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

Environ, 2% des enfants de moins de 7 ans sont porteurs d'un strabisme (Williams et al., 2008) entraînant une perturbation de leur système visuel. Dans un premier temps, nous allons étudier les mouvements oculaires pendant la lecture d'un texte et pendant la poursuite d'une cible chez des enfants strabiques et de comparer ces résultats à des enfants non strabiques du même âge. Dans un second temps, nous avons étudié l'équilibre postural en condition de simple et de double tâche, puis nous avons examiné le rôle des informations proprioceptives sur le contrôle postural chez ces enfants. Nous émettons l'hypothèse selon laquelle le déficit visuel des enfants strabiques est à l'origine d'un retard ou d'un mauvais traitement cognitif de l'information visuelle ainsi qu'à l'origine d'un développement moteur modifiés s'appuyant sur d'autres systèmes sensoriels pour compenser leur déficit visuel. Quatre études publiées dans des revues internationales ont été réalisés pour tester ces hypothèses. L'ensemble de ces travaux a été réalisé afin d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes et des interactions entre oculomotricité et contrôle postural chez les enfants strabiques. Ceci permet d'apporter des éléments fondés à l'aide au diagnostic, à la prise en charge rééducative mais aussi chirurgical de ces enfants strabiques. / Approximately 2% of children under 7 years old suffer strabismus (Williams et al., 2008), leading to a deficit in their visuel system. Firstly, we studied eye movements during reading and during smooth pursuit in strabismic children and compared these results to non strabismic age-matched children. Secondly, we studied postural control in both simple and double task, and the role of proprioceptive information on postural control in these children. We hypothesize that visual deficit in strabismic children delayed cognitive processing of visual information, and modified motor development by using other sensory systems to compensate their visual deficit. Four peer reviews were conducted to confirm these assumptions. Taken together, these studies provide a better understanding about mechanisms and interactions between oculomotricity and postural control in strabismic children. These findings allow to bring evidence for improve the diagnosis, rehabilitation treatment and also surgical treatment of strabismic children.

Réalisée en cotutelle avec l'Unité de Formation à la Recherche Lettres Arts et Sciences Humaines - Université Nice-Sophia Antipolis. / La survenue de modifications cérébrales issues du vieillissement normal ou provoquées par la maladie d’Alzheimer entraîne un certain bouleversement de l’attention visuelle sélective, soit la capacité à centrer volontairement les mécanismes de perception sur un stimulus particulier en négligeant les stimuli non pertinents. A ces modifications viennent s’ajouter des phénomènes de réorganisations cérébrales qui peuvent s’illustrer sur l’axe inter-hémisphérique par une réduction de la latéralisation cérébrale dans le vieillissement normal et sur l’axe intra-hémisphérique par un accroissement de l’engagement des régions frontales et préfrontales dans le vieillissement normal et la maladie d’Alzheimer. Toutefois, les mécanismes sur lesquels reposent ces phénomènes de réorganisations cérébrales dans le vieillissement normal et la maladie d’Alzheimer dans le contexte de l’attention visuelle restent peu compris. Ce travail de thèse s’intéresse à la nature de la réorganisation cérébrale dans le vieillissement normal (inter-hémisphérique vs. intra-hémisphérique) en condition d’attention visuelle sélective et s’inscrit dans le modèle de la réserve cognitive afin de préciser la nature des mécanismes sous-jacents de la réorganisation cérébrale (réserve neurale vs. compensation neurale). Concernant la maladie d’Alzheimer, ce travail met l’emphase sur la dynamique inter-hémisphérique et son principal substrat anatomique, le corps calleux, afin d’étudier l’efficience des mécanismes inter-hémisphériques. Dans l’ensemble de cette thèse, le substrat (fonctionnel et anatomique) de la réorganisation cérébrale est étudié en manipulant la complexité, ce qui permet d’identifier le mode d’adaptation face à l’accroissement de la demande cognitive soit, les mécanismes qui permettent de faire face au vieillissement normal et aux troubles de la cognition mais aussi d’étudier l’efficience de ces mécanismes. Le premier chapitre présente l’attention sélective, ses modifications neuro-fonctionnelles et les divers phénomènes de réorganisations cérébrales connus au cours du vieillissement normal et dans la maladie d’Alzheimer. Le cadre théorique dans lequel s’inscrit cette thèse, celui de la réserve cognitive, et la problématique du travail de recherche sont également décrits en fin de chapitre. La recherche effectuée est ensuite rapportée sous forme de 5 chapitres distincts. Enfin, les