sur le méridien vertical, ainsi qu’avec des stimuli requérant une contribution corticale différente (luminance, couleur équiluminante ou mouvement). La présence d’un supra-GR chez les ICD partiels et totaux en comparaison avec celui des individus normaux a été confirmée. Ceci suggère qu’une section antérieure du corps calleux, qui perturbe le transfert d’informations de nature motrice/décisionnelle, est suffisante pour produire un supra-GR chez les ICD. Nos données permettent aussi d’affirmer que, contrairement au GR des individus normaux, celui des ICD totaux est sensible aux manipulations sensorielles. Nous concluons donc que le supra-GR des ICD est à la fois attribuable à des contributions sensorielles et motrices/décisionnelles. Une deuxième étude a investigué la DCNC et l’asynchronie bimanuelle chez les ICD et les individus normaux. La DCNC réfère à la soustraction des TR empruntant une voie anatomique « non-croisée » aux TR empruntant une voie anatomique « croisée », fournissant ainsi une estimation du temps de transfert interhémisphérique. Dans le contexte de notre étude, l’asynchronie bimanuelle réfère à la différence de TR entre la main gauche et la main droite, sans égard à l’hémichamp de présentation. Les effets de manipulations sensorielles et attentionnelles ont été évalués pour les deux mesures. Cette étude a permis d’établir une dissociation entre la DCNC et l’asynchronie bimanuelle. Précisément, les ICD totaux, mais non les ICD partiels, ont montré une DCNC significativement plus grande que celle des individus normaux, alors que les deux groupes d’ICD se sont montrés plus asynchrones que les individus normaux. Nous postulons donc que des processus indépendants sous-tendent la DCNC et la synchronie bimanuelle. De plus, en raison de la modulation parallèle du GR et de l’asynchronie bimanuelle entre les groupes, nous suggérons qu’un processus conjoint sous-tend ces deux mesures. / The main role of the corpus callosum is the transfer of information across the cerebral hemispheres. Evidence for this function comes from studies investigating the interhemispheric communication of split-brain individuals. Specific experimental paradigms requiring interhemispheric integration have enabled the documentation of disconnection symptoms for split-brain individuals. Along those lines, the present thesis investigated the transfer of information underlying the redundant target effect (RTE), the crossed-uncrossed difference (CUD), and bimanual asynchrony of normal and split-brain individuals, and therefore contributed to further our knowledge of the role of the corpus callosum. The first study investigated the RTE of partial split-brain (anterior section), total split-brain, and normal individuals. The RTE occurs when reaction times (RTs) to multiple stimuli are faster than RTs to a single stimulus. Split-brain individuals typically exhibit an enhanced RTE as compared to normal individuals (Reuter-Lorenz et al., 1995). In order to investigate the conditions in which the enhanced RTE occurs, we tested the RTE in interhemispheric, intrahemispheric, and midline conditions, as well as with stimuli requiring different cortical contributions (stimuli defined by luminance, equiluminant colour, or motion). Our data supported the occurrence of an enhanced RTE for partial and total split-brain individuals as compared to normal individuals. This suggests that an anterior section of the corpus callosum, which disrupts the transfer of motor/decisional information, suffices to produce an enhanced RTE in split-brain individuals. In addition, in contrast with the RTE of normal individuals, that of total split-brain individuals was modulated as a function of a sensory manipulation. We therefore conclude that the enhanced RTE of split-brain individuals is attributable to both sensory and motor/decisional contributions. The second study investigated the CUD and the bimanual asynchrony of normal, partial split-brain, and total split-brain individuals. The CUD refers to the subtraction of mean RTs of uncrossed hand-visual hemifield combination from mean RTs of crossed hand-visual hemifield combination. In the context of our study, the asynchrony reflected the difference between the left-hand RT and the right-hand RT on each trial, irrespective of the side of presentation. The effect of sensory and attentional manipulations was assessed for both measures. Our study contributed to dissociate the CUD and bimanual asynchrony. Specifically, total split-brain individuals, but not partial split-brain individuals, showed a larger CUD than normal individuals, whereas both split-brain groups were less synchronous than normal individuals. We therefore postulate that independent processes underlie the CUD and bimanual asynchrony. Furthermore, the parallel modulation of the RTE and bimanual asynchrony across groups suggest common underlying processes for these two measures.

