Neuroplasticity has been researched in many different ways, from the growing neonatal brain to neural responses to trauma and injury. According to recent research, neuroplasticity is also prevalent in the ability of the brain to repurpose areas that are not of use, like in the case of a loss of a sense. Specifically, behavioral studies have shown that deaf humans (Bavalier and Neville, 2002) and cats have increased visual ability, and that different areas of the auditory cortex enhance specific kinds of sight. One such behavioral test demonstrated that the dorsal zone (DZ) of the auditory cortex enhances sensitivity to visual motion through cross-modal plasticity (Lomber et. al., 2010). Current research seeks to examine the anatomical structures responsible for these changes through analysis of excitatory neuron dendritic spine density and spine head diameter. This present study focuses on the examination of DZ neuron spine density, distribution, and size in deaf and hearing cats to corroborate the visual changes seen in behavioral studies. Using Golgi-stained tissue and light microscopy, our results showed a decrease in overall spine density but slight increase in spine head diameter in deaf cats compared to hearing cats. These results, along with several other studies, support multiple theories on how cross-modal reorganization of the auditory cortex occurs after deafening

Thèse réalisée en collaboration avec le Département de neurosciences et pharmacologie de l'Université de Copenhague, Danemark. / La vision est cruciale dans la recherche et l’identification de nourriture. Non seulement elle déclenche le réflexe céphalique de la digestion mais, combinée à l’expérience alimentaire, elle aide à raffiner nos prévisions par rapport aux aliments. En un simple clin d’œil, la vue renseigne sur la disponibilité, l’identité, la comestibilité, les saveurs, les textures et les contenus nutritionnel, calorique et toxique des aliments qui nous entourent. Étant donnée l’importance de la vue dans l’expérience gustative, il est judicieux de se poser la question suivante : Qu’arrive-t-il au goût en absence de vision? Cette thèse répond à cette question par l’étude de cette modalité chez l’aveugle de naissance grâce aux techniques de psychophysique et d’imagerie cérébrale. De plus, les conséquences gustatives de la cécité sont comparées à celles suivant la perte d’un autre sens important dans l’appréciation des aliments, soit l’odorat (anosmie). Les résultats comportementaux démontrent premièrement que l’absence de vision depuis la naissance abaisse la sensibilité gustative, reflétée par des seuils élevés de détection et d’identification des cinq goûts de base (sucré, salé, acide, amer, umami). Deuxièmement, bien que les aveugles congénitaux aient plus de facilité à identifier les odeurs comestibles par leurs narines (voie olfactive orthonasale), ceux-ci perdent leur avantage par rapport aux voyants quand ils doivent identifier ces stimuli placés sur la langue (voie olfactive rétronasale). Les résultats d’imagerie indiquent en outre que les aveugles congénitaux activent moins leur cortex gustatif primaire (insula/opercule) et leur hypothalamus par rapport aux voyants durant une tâche gustative. De plus, l’absence d’activation dans le cortex (« visuel ») occipital chez l’aveugle pointe vers le manque de plasticité intermodale en gustation. Chez les anosmiques congénitaux d’autre part, non seulement l’absence d’odorat diminue l’habileté à reconnaître les goûts mais elle abaisse également la force du signal dans les aires olfactives (ex : cortex orbitofrontal médial) durant une tâche gustative. Les résultats chez l’aveugle contrastent grandement avec les études antérieures soulignant l’amélioration de leurs sens extéroceptifs tels que l’audition, l’olfaction (orthonasale) et le toucher qui font tous intervenir la plasticité intermodale. Par ailleurs, les données chez l’anosmique concordent avec ceux de la littérature indiquant une diminution similaire de la chémosensation trigéminale, laquelle est également associée à un affaiblissement du circuit neural des saveurs. Ceci suggère que le sens du goût ne soit pas utile aux handicapés visuels pour percevoir l’environnement extérieur et ainsi compenser leur perte de vision. De plus, bien que l’odorat participe à l’appréciation de la nourriture en bouche, sa perte n’entraîne pas de compensation sensorielle chez l’anosmique. Prises ensemble, ces données indiquent différents mécanismes d’adaptation suivant la cécité et l’anosmie. Elles soutiennent également le point de vue selon lequel la perception unifiée de goûts et de saveurs inclut non seulement les sens chimiques et le toucher mais également la vision. Considérant l’importance du goût et de l’alimentation dans la qualité de vie, ces résultats encouragent la société tout comme les professionnels de la réadaptation à faciliter l’accès à la nourriture ainsi qu’à l’enseignement culinaire chez les handicapés sensoriels. / Vision is crucial for seeking and identifying food. Not only does it trigger the cephalic digestion reflex but, when combined with the experience of eating, it helps to refine expectations about foods. In a single eye blink, sight informs us about the availability, identity, palatability, flavours, textures as well as nutritional, caloric and toxic contents of foods surrounding us. Given the importance of sight in the gustatory experience, one may therefore ask the following question: What happens to gustation without vision? This thesis answers this question by studying this modality in congenitally blind subjects using psychophysical and brain imaging techniques. Additionally, the gustatory consequences of blindness are compared to those following the loss of another important modality involved in the appreciation of food, i.e. the sense of smell (anosmia). Behavioural results first show that the absence of vision from birth reduces the gustatory sensitivity, as reflected by higher detection and identification thresholds of the five basic tastes (sweet, salty, acid, bitter, umami). Second, although congenitally blind subjects are better at identifying palatable odorant stimuli through their nostrils (orthonasal olfactory route), they lose this advantage over sighted people when identifying these stimuli placed on their tongue (retronasal olfactory route). Neuroimaging results also reveal that congenitally blind subjects activate the primary gustatory cortex (insula/operculum) and the hypothalamus less compared to blindfolded sighted participants. Moreover, the absence of occipital (“visual”) cortex activity in the blind points towards the lack of crossmodal plasticity in gustation. In congenitally anosmics, on the other hand, not only does the absence of smell lower the ability to recognize tastes but it also lowers the strength of the signal in olfactory areas (e.g. medial orbitofrontal cortex) during a gustatory task. The results in the blind greatly contrast with previous studies highlighting the enhancement of their exteroceptive senses such as audition, (orthonasal) olfaction and touch, all of which involve crossmodal plasticity. Moreover, data in the anosmic group are consistent with previous literature describing similar decrease of trigeminal chemosensation that is also associated with a weakening of the flavour neural network. This suggests that the sense of taste is not useful to the visually impaired to perceive their exterior environment and compensate for their lack of vision. Furthermore, although olfaction contributes to the appreciation of foods in the mouth, the lack of this modality does not drive sensory compensation in anosmic subjects. Taken together, these data indicate different adaptation mechanisms following blindness and anosmia. They also support the view according to which the unified perception of tastes and flavours includes not only the chemical senses (taste, smell and trigeminal chemosensation) and touch but also vision. Given the importance of taste and eating experience in quality of life, these results encourage society as well as rehabilitation professionals to facilitate access to foods and culinary lessons in sensory deprived subjects.