concepts théoriques évoqués par la revue de la littérature et les résultats des expérimentations font l’objet d’une discussion générale. Le deuxième chapitre de cette thèse (Article 1), visant à effectuer une revue de la littérature concernant les aspects inter-hémisphériques, permet de préciser, pour la première fois dans le domaine, le rôle du couplage inter-hémisphérique des ressources cérébrales dans la réorganisation au cours du vieillissement normal, mais aussi de considérer l’effet du découplage dans la maladie d’Alzheimer. Le troisième chapitre (Article 2) explore les mécanismes de réorganisation cérébrale dans le vieillissement normal face à l’accroissement de la charge attentionnelle au niveau perceptif de l’attention sélective (i.e., appariement perceptuel, A-A). Les résultats montrent un patron de réorganisation intra-hémisphérique chez les âgés, sous-tendu en situation de faible charge attentionnelle (i.e., 3 lettres) par la compensation neurale mais qui se voit associée à l’implication concomitante de la réserve neurale en situation de charge attentionnelle élevée (i.e., 5 lettres). Ce travail montre, par conséquent, une certaine flexibilité dans le déploiement de ces mécanismes qui apparaît modulé par la demande cognitive de la tâche. Le quatrième chapitre (Article 3) examine ces mêmes mécanismes de réorganisation dans le vieillissement normal, dans le même contexte attentionnel en ayant recours à un niveau de charge attentionnelle faible (i.e., 3 lettres) et à un niveau de charge attentionnelle élevé (i.e., 5 lettres), mais à un niveau plus complexe de l’attention sélective du fait qu’il implique une opération d’appariement basée sur le nom de la lettre (i.e., appariement nominatif, a-A). Les résultats montrent une amplification du renversement postéro-antérieur avec l’âge sur l’axe intra-hémisphérique face à l’accroissement de la charge attentionnelle (i.e., 5 lettres), suggérant ainsi que ce renversement est exclusivement lié à l’âge et qu’il repose principalement sur le mécanisme de compensation neurale. Le cinquième chapitre (Article 4) présente deux études dans lesquelles la présentation d’une tâche d’appariement de lettres en champ visuel divisé et l’IRM morphologique du corps calleux ont été couplées. L’objectif de cette étude était d’examiner la relation entre les variations de volume du corps calleux et la dynamique inter-hémisphérique chez des participants âgés atteints de la Maladie d’Alzheimer, de troubles cognitifs légers ou qui connaissent un vieillissement normal. La première étude se situait au niveau perceptuel et concernait 3 groupes de participants (Maladie d’Alzheimer vs trouble cognitif léger vs vieillissement normal). La deuxième étude concernait les participants atteints de trouble cognitif léger et des participants âgés contrôles sains et comportait deux tâches avec deux conditions de complexité chacune, une tâche dans laquelle la complexité varie selon le type de jugement - appariement perceptuel (e.g., A-A) vs. nominatif (e.g., a-A) - et une dans laquelle la complexité varie selon la charge attentionnelle (i.e., 3 lettres vs. 5 lettres). Les mesures IRM correspondent au volume total du corps calleux et à cinq volumes régionaux : C1-Rostrum, Genou et partie antérieure du tronc, C2-partie médiane, C3-partie caudale, C4-Isthme et C5-Splenium. Ces deux études montrent que le volume du corps calleux semble affecter la mise en jeu de l’effet facilitateur du traitement inter-hémisphérique selon l’état cognitif des participants et la nature de la demande cognitive mise en jeu. Cet impact modulateur semble partiellement déterminé dans la maladie d’Alzheimer par les portions plus antérieures du corps calleux (C2) et, via l’ensemble du corps calleux dans le vieillissement normal (C2, C3, C4). En revanche cette modulation semble déficitaire chez les participants atteints de trouble cognitif léger et reliée à une atrophie du corps calleux chez les participants atteints de trouble cognitif léger. Enfin, le chapitre 6 constitue la discussion générale de la thèse. L’ensemble des résultats est résumé et discuté en rapport aux différents modèles de la réorganisation cérébrale, de la réserve cognitive et de la dynamique hémisphérique. / Normal aging and disrupt selective visual attention – the ability to focus perceptual mechanisms on target stimuli by neglecting irrelevant stimuli. These modifications are accompanied by brain reorganization on both interhemispheric (hemispheric asymmetry reduction) and intrahemispheric (posterior-anterior shift) dimensions. However, the mechanisms underlying this brain reorganization in the context of visual attention in normal aging and Alzheimer’s disease remain largely unknown. The goal of this dissertation is to better understand the nature of brain reorganization for visual selective attention, as well as the functional neural changes and the anatomical modification in normal aging and in cognitive