L’intégration de stimulations provenant de modalités sensorielles différentes nous offre des avantages perceptifs tels qu’une meilleure discrimination et une accélération des temps de réponse (TR) face aux évènements environnementaux. Cette thèse a investigué les effets de la position spatiale de stimulations visuelles et tactiles sur le gain de redondance (GR), qui correspond à une réduction du temps de réaction lorsque deux stimulations sont présentées simultanément plutôt qu’isolément. La première étude a comparé le GR lorsque les mêmes stimulations visuotactiles sont présentées dans une tâche de détection et une tâche de discrimination spatiale. Les stimulations étaient présentées unilatéralement dans le même hémichamp ou bilatéralement dans les hémichamps opposés. Dans la tâche de détection, les participants devaient répondre à toutes les stimulations, peu importe leur localisation. Les résultats de cette tâche démontrent que les stimulations unilatérales et bilatérales produisent un GR et une violation du modèle de course indissociables. Dans la tâche de discrimination spatiale où les participants devaient répondre seulement aux stimulations présentées dans l’hémichamp droit, les TR aux stimulations bilatérales étaient moins rapides. Nous n’avons pas observé de différence entre le GR maximal obtenu dans l’une ou l’autre des tâches de cette étude. Nous concluons que lorsque l’information spatiale n’est pas pertinente pour accomplir la tâche, les stimulations unilatérales et bilatérales sont équivalentes. La manipulation de la pertinence de l’information spatiale permet donc d’induire une altération du GR en fonction de la localisation des stimulations. Lors d’une seconde étude, nous avons investigué si la différence entre les gains comportementaux résultants de l’intégration multimodale et intramodale dépend de la configuration spatiale des stimulations. Les résultats montrent que le GR obtenu pour les conditions multimodales surpasse celui obtenu pour les stimulations intramodales. De plus, le GR des conditions multimodales n’est pas influencé par la configuration spatiale des stimulations. À l’opposé, les stimulations intramodales produisent un GR plus important iii lorsque les stimulations sont présentées bilatéralement. Nos résultats suggèrent que l’intégration multimodale et intramodale se distinguent quant au GR qu’ils produisent et quant aux conditions nécessaires à cette amélioration. La troisième étude examine le rôle du corps calleux (CC) dans l’observation du GR obtenu pour les stimulations multimodales et intramodales lorsque celles-ci sont présentées unilatéralement et bilatéralement. Quatre patients ayant une agénésie congénitale du corps calleux (AgCC) et un patient callosotomisé ont été comparés à des individus normaux dans une tâche de détection. Dans l’ensemble, les résultats suggèrent que le CC n’est pas nécessaire pour l’intégration interhémisphérique de stimulations multimodales. Sur la base d’études précédentes démontrant le rôle des collicules supérieurs (CS) dans l’intégration multimodale, nous concluons qu’en l’absence du CC, les bénéfices comportementaux résultants d’un traitement sous-cortical par les CS ne reflètent pas les règles d’intégration observées dans les études neurophysiologiques chez l’animal. / The integration of stimuli from the same or different modalities offers many benefits such as enhanced discrimination and accelerated reaction to objects. This thesis investigates the effects of stimuli’s spatial location on the redundancy gain (RG) obtained with cross-modal and within-modal stimulations. The RG is a decrease in reaction times (RT) when two or more stimuli are presented simultaneously rather than a single stimulation. The first study investigated cross-modal visuo-tactile integration in a single reaction time task and a choice reaction time task. Each unisensory stimulus was presented to either the left or right hemispace, and multisensory stimuli were presented in a unilateral (e.g. visual right/tactile right) or bilateral configuration (e.g. visual right/tactile left). The first task was a simple reaction time (SRT) paradigm where participants had to responded to all stimulations, irrespective of spatial position. Results showed that multisensory gain and coactivation were the same for spatially aligned and misaligned visuotactile stimulations. In the second task, a choice reaction time (CRT) paradigm where participants responded to rightsided stimuli only, bilateral stimuli yielded slower reaction times. No difference in multisensory gain was found between the SRT and CRT tasks for unilateral stimulations. Overall, the results suggest that when spatial information is task-irrelevant, multisensory integration of unilateral and bilateral stimuli is equivalent. However, manipulating task requirements can alter this effect. In the second study, we investigated if the behavioral enhancements resulting from within-modal and cross-modal integration depend on the spatial congruency of the redundant stimuli. Results show that the redundancy gains (RG) obtained from the cross-modal conditions were far greater than those obtained from combinations of two visual or two tactile targets. Moreover, we found that the spatial alignment of the targets did not influence the RG obtained in cross-modal conditions, whereas within-modal stimuli produced a greater RG when the targets where delivered in separate hemispaces. These results suggest that within-modal and cross-modal integration are not only distinguishable by the amount of facilitation they produce, but also by the spatial configuration under which this facilitation occurs. The third study examines the role of the corpus callosum (CC) in mediating the RG observed for unilateral and bilateral cross-modal integration. Using a simple detection task, we tested four congenitally acallosal and one callosotomized individuals. No significant difference between congenitally acallosal individuals and controls were found for unilateral within-modal conditions or for multisensory conditions. Overall, these results demonstrate that the CC in not required to integrate cross-modal information across hemispheres and that intrahemispheric processing is preserved in acallosal individuals. Based on previous studies demonstrating the role of the superior colliculus in multisensory integration, our results suggest that in the absence of the CC, the behavioral benefit resulting from subcortical processing by the superior colliculus does not reflect the neurophysiological constraints of multisensory integration.