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université catholique de Louvain. / Ce travail de thèse s’est intéressé à la plasticité cérébrale associée à la privation/restauration visuelle. A travers deux études transversales utilisant l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle auprès d’un groupe de participants présentant une cécité congénitale ou précoce (ainsi qu’auprès d’un groupe contrôle de participants voyants), nous avons tenté de caractériser la manière dont le cortex occipital - typiquement dédié au traitement de l’information visuelle - se réorganise afin de traiter différents stimuli auditifs. Nous démontrons qu’en cas de cécité précoce, différentes régions du cortex occipital présentent une préférence fonctionnelle pour certains types de stimuli non-visuels, avec une spécialisation fonctionnelle qui respecte celle de régions typiquement impliquées dans le traitement d’informations similaires en vision. Ces découvertes constituent une avancée conceptuelle concernant le rôle joué par les contraintes intrinsèques d’une part, et par l’expérience d’autre part, dans l’émergence de réponses sensorielles et fonctionnelles du cortex occipital. D’une part, l’observation de réponses occipitales à la stimulation auditive chez le non-voyant précoce (réorganisation transmodale) rend compte de la capacité du cortex occipital à réorienter sa modalité sensorielle préférentielle en fonction de l’expérience. D’autre part, l’existence de modules cognitifs spécialisés dans le cortex occipital du non-voyant précoce, semblables à ceux du cerveau voyant, démontre les contraintes intrinsèques imposées à une telle plasticité. Dans une étude de cas longitudinale, nous avons également exploré comment les changements plastiques associés à la cécité interagissent avec une récupération visuelle partielle à l’âge adulte. Nous avons réalisé des mesures pré et post-opératoires auprès d’un patient ayant récupéré la vision, en combinant les techniques comportementales ainsi que de neuroimagerie fonctionnelle et structurelle afin d’investiguer conjointement l’évolution de la réorganisation transmodale et de la récupération des fonctions visuelles à travers le temps. Nous démontrons que les changements structurels et fonctionnels caractérisant le cortex occipital du non-voyant sont partiellement réversibles suite à une récupération visuelle à l’âge adulte. De manière générale, ces recherches témoignent de l’importante adaptabilité du cortex occipital aux prises avec des changements drastiques dans l’expérience visuelle. / The present Ph.D. work was dedicated to the study of experience-dependent brain plasticity associated with visual deprivation/restoration. In two cross-sectional studies involving the use of functional magnetic resonance imaging in a group of participants with congenital or early blindness (and in a control group of sighted participants), we attempted to characterize the way the occipital cortex - typically devoted to vision – reorganizes itself in order to process different auditory stimuli. We demonstrate that in case of early visual deprivation, distinct regions of the occipital cortex display a functional preference for specific non-visual attributes, maintaining a functional specialization similar to the one that characterizes the sighted brain. Such studies have shed new light on the role played by intrinsic constraints on the one side, and experience on the other, in shaping the modality- and functional tuning of the occipital cortex. On the one hand, the observation of occipital responses to auditory stimulation (crossmodal plasticity) highlights the ability of the occipital cortex to reorient its preferential tuning towards the preserved sensory modalities as a function of experience. On the other hand, the observation of specialized cognitive modules in the occipital cortex, similar to those observed in the sighted, highlights the intrinsic constraints imposed to such plasticity. In a longitudinal single-case study, we further explored how the neuroplastic changes associated with blindness may interact with the newly reacquired visual inputs following partial visual restoration in adulthood. We performed both pre- and post-surgery measurements in a sight-recovery patient combining behavioral, neurostructural and neurofunctional methods in order to jointly investigate the evolution of crossmodal reorganization and visual recovery across time. We demonstrate that functional and structural changes evidenced in the visually-deprived occipital cortex can only partially reverse following sight restoration in adulthood. Altogether, our findings demonstrate the striking adaptability of the occipital cortex facing drastic changes in visual experience.