impairment in nthe ederly. In normal aging, this research focuses on the nature of the brain reorganization (interhemispheric vs. intrahemispheric) in the context of visual selective attention and based on the cognitive reserve model to differentiate the underlying mechanisms (neural reserve vs. neural compensation). It also focuses on Alzheimer’s disease in the context of interhemispheric dynamics and its main anatomical substrate, the corpus callosum. Throughout this dissertation, the substrate (functional and anatomical) of brain reorganization is examined by manipulating the cognitive demand associated with the tasks to better understand the mechanisms applied to cope with normal aging and cognitive impairment. The first chapter introduces the concepts of selective attention, neurofunctional changes in normal aging and cognitive impairment, and the cognitive reserve model before introducing the present research topic. The second chapter (Article 1) reviews the contribution of hemispheric coupling to the preservation of cognitive abilities with age and its uncoupling in Alzheimer’s disease. In this review, the variable contribution of the adaptive callosal mechanism is discussed with reference to successful aging and Alzheimer’s disease. The third (Article 2) and fourth chapters (Article 3) report studies conducted with functional magnetic resonance imaging (fMRI). The purpose of these studies was to investigate to what extent and how the neural reserve and neural compensation mechanisms contribute to coping with normal aging in two contexts of visual selective attention: simple perceptual processing and more complex naming processing. In both studies, the complexity of processes was also manipulated by varying the attentional load related to the number of stimuli to be processed (low: 3 letters vs. high: 5 letters). The results for the perceptual matching study, reported in the third chapter, support the neural compensation hypothesis of cognitive reserve, as the activations regions underlying task performance differed in the younger and older groups. The older group recruited bilateral frontal superior gyri more than the younger one, as in the PASA (posterior-anterior shift in aging) phenomenon, from the lowest attentional load level. In addition, the elderly were found to use compensation and neural reserve concurrently to cope with increasing attentional load for perceptual processing. The results for the naming matching study, reported in the fourth chapter, indicate a load-dependant PASA, supporting the hypothesis that an enhancement of compensatory mechanism is required for the most complex processing. The fifth chapter (Article 4) presents studies investigating the interhemispheric dynamic, using variants of the letter matching paradigm, where cognitive demand is parametrically varied, along with 3D callosal total and regional volume measured, in individuals with Alzheimer disease and amnestic-mild cognitive impairment as well as age-matched healthy individuals. The results show that the relationship between the corpus callosum volume and the across-field advantage emerges for the lowest cognitive demand level in participants with Alzheimer disease but exclusively at high cognitive demand levels in normal aging; this suggests the existence of an interhemispheric compensation mechanism in Alzheimer disease based on the integrity of the corpus callosum and similar processes to those that allow the normal aging brain to cope with cognitive demand. These mechanisms are deficient in amnestic-mild cognitive impairment individuals in the high attentional load condition, due to callosal atrophy. In chapter six the nature of mechanisms to cope with aging and cognitive impairment is discussed, addressing the two main dimensions of brain reorganization: intrahemispheric and interhemispheric. In normal aging, cerebral reorganization of visual selective attention implies an intrahemispheric PASA phenomenon based on neural compensation. To cope with increased cognitive demand, neural reserve can also be recruited in basic perceptual processing, while the recruitment of compensation mechanisms increases in more complex processing of visual selective attention. Our study suggests that compensation and reserve are flexible, adaptive and deployed according to the cognitive demand and the type of processing required. In cognitive impairment, our study suggests the existence of an interhemispheric compensation mechanism in Alzheimer’s disease based on integrity of the corpus callosum and similar processes to those that allow the normal aging brain to cope with cognitive demand. This study provides evidence that interhemispheric interactions, supported by the corpus callosum, constitute a flexible mechanism that can improve the brain’s ability to handle processing demands and thus may compensate for the neural decline in Alzheimer’s disease in low cognitive demand situations.