INTRODUÇÃO: Epilepsia do lobo temporal mesial (ELTM) por esclerose hipocampal (EH) é a forma de epilepsia focal mais comum na idade adulta e a causa mais frequente de refratariedade ao tratamento clínico. Apesar de se tratar de uma patologia da substância cinzenta, alguns estudos, por meio da imagem por tensor de difusão (diffusion tensor imaging-DTI), têm demonstrado alteração da substância branca temporal e extratemporal nestes pacientes. O corpo caloso (CC) é a maior comissura cerebral conectando áreas corticais homólogas de ambos os hemisférios cerebrais e tem sido implicado na propagação da atividade epiléptica. O objetivo principal do presente estudo foi avaliar possíveis alterações no CC de pacientes com ELTM-EH pela técnica de DTI e verificar se essas dependem da lateralidade da EH e da concordância entre os exames de ressonância magnética (RM) e os exames de vídeo-eletroencefalograma (EEG). Como objetivo secundário, também avaliou-se se estas alterações se correlacionavam com alguma variável clínica ou com as medidas volumétricas do CC. MÉTODOS: 42 pacientes com ELTM-EH (idades: 20-54 anos) e 30 voluntários saudáveis como grupo controle (idades: 18-53 anos) realizaram exame de RM de crânio, sendo obtidas sequências de DTI com 32 direções de gradiente e imagens volumétricas ponderadas em T1. Os pacientes foram também divididos em subgrupos: EH à direita e EH à esquerda, e em pacientes concordantes e discordantes. Os valores de anisotropia fracionada (AF), difusividade média (DM), difusividade axial (DA), difusividade radial (DR) e os dados volumétricos foram extraídos a partir de cinco segmentos obtidos automaticamente na secção sagital do CC. Foram realizadas comparações dos parâmetros de DTI no CC entre os grupos de pacientes e controles, e entre os subgrupos de pacientes. Foram investigadas correlações entre os parâmetros do tensor de difusão e as variáveis clínicas. As alterações volumétricas no CC dos pacientes com ELTM-EH bem como a correlação dessas alterações com as anormalidades de difusão também foram avaliadas. Considerou-se um valor de p < 0,05 como estatisticamente significativo. RESULTADOS: Nas regiões anterior, médio-posterior e posterior do CC dos pacientes, observaram-se redução da AF e aumento da DM e da DR, em relação aos controles. A DA manteve-se inalterada. Não foram demonstradas diferenças nos padrões de alteração de difusão entre os pacientes com EH à direita e com EH à esquerda, nem entre pacientes concordantes e discordantes. Não foram observadas correlações significativas entre os parâmetros do tensor de difusão com a idade ao evento inicial, idade de início da epilepsia, tempo de doença, tempo de epilepsia, período de latência e frequência de crises. No entanto, pacientes que apresentaram crise febril como evento precipitante inicial exibiram maior intensidade e extensão das alterações de difusão. Observou-se redução volumétrica difusa do CC, sendo demonstrada correlação negativa significativa entre DM e DR, e o volume nos segmentos central, médio-posterior e posterior, e, ainda, entre DA e volume do segmento posterior. Nós observamos, ainda, correlação negativa significativa entre o volume e o tempo de epilepsia, e o tempo de doença. CONCLUSÕES: Houve alteração dos parâmetros de DTI em áreas específicas do CC e redução volumétrica difusa desta estrutura. Tais anormalidades parecem ser secundárias à propagação das crises epilépticas ao longo de vias específicas anatômica ou funcionalmente relacionadas aos lobos temporais promovendo alterações secundárias na substância branca cerebral. O histórico de crise febril está relacionado a maior intensidade e extensão de acometimento do CC / INTRODUCTION: Mesial temporal lobe epilepsy (MTLE) with hippocampal sclerosis (HS) is the most common form of focal epilepsy in adults and it is frequently associated with refractoriness to medical treatment. Although epilepsy is considered a grey-matter disease, abnormalities in the temporal and extra-temporal white matter have been identified in these patients with diffusion tensor imaging (DTI). The corpus callosum (CC) is the major white matter tract connecting both cerebral hemispheres and has been implicated as an important route of spread of epileptic activity. The first goal of this study was to detect DTI abnormalities in specific areas of the CC in patients with MTLE-HS and to verify if these abnormalities depend on the laterality of the HS and on the concordance between the magnetic resonance imaging (MRI) and video-electroencephalogram (EEG). As a second goal we assessed if DTI results were correlated with any clinical variable or volumetric changes of the CC. METHODS: 42 patients (age: 20-54 years) and 30 healthy controls (age:18-53 years) were submitted to brain MRI. DTI sequences with 32 gradient encoding directions and volumetric T1-weighted images were obtained. Additionally, we grouped the patients in left sided and right sided HS and in concordant and discordant HS. Mean values of fractional anisotropy (FA), mean diffusivity (MD), axial diffusivity (AD), radial diffusivity (RD) and volumetric results were extracted from five segments at the midsagittal section of the CC obtained through automatic segmentation. Comparisons of DTI parameters of the CC were performed between patients and controls and between subgroups of patients. Correlations between DTI parameters and clinical findings were calculated. We also evaluated volume abnormalities of the CC in MTLE-HS patients and the correlations between these abnormalities and DTI changes. We considered a value of p <0.05 statistically significant. RESULTS: Our study showed that, when HS patients was compared to controls, the FA was lowest in the anterior, mid-posterior and posterior subregions of the CC. MD and RD were higher in these same segments. No changes were observed in AD. No differences in the CC DTI parameters were detected between right-sided HS and left-sided HS or between concordant and discordant HS patients. Age at initial event, age at epilepsy onset, duration of disease, duration of epilepsy, latency period and seizure frequency were not significantly correlated with the DTI parameters. However, patients who had febrile seizures as initial event exhibited greater intensity and extent of DTI changes. All segments demonstrated volume reduction compared to controls. Significant negative correlation was demonstrated between MD and RD and the volume in the central, midposterior and posterior segments of the CC, and between AD and volume of the posterior segment. We also demonstrated negative correlation between volume and duration of disease and duration of epilepsy. CONCLUSIONS: This study showed diffusion abnormalities in specific areas of the CC and diffuse atrophy in patients with unilateral HS, which may be secondary to seizures propagation along specific pathways leading to secondary changes in brain white matter. The history of febrile seizure is related to greater involvement of the CC

Le corps calleux (CC) est la principale commissure cérébrale connectant les aires corticales homologues des deux hémisphères chez les vertébrés placentaires. Les malformations du corps calleux (MCC) représentent la malformation cérébrale la plus fréquente à la naissance et sont présentes chez 5% des individus avec anomalie neuro-développementale. Une meilleure connaissance de l’ontogenèse du corps calleux et de ses causes génétiques devrait permettre d’ouvrir la voie à des corrélations cliniques pour un meilleur conseil génétique. Cet aspect constitue probablement l’enjeu de la prochaine décennie concernant les foetus avec MCC. Le travail de thèse a porté sur 138 foetus avec MCC, pour lesquels nous avons fait un examen foeto-neuropathologique et une classification en plusieurs catégories. Au total, ce travail a permis : 1/le démantèlement des causes génétiques des MCC par une triple approche de CGH array, d’exome en trio et de panels ciblés, avec une augmentation considérable des causes identifiables de MCC au sein de cette cohorte, 2/ l’identification et la caractérisation fonctionnelle d’un nouveau gène de ciliopathie dans un phénotype extrême ; 3/ l’identification de 3 nouvelles mutations de ZBTB20, récemment identifié comme responsable du syndrome de Primrose, démontrant que ce syndrome est une cause fréquente de MCC et permettant une description clinico-radiologique plus précise. 4/ L’identification de plusieurs gènes candidats en cours de validation. / Corpus callosum is the main cerebral commissure connecting homologous cortical areas in placental mammals. Malformations of corpus callosum (MCC) are the most frequent brain malformation at birth and are present in 5% of patients with neurodevelopmental delay. A good knowledge of genetics of corpus callosum development should pave the way to better clinical correlations for a more accurate genetic counselling. This is the challenge of the next decade. This thesis concerns a cohort of 138 fetuses with MCCs, well classified on neuropathological examination. It allowed 1/ to unravel the genetic causes of MCC through a triple approach combining CGH array, whole exome and NGS panels sequencing, with a considerable increase in the number of causes of MCC identified ; 2/ identification of a new gene in an extreme ciliopathy phenotype; and 3/ identification of novel ZBTB20 mutations , a gene recently identified as responsible for Primrose syndrome, showing that this syndrome is frequent among MCCs and allowing a precise clinico-radiological description of the syndrome. 4/ Several new candidate genes are under study.