En plus de la triade de symptômes caractérisant l’autisme, ce trouble neurodévelopmental est associé à des particularités perceptives et motrices et, au niveau cérébral, par une connectivité atypique entre les différentes régions du cerveau. Au niveau anatomique, un des résultats les plus communs est la réduction du corps calleux. Toutefois, des effets directs de cette altération anatomique sur l’intégrité et l’efficacité du transfert interhémisphérique restent à être démontrés. Pour la présente thèse, trois différentes études investiguent différents aspects du traitement de l’information visuomotrice : le transfert interhémisphérique entre les régions bilatérales motrices et visuelles, la vitesse de traitement perceptif, et les habiletés motrices visuellement guidées. Dans la première étude, le paradigme visuomoteur de Poffenberger a été utilisé pour mesurer le temps de transfert interhémisphérique (TTIH). L’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) et structurale ainsi que l’imagerie de diffusion ont aussi été utilisées pour étudier les réseaux cérébraux impliqués dans la tâche de Poffenberger. Les autistes ont été comparés à un groupe d’individus à développement typique. La deuxième étude avait pour but d’investiguer la vitesse de traitement perceptif en autisme. Dans la troisième étude, deux tâches motrices (Purdue et Annett) ont été utilisées pour examiner la nature et l’importance des déficits moteurs. La tâche de Purdue inclut deux conditions bimanuelles utilisées comme indice additionnel d’intégration interhémisphérique. Dans les études 2 et 3, le groupe d’autistes a aussi été comparé à un groupe d’individus Asperger afin de voir si, et comment, les deux sous-groupes peuvent être distingués en ce qui concerne le traitement visuel et les déficits moteurs. Aucune différence entre les groupes n’a été observée en termes de TTIH. Les résultats de l’étude IRMf révèlent des différences d’activations corticales en lien avec la tâche de Poffenberger. Dans les groupes d’autistes et de typiques, l’efficacité de la communication interhémisphérique était associée à différentes portions du corps calleux (frontales/motrices chez les typiques, postérieures/visuelles chez les autistes). De façon globale, les résultats de cette étude démontrent un patron atypique de transfert interhémisphérique de l’information visuomotrice en autisme, reflétant un rôle plus important des mécanismes visuels dans le comportement sensorimoteur possiblement en lien avec une réorganisation cérébrale. Les résultats des études comportementales 2 et 3 indiquent que les autistes excellent dans la tâche mesurant la vitesse de traitement perceptif alors que les Asperger accomplissent la tâche à des niveaux similaires à ceux des typiques. La nature des déficits moteurs diffère aussi entre les deux sous-groupes; la dextérité et la coordination bimanuelle est affectée chez les individus Asperger mais pas chez les autistes, qui eux sont plus atteints au niveau de la rapidité unimanuelle. Les sous-groupes d’autistes et de syndrome d’Asperger sont caractérisés par des profils cognitifs différents dont les particularités perceptives et motrices font partie intégrante. / In addition to the triad of symptoms characterizing autism, this neurodevelopmental condition is characterized by visual and motor atypicalities and, at the cerebral level, by atypical connectivity between the different brain areas. Anatomically, one of the most replicated finding is a reduction of the corpus callosum. However, evidence of a direct effect of the corpus callosum reductions on integrity and efficiency of interhemispheric transfer is lacking. Three different studies were designed to investigate different aspect of visuo-motor processing: interhemispheric transfer between bilateral motor and visual brain areas, perceptual processing speed, visually guided motor performance. In the first study, the visuo-motor Poffenberger paradigm was used to measure interhemispheric transfer time (IHTT). Structural and functional magnetic resonance imaging (fMRI) and diffusion tensor imaging (DTI) were also used to study the brain networks involved in the Poffenberger task. Autistics were compared to typically developing individuals. The second study investigates whether perceptual processing speed (Inspection Time task) is atypical in autism. In the third study, two visually-guided motor tasks (the Purdue pegboard and Annett peg moving task) were used to verify the nature and magnitude of motor deficits. The Purdue task includes two bimanual conditions used as additional measures of