Le principal rôle du corps calleux est d’assurer le transfert de l’information entre les hémisphères cérébraux. Du support empirique pour cette fonction provient d’études investiguant la communication interhémisphérique chez les individus à cerveau divisé (ICD). Des paradigmes expérimentaux exigeant une intégration interhémisphérique de l’information permettent de documenter certains signes de déconnexion calleuse chez ces individus. La présente thèse a investigué le transfert de l’information sous-tendant les phénomènes de gain de redondance (GR), de différence croisé– non-croisé (DCNC) et d’asynchronie bimanuelle chez les ICD et les individus normaux, et a ainsi contribué à préciser le rôle du corps calleux. Une première étude a comparé le GR des individus normaux et des ICD ayant subi une section partielle ou totale du corps calleux. Dans une tâche de détection, le GR consiste en la réduction des temps de réaction (TR) lorsque deux stimuli sont présentés plutôt qu’un seul. Typiquement, les ICD présentent un GR beaucoup plus grand (supra-GR) que celui des individus normaux (Reuter-Lorenz, Nozawa, Gazzaniga, & Hughes, 1995). Afin d’investiguer les conditions d’occurrence du supra-GR, nous avons évalué le GR en présentation interhémisphérique, intrahémisphérique et sur le méridien vertical, ainsi qu’avec des stimuli requérant une contribution corticale différente (luminance, couleur équiluminante ou mouvement). La présence d’un supra-GR chez les ICD partiels et totaux en comparaison avec celui des individus normaux a été confirmée. Ceci suggère qu’une section antérieure du corps calleux, qui perturbe le transfert d’informations de nature motrice/décisionnelle, est suffisante pour produire un supra-GR chez les ICD. Nos données permettent aussi d’affirmer que, contrairement au GR des individus normaux, celui des ICD totaux est sensible aux manipulations sensorielles. Nous concluons donc que le supra-GR des ICD est à la fois attribuable à des contributions sensorielles et motrices/décisionnelles. Une deuxième étude a investigué la DCNC et l’asynchronie bimanuelle chez les ICD et les individus normaux. La DCNC réfère à la soustraction des TR empruntant une voie anatomique « non-croisée » aux TR empruntant une voie anatomique « croisée », fournissant ainsi une estimation du temps de transfert interhémisphérique. Dans le contexte de notre étude, l’asynchronie bimanuelle réfère à la différence de TR entre la main gauche et la main droite, sans égard à l’hémichamp de présentation. Les effets de manipulations sensorielles et attentionnelles ont été évalués pour les deux mesures. Cette étude a permis d’établir une dissociation entre la DCNC et l’asynchronie bimanuelle. Précisément, les ICD totaux, mais non les ICD partiels, ont montré une DCNC significativement plus grande que celle des individus normaux, alors que les deux groupes d’ICD se sont montrés plus asynchrones que les individus normaux. Nous postulons donc que des processus indépendants sous-tendent la DCNC et la synchronie bimanuelle. De plus, en raison de la modulation parallèle du GR et de l’asynchronie bimanuelle entre les groupes, nous suggérons qu’un processus conjoint sous-tend ces deux mesures. / The main role of the corpus callosum is the transfer of information across the cerebral hemispheres. Evidence for this function comes from studies investigating the interhemispheric communication of split-brain individuals. Specific experimental paradigms requiring interhemispheric integration have enabled the documentation of disconnection symptoms for split-brain individuals. Along those lines, the present thesis investigated the transfer of information underlying the redundant target effect (RTE), the crossed-uncrossed difference (CUD), and bimanual asynchrony of normal and split-brain individuals, and therefore contributed to further our knowledge of the role of the corpus callosum. The first study investigated the RTE of partial split-brain (anterior section), total split-brain, and normal individuals. The RTE occurs when reaction times (RTs) to multiple stimuli are faster than RTs to a single stimulus. Split-brain individuals typically exhibit an enhanced RTE as compared to normal individuals (Reuter-Lorenz et al., 1995). In order to investigate the conditions in which the enhanced RTE occurs, we tested the RTE in interhemispheric, intrahemispheric, and midline conditions, as well as with stimuli requiring different cortical contributions (stimuli defined by luminance, equiluminant colour, or motion). Our data supported the occurrence of an enhanced RTE for partial and total split-brain individuals as compared to normal individuals. This suggests that an anterior section of the corpus callosum, which disrupts the transfer of motor/decisional information, suffices to produce an enhanced RTE in split-brain individuals. In addition, in contrast with the RTE of normal individuals, that of total split-brain individuals was modulated as a function of a sensory manipulation. We therefore conclude that the enhanced RTE of split-brain individuals is attributable to both sensory and motor/decisional contributions. The second study investigated the CUD and the bimanual asynchrony of normal, partial split-brain, and total split-brain individuals. The CUD refers to the subtraction of mean RTs of uncrossed hand-visual hemifield combination from mean RTs of crossed hand-visual hemifield combination. In the context of our study, the asynchrony reflected the difference between the left-hand RT and the right-hand RT on each trial, irrespective of the side of presentation. The effect of sensory and attentional manipulations was assessed for both measures. Our study contributed to dissociate the CUD and bimanual asynchrony. Specifically, total split-brain individuals, but not partial split-brain individuals, showed a larger CUD than normal individuals, whereas both split-brain groups were less synchronous than normal individuals. We therefore postulate that independent processes underlie the CUD and bimanual asynchrony. Furthermore, the parallel modulation of the RTE and bimanual asynchrony across groups suggest common underlying processes for these two measures.

L’intégration de stimulations provenant de modalités sensorielles différentes nous offre des avantages perceptifs tels qu’une meilleure discrimination et une accélération des temps de réponse (TR) face aux évènements environnementaux. Cette thèse a investigué les effets de la position spatiale de stimulations visuelles et tactiles sur le gain de redondance (GR), qui correspond à une réduction du temps de réaction lorsque deux stimulations sont présentées simultanément plutôt qu’isolément. La première étude a comparé le GR lorsque les mêmes stimulations visuotactiles sont présentées dans une tâche de détection et une tâche de discrimination spatiale. Les stimulations étaient présentées unilatéralement dans le même hémichamp ou bilatéralement dans les hémichamps opposés. Dans la tâche de détection, les participants devaient répondre à toutes les stimulations, peu importe leur localisation. Les résultats de cette tâche démontrent que les stimulations unilatérales et bilatérales produisent un GR et une violation du modèle de course indissociables. Dans la tâche de discrimination spatiale où les participants devaient répondre seulement aux stimulations présentées dans l’hémichamp droit, les TR aux stimulations bilatérales étaient moins rapides. Nous n’avons pas observé de différence entre le GR maximal obtenu dans l’une ou l’autre des tâches de cette étude. Nous concluons que lorsque l’information spatiale n’est pas pertinente pour accomplir la tâche, les stimulations unilatérales et bilatérales sont équivalentes. La manipulation de la pertinence de l’information spatiale permet donc d’induire une altération du GR en fonction de la localisation des stimulations. Lors d’une seconde étude, nous avons investigué si la différence entre les gains comportementaux résultants de l’intégration multimodale et intramodale dépend de la configuration spatiale des stimulations. Les résultats montrent que le GR obtenu pour les conditions multimodales surpasse celui obtenu pour les stimulations intramodales. De plus, le GR des conditions multimodales n’est pas influencé par la configuration spatiale des stimulations. À l’opposé, les stimulations intramodales produisent un GR plus important iii lorsque les stimulations sont présentées bilatéralement. Nos résultats suggèrent que l’intégration multimodale et intramodale se distinguent quant au GR qu’ils produisent et quant aux conditions nécessaires à cette amélioration. La troisième étude examine le rôle du corps calleux (CC) dans l’observation du GR obtenu pour les stimulations multimodales et intramodales lorsque celles-ci sont présentées unilatéralement et bilatéralement. Quatre patients ayant une agénésie congénitale du corps calleux (AgCC) et un patient callosotomisé ont été comparés à des individus normaux dans une tâche de détection. Dans l’ensemble, les résultats suggèrent que le CC n’est pas nécessaire pour l’intégration interhémisphérique de stimulations multimodales. Sur la base d’études précédentes démontrant le rôle des collicules supérieurs (CS) dans l’intégration multimodale, nous concluons qu’en l’absence du CC, les bénéfices comportementaux résultants d’un traitement sous-cortical par les CS ne reflètent pas les règles d’intégration observées dans les études neurophysiologiques chez l’animal. / The integration of stimuli from the same or different modalities offers many benefits such as enhanced discrimination and accelerated reaction to objects. This thesis investigates the effects of stimuli’s spatial location on the redundancy gain (RG) obtained with cross-modal and within-modal stimulations. The RG is a decrease in reaction times (RT) when two or more stimuli are presented simultaneously