interhemispheric communication integrity. Moreover, in studies 2 and 3, behavioral differences between autistic and Asperger individuals were investigated in order to see if and how the two subgroups can be distinguished in terms of perceptual processing and motor deficits. No group difference was observed in terms of IHTT. The fMRI results reveal a different pattern of cortical activations associated to the Poffenberger task. In the autism and typical groups, the efficiency of interhemispheric communication was associated with different portions of the corpus callosum (frontal/premotor in typicals, posterior/visual in autistics). These results demonstrate an atypical pattern of interhemispheric visuo-motor information transfer, possibly reflecting a more prominent role of visual mechanisms guiding sensorimotor behavior in autism, related to cerebral reorganizations. Results of the behavioral studies indicate that autistics have an excellent visual processing speed while Asperger individuals performed like typicals. Motor impairments also differed between the two subgroups; dexterity and bimanual coordination was impaired in Asperger individuals but not in autistics, who presented more difficulties in unimanual conditions. Autism and Asperger subgroups are characterized by different cognitive profiles in which visual processing and motor deficits are important factors.

La survenue de modifications cérébrales issues du vieillissement normal ou provoquées par la maladie d’Alzheimer entraîne un certain bouleversement de l’attention visuelle sélective, soit la capacité à centrer volontairement les mécanismes de perception sur un stimulus particulier en négligeant les stimuli non pertinents. A ces modifications viennent s’ajouter des phénomènes de réorganisations cérébrales qui peuvent s’illustrer sur l’axe inter-hémisphérique par une réduction de la latéralisation cérébrale dans le vieillissement normal et sur l’axe intra-hémisphérique par un accroissement de l’engagement des régions frontales et préfrontales dans le vieillissement normal et la maladie d’Alzheimer. Toutefois, les mécanismes sur lesquels reposent ces phénomènes de réorganisations cérébrales dans le vieillissement normal et la maladie d’Alzheimer dans le contexte de l’attention visuelle restent peu compris. Ce travail de thèse s’intéresse à la nature de la réorganisation cérébrale dans le vieillissement normal (inter-hémisphérique vs. intra-hémisphérique) en condition d’attention visuelle sélective et s’inscrit dans le modèle de la réserve cognitive afin de préciser la nature des mécanismes sous-jacents de la réorganisation cérébrale (réserve neurale vs. compensation neurale). Concernant la maladie d’Alzheimer, ce travail met l’emphase sur la dynamique inter-hémisphérique et son principal substrat anatomique, le corps calleux, afin d’étudier l’efficience des mécanismes inter-hémisphériques. Dans l’ensemble de cette thèse, le substrat (fonctionnel et anatomique) de la réorganisation cérébrale est étudié en manipulant la complexité, ce qui permet d’identifier le mode d’adaptation face à l’accroissement de la demande cognitive soit, les mécanismes qui permettent de faire face au vieillissement normal et aux troubles de la cognition mais aussi d’étudier l’efficience de ces mécanismes. Le premier chapitre présente l’attention sélective, ses modifications neuro-fonctionnelles et les divers phénomènes de réorganisations cérébrales connus au cours du vieillissement normal et dans la maladie d’Alzheimer. Le cadre théorique dans lequel s’inscrit cette thèse, celui de la réserve cognitive, et la problématique du travail de recherche sont également décrits en fin de chapitre. La recherche effectuée est ensuite rapportée sous forme de 5 chapitres distincts. Enfin, les concepts théoriques évoqués par la revue de la littérature et les résultats des expérimentations font l’objet d’une discussion générale. Le deuxième chapitre de cette thèse (Article 1), visant à effectuer une revue de la littérature concernant les aspects inter-hémisphériques, permet de préciser, pour la première fois dans le domaine, le rôle du couplage inter-hémisphérique des ressources cérébrales dans la réorganisation au cours du vieillissement normal, mais aussi de considérer l’effet du découplage dans la maladie d’Alzheimer. Le troisième chapitre (Article 2) explore les mécanismes de réorganisation cérébrale dans le vieillissement normal face à l’accroissement de la charge attentionnelle au niveau perceptif de l’attention sélective (i.e., appariement perceptuel, A-A). Les résultats montrent un patron de réorganisation intra-hémisphérique chez les âgés, sous-tendu en situation de faible charge attentionnelle (i.e., 3 lettres) par la compensation neurale mais qui se voit associée à l’implication concomitante de la réserve neurale en situation de charge attentionnelle élevée (i.e., 5 lettres). Ce travail montre, par conséquent, une certaine flexibilité dans le déploiement de ces mécanismes qui apparaît modulé par la demande cognitive de la tâche. Le quatrième chapitre (Article 3) examine ces mêmes mécanismes de réorganisation dans le vieillissement normal, dans le même contexte attentionnel en ayant recours à un niveau de charge attentionnelle faible (i.e., 3 lettres) et à un niveau de charge attentionnelle élevé (i.e., 5 lettres), mais à un niveau plus complexe de l’attention sélective du fait qu’il implique une opération d’appariement basée sur le nom de la lettre (i.e., appariement nominatif, a-A). Les résultats montrent une amplification du renversement postéro-antérieur avec l’âge sur l’axe intra-hémisphérique face à l’accroissement de la charge attentionnelle (i.e., 5 lettres), suggérant ainsi que ce renversement est exclusivement lié à l’âge et qu’il repose principalement sur le mécanisme de compensation neurale. Le cinquième chapitre (Article 4) présente deux études dans lesquelles la présentation d’une tâche d’appariement de lettres en champ visuel divisé et l’IRM morphologique du corps calleux ont été couplées. L’objectif de cette étude était d’examiner la relation entre les variations de volume du corps calleux et la dynamique inter-hémisphérique chez des participants âgés atteints de la Maladie d’Alzheimer, de troubles cognitifs légers ou qui connaissent un vieillissement normal. La première étude se situait au niveau perceptuel et concernait 3 groupes de participants (Maladie d’Alzheimer vs trouble cognitif léger vs vieillissement normal). La deuxième étude concernait les participants atteints de trouble cognitif léger et des participants âgés contrôles sains et comportait deux tâches avec deux conditions de complexité chacune, une tâche dans laquelle la complexité varie selon le type de jugement - appariement perceptuel (e.g., A-A) vs. nominatif (e.g., a-A) - et une dans laquelle la complexité varie selon la charge attentionnelle (i.e., 3 lettres vs. 5 lettres). Les mesures IRM correspondent au volume total du corps calleux et à cinq volumes régionaux : C1-Rostrum, Genou et partie antérieure du tronc, C2-partie médiane, C3-partie caudale, C4-Isthme et C5-Splenium. Ces deux études montrent que le volume du corps calleux semble affecter la mise en jeu de l’effet facilitateur du traitement inter-hémisphérique selon l’état cognitif des participants et la nature de la demande cognitive mise en jeu. Cet impact modulateur semble partiellement déterminé dans la maladie d’Alzheimer par les portions plus antérieures du corps calleux (C2) et, via l’ensemble du corps calleux dans le vieillissement normal (C2, C3, C4). En revanche cette modulation semble déficitaire chez les participants atteints de trouble cognitif léger et reliée à une atrophie du corps calleux chez les participants atteints de trouble cognitif léger. Enfin, le chapitre 6 constitue la discussion générale de la thèse. L’ensemble des résultats est résumé et discuté en rapport aux différents modèles de la réorganisation cérébrale, de la réserve cognitive et de la dynamique hémisphérique. / Normal aging and disrupt selective visual attention – the ability to focus perceptual mechanisms on target stimuli by neglecting irrelevant stimuli. These modifications are accompanied by brain reorganization on both interhemispheric (hemispheric asymmetry reduction) and intrahemispheric (posterior-anterior shift) dimensions. However, the mechanisms underlying this brain reorganization in the context of visual attention in normal aging and Alzheimer’s disease remain largely unknown. The goal of this dissertation is to better understand the nature of brain reorganization for visual selective attention, as well as the functional neural changes and the anatomical modification in normal aging and in cognitive impairment in nthe ederly. In normal aging, this research focuses on the nature of the brain reorganization (interhemispheric vs. intrahemispheric) in the context of visual selective attention and based on the cognitive reserve model to differentiate the underlying mechanisms (neural reserve vs. neural compensation). It also focuses on Alzheimer’s disease in the context of interhemispheric dynamics and its main anatomical substrate, the corpus callosum. Throughout this dissertation, the