rather than a single stimulation. The first study investigated cross-modal visuo-tactile integration in a single reaction time task and a choice reaction time task. Each unisensory stimulus was presented to either the left or right hemispace, and multisensory stimuli were presented in a unilateral (e.g. visual right/tactile right) or bilateral configuration (e.g. visual right/tactile left). The first task was a simple reaction time (SRT) paradigm where participants had to responded to all stimulations, irrespective of spatial position. Results showed that multisensory gain and coactivation were the same for spatially aligned and misaligned visuotactile stimulations. In the second task, a choice reaction time (CRT) paradigm where participants responded to rightsided stimuli only, bilateral stimuli yielded slower reaction times. No difference in multisensory gain was found between the SRT and CRT tasks for unilateral stimulations. Overall, the results suggest that when spatial information is task-irrelevant, multisensory integration of unilateral and bilateral stimuli is equivalent. However, manipulating task requirements can alter this effect. In the second study, we investigated if the behavioral enhancements resulting from within-modal and cross-modal integration depend on the spatial congruency of the redundant stimuli. Results show that the redundancy gains (RG) obtained from the cross-modal conditions were far greater than those obtained from combinations of two visual or two tactile targets. Moreover, we found that the spatial alignment of the targets did not influence the RG obtained in cross-modal conditions, whereas within-modal stimuli produced a greater RG when the targets where delivered in separate hemispaces. These results suggest that within-modal and cross-modal integration are not only distinguishable by the amount of facilitation they produce, but also by the spatial configuration under which this facilitation occurs. The third study examines the role of the corpus callosum (CC) in mediating the RG observed for unilateral and bilateral cross-modal integration. Using a simple detection task, we tested four congenitally acallosal and one callosotomized individuals. No significant difference between congenitally acallosal individuals and controls were found for unilateral within-modal conditions or for multisensory conditions. Overall, these results demonstrate that the CC in not required to integrate cross-modal information across hemispheres and that intrahemispheric processing is preserved in acallosal individuals. Based on previous studies demonstrating the role of the superior colliculus in multisensory integration, our results suggest that in the absence of the CC, the behavioral benefit resulting from subcortical processing by the superior colliculus does not reflect the neurophysiological constraints of multisensory integration.

INTRODUÇÃO: Epilepsia do lobo temporal mesial (ELTM) por esclerose hipocampal (EH) é a forma de epilepsia focal mais comum na idade adulta e a causa mais frequente de refratariedade ao tratamento clínico. Apesar de se tratar de uma patologia da substância cinzenta, alguns estudos, por meio da imagem por tensor de difusão (diffusion tensor imaging-DTI), têm demonstrado alteração da substância branca temporal e extratemporal nestes pacientes. O corpo caloso (CC) é a maior comissura cerebral conectando áreas corticais homólogas de ambos os hemisférios cerebrais e tem sido implicado na propagação da atividade epiléptica. O objetivo principal do presente estudo foi avaliar possíveis alterações no CC de pacientes com ELTM-EH pela técnica de DTI e verificar se essas dependem da lateralidade da EH e da concordância entre os exames de ressonância magnética (RM) e os exames de vídeo-eletroencefalograma (EEG). Como objetivo secundário, também avaliou-se se estas alterações se correlacionavam com alguma variável clínica ou com as medidas volumétricas do CC. MÉTODOS: 42 pacientes com ELTM-EH (idades: 20-54 anos) e 30 voluntários saudáveis como grupo controle (idades: 18-53 anos) realizaram exame de RM de crânio, sendo obtidas sequências de DTI com 32 direções de gradiente e imagens volumétricas ponderadas em T1. Os pacientes foram também divididos em subgrupos: EH à direita e EH à esquerda, e em pacientes concordantes e discordantes. Os valores de anisotropia fracionada (AF), difusividade média (DM), difusividade axial (DA), difusividade radial (DR) e os dados volumétricos foram extraídos a partir de cinco segmentos obtidos automaticamente na secção sagital do CC. Foram realizadas comparações dos parâmetros de DTI no CC entre os grupos de pacientes e controles, e entre os subgrupos de pacientes. Foram investigadas correlações entre os parâmetros do tensor de difusão e as variáveis clínicas. As alterações volumétricas no CC dos pacientes com ELTM-EH bem como a correlação dessas alterações com as anormalidades de difusão também foram