substrate (functional and anatomical) of brain reorganization is examined by manipulating the cognitive demand associated with the tasks to better understand the mechanisms applied to cope with normal aging and cognitive impairment. The first chapter introduces the concepts of selective attention, neurofunctional changes in normal aging and cognitive impairment, and the cognitive reserve model before introducing the present research topic. The second chapter (Article 1) reviews the contribution of hemispheric coupling to the preservation of cognitive abilities with age and its uncoupling in Alzheimer’s disease. In this review, the variable contribution of the adaptive callosal mechanism is discussed with reference to successful aging and Alzheimer’s disease. The third (Article 2) and fourth chapters (Article 3) report studies conducted with functional magnetic resonance imaging (fMRI). The purpose of these studies was to investigate to what extent and how the neural reserve and neural compensation mechanisms contribute to coping with normal aging in two contexts of visual selective attention: simple perceptual processing and more complex naming processing. In both studies, the complexity of processes was also manipulated by varying the attentional load related to the number of stimuli to be processed (low: 3 letters vs. high: 5 letters). The results for the perceptual matching study, reported in the third chapter, support the neural compensation hypothesis of cognitive reserve, as the activations regions underlying task performance differed in the younger and older groups. The older group recruited bilateral frontal superior gyri more than the younger one, as in the PASA (posterior-anterior shift in aging) phenomenon, from the lowest attentional load level. In addition, the elderly were found to use compensation and neural reserve concurrently to cope with increasing attentional load for perceptual processing. The results for the naming matching study, reported in the fourth chapter, indicate a load-dependant PASA, supporting the hypothesis that an enhancement of compensatory mechanism is required for the most complex processing. The fifth chapter (Article 4) presents studies investigating the interhemispheric dynamic, using variants of the letter matching paradigm, where cognitive demand is parametrically varied, along with 3D callosal total and regional volume measured, in individuals with Alzheimer disease and amnestic-mild cognitive impairment as well as age-matched healthy individuals. The results show that the relationship between the corpus callosum volume and the across-field advantage emerges for the lowest cognitive demand level in participants with Alzheimer disease but exclusively at high cognitive demand levels in normal aging; this suggests the existence of an interhemispheric compensation mechanism in Alzheimer disease based on the integrity of the corpus callosum and similar processes to those that allow the normal aging brain to cope with cognitive demand. These mechanisms are deficient in amnestic-mild cognitive impairment individuals in the high attentional load condition, due to callosal atrophy. In chapter six the nature of mechanisms to cope with aging and cognitive impairment is discussed, addressing the two main dimensions of brain reorganization: intrahemispheric and interhemispheric. In normal aging, cerebral reorganization of visual selective attention implies an intrahemispheric PASA phenomenon based on neural compensation. To cope with increased cognitive demand, neural reserve can also be recruited in basic perceptual processing, while the recruitment of compensation mechanisms increases in more complex processing of visual selective attention. Our study suggests that compensation and reserve are flexible, adaptive and deployed according to the cognitive demand and the type of processing required. In cognitive impairment, our study suggests the existence of an interhemispheric compensation mechanism in Alzheimer’s disease based on integrity of the corpus callosum and similar processes to those that allow the normal aging brain to cope with cognitive demand. This study provides evidence that interhemispheric interactions, supported by the corpus callosum, constitute a flexible mechanism that can improve the brain’s ability to handle processing demands and thus may compensate for the neural decline in Alzheimer’s disease in low cognitive demand situations. / Réalisée en cotutelle avec l'Unité de Formation à la Recherche Lettres Arts et Sciences Humaines - Université Nice-Sophia Antipolis.