avaliadas. Considerou-se um valor de p < 0,05 como estatisticamente significativo. RESULTADOS: Nas regiões anterior, médio-posterior e posterior do CC dos pacientes, observaram-se redução da AF e aumento da DM e da DR, em relação aos controles. A DA manteve-se inalterada. Não foram demonstradas diferenças nos padrões de alteração de difusão entre os pacientes com EH à direita e com EH à esquerda, nem entre pacientes concordantes e discordantes. Não foram observadas correlações significativas entre os parâmetros do tensor de difusão com a idade ao evento inicial, idade de início da epilepsia, tempo de doença, tempo de epilepsia, período de latência e frequência de crises. No entanto, pacientes que apresentaram crise febril como evento precipitante inicial exibiram maior intensidade e extensão das alterações de difusão. Observou-se redução volumétrica difusa do CC, sendo demonstrada correlação negativa significativa entre DM e DR, e o volume nos segmentos central, médio-posterior e posterior, e, ainda, entre DA e volume do segmento posterior. Nós observamos, ainda, correlação negativa significativa entre o volume e o tempo de epilepsia, e o tempo de doença. CONCLUSÕES: Houve alteração dos parâmetros de DTI em áreas específicas do CC e redução volumétrica difusa desta estrutura. Tais anormalidades parecem ser secundárias à propagação das crises epilépticas ao longo de vias específicas anatômica ou funcionalmente relacionadas aos lobos temporais promovendo alterações secundárias na substância branca cerebral. O histórico de crise febril está relacionado a maior intensidade e extensão de acometimento do CC / INTRODUCTION: Mesial temporal lobe epilepsy (MTLE) with hippocampal sclerosis (HS) is the most common form of focal epilepsy in adults and it is frequently associated with refractoriness to medical treatment. Although epilepsy is considered a grey-matter disease, abnormalities in the temporal and extra-temporal white matter have been identified in these patients with diffusion tensor imaging (DTI). The corpus callosum (CC) is the major white matter tract connecting both cerebral hemispheres and has been implicated as an important route of spread of epileptic activity. The first goal of this study was to detect DTI abnormalities in specific areas of the CC in patients with MTLE-HS and to verify if these abnormalities depend on the laterality of the HS and on the concordance between the magnetic resonance imaging (MRI) and video-electroencephalogram (EEG). As a second goal we assessed if DTI results were correlated with any clinical variable or volumetric changes of the CC. METHODS: 42 patients (age: 20-54 years) and 30 healthy controls (age:18-53 years) were submitted to brain MRI. DTI sequences with 32 gradient encoding directions and volumetric T1-weighted images were obtained. Additionally, we grouped the patients in left sided and right sided HS and in concordant and discordant HS. Mean values of fractional anisotropy (FA), mean diffusivity (MD), axial diffusivity (AD), radial diffusivity (RD) and volumetric results were extracted from five segments at the midsagittal section of the CC obtained through automatic segmentation. Comparisons of DTI parameters of the CC were performed between patients and controls and between subgroups of patients. Correlations between DTI parameters and clinical findings were calculated. We also evaluated volume abnormalities of the CC in MTLE-HS patients and the correlations between these abnormalities and DTI changes. We considered a value of p <0.05 statistically significant. RESULTS: Our study showed that, when HS patients was compared to controls, the FA was lowest in the anterior, mid-posterior and posterior subregions of the CC. MD and RD were higher in these same segments. No changes were observed in AD. No differences in the CC DTI parameters were detected between right-sided HS and left-sided HS or between concordant and discordant HS patients. Age at initial event, age at epilepsy onset, duration of disease, duration of epilepsy, latency period and seizure frequency were not significantly correlated with the DTI parameters. However, patients who had febrile seizures as initial event exhibited greater intensity and extent of DTI changes. All segments demonstrated volume reduction compared to controls. Significant negative correlation was demonstrated between MD and RD and the volume in the central, midposterior and posterior segments of the CC, and between AD and volume of the posterior segment. We also demonstrated negative correlation between volume and duration of disease and duration of epilepsy. CONCLUSIONS: This study showed diffusion abnormalities in specific areas of the CC and diffuse atrophy in patients with unilateral HS, which may be secondary to seizures propagation along specific pathways leading to secondary changes in brain white matter. The history of febrile seizure is related to greater involvement of the CC