Traumatic brain injury (TBI) is a leading cause of disability worldwide. Annually, 150 to 200/1,000,000 people become disabled as a result of brain trauma. Axonal degeneration is a critical, early event following TBI of all severities but whether axon degeneration is a driver of TBI remains unclear. Molecular pathways underlying the pathology of TBI have not been defined and there is no efficacious treatment for TBI. Despite this significant societal impact, surprisingly little is known about the molecular mechanisms that actively drive axon degeneration in any context and particularly following TBI. Although severe brain injury may cause immediate disruption of axons (primary axotomy), it is now recognized that the most frequent form of traumatic axonal injury (TAI) is mediated by a cascade of events that ultimately result in secondary axonal disconnection (secondary axotomy) within hours to days. Proposed mechanisms include immediate post-traumatic cytoskeletal destabilization as a direct result of mechanical breakage of microtubules, as well as catastrophic local calcium dysregulation resulting in microtubule depolymerization, impaired axonal transport, unmitigated accumulation of cargoes, local axonal swelling, and finally disconnection. The portion of the axon that is distal to the axotomy site remains initially morphologically intact. However, it undergoes sudden rapid fragmentation along its full distal length ~72 h after the original axotomy, a process termed Wallerian degeneration. Remarkably, mice mutant for the Wallerian degeneration slow (Wlds) protein exhibit ~tenfold (for 2–3 weeks) suppressed Wallerian degeneration. Yet, pharmacological replication of the Wlds mechanism has proven difficult. Further, no one has studied whether Wlds protects from TAI. Lastly, owing to Wlds presumed gain-of-function and its absence in wild-type animals, direct evidence in support of a putative endogenous axon death signaling pathway is lacking, which is critical to identify original treatment targets and the development of viable therapeutic approaches. Novel insight into the pathophysiology of Wallerian degeneration was gained by the discovery that mutant Drosophila flies lacking dSarm (sterile a/Armadillo/Toll-Interleukin receptor homology domain protein) cell-autonomously recapitulated the Wlds phenotype. The pro-degenerative function of the dSarm gene (and its mouse homolog Sarm1) is widespread in mammals as shown by in vitro protection of superior cervical ganglion, dorsal root ganglion, and cortical neuron axons, as well as remarkable in-vivo long-term survival (>2 weeks) of transected sciatic mouse Sarm1 null axons. Although the molecular mechanism of function remains to be clarified, its discovery provides direct evidence that Sarm1 is the first endogenous gene required for Wallerian degeneration, driving a highly conserved genetic axon death program. The central goals of this thesis were to determine (1) whether post-traumatic axonal integrity is preserved in mice lacking Sarm1, and (2) whether loss of Sarm1 is associated with improved functional outcome after TBI. I show that mice lacking the mouse Toll receptor adaptor Sarm1 gene demonstrate multiple improved TBI-associated phenotypes after injury in a closed-head mild TBI model. Sarm1-/- mice developed fewer beta amyloid precursor protein (βAPP) aggregates in axons of the corpus callosum after TBI as compared to Sarm1+/+ mice. Furthermore, mice lacking Sarm1 had reduced plasma concentrations of the phosphorylated axonal neurofilament subunit H, indicating that axonal integrity is maintained after TBI. Strikingly, whereas wild type mice exhibited a number of behavioral deficits after TBI, I observed a strong, early preservation of neurological function in Sarm1-/- animals. Finally, using in vivo proton magnetic resonance spectroscopy, I found tissue signatures consistent with substantially preserved neuronal energy metabolism in Sarm1-/- mice compared to controls immediately following TBI. My results indicate that the Sarm1-mediated prodegenerative pathway promotes pathogenesis in TBI and suggest that anti-Sarm1 therapeutics are a viable approach for preserving neurological function after TBI.