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Objectif: Cette thèse vise à étudier si l’inhibition de la douleur par l’activation de la mémoire de travail (MT) peut être rehaussée par la Stimulation Transcranienne à Courant Direct (tDCS) chez des volontaires jeunes et des personnes âgées en bonne santé. La MT permet de sélectionner l’information pertinente à une tâche et de diriger l’attention vers l’exécution de cette tâche, permettant ainsi de limiter la capture de l'attention par des distracteurs, incluant la douleur. Cependant, cette inhibition de la capture attentionnelle par la douleur puisqu’il s’agit d’un processus descendant (top-down), peut être diminuée chez les personnes âgées en raison de la réduction des capacités de la MT. La tDCS est une méthode prometteuse à cet égard puisque la stimulation anodale du cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC) gauche permet d’améliorer les capacités de la MT. Méthodes: Cette thèse comporte deux expériences menées sur quarante jeunes adultes (première étude) et quinze personnes âgées (deuxième étude). Les expériences comportent deux séances de tDCS (tDCS anodale et simulée), pendant lesquelles de la douleur et le réflexe nociceptif de flexion étaient évoqués par une stimulation électrique à la cheville, alors que les participants exécutaient une tâche n-back (0-back et 2-back). Le protocole expérimental comportait cinq conditions dont l'ordre a été contrebalancé (0-back, 2- back, douleur, 0-back avec douleur et 2-back avec douleur), et qui ont été réalisées deux fois chacune (avant tDCS et pendant tDCS). Résultats: Les résultats indiquent que la neuromodulation du DLPFC gauche permet d’améliorer l’inhibition de la douleur par la MT, autant chez les jeunes adultes que chez les personnes âgées. Cependant, le réflexe nociceptif de flexion n’a pas été modulé par l’activation de la MT, suggérant que les effets bénéfiques de la tDCS reposent sur des mécanismes supraspinaux indépendants des voies inhibitrices descendantes. Ces études ont permis l'avancement des connaissances sur les interactions entre la cognition, la douleur et l'âge et montrent comment la neuromodulation peut changer ces interactions pour améliorer l'inhibition de la douleur. Ces résultats permettront le développement de protocoles de neuromodulation pour la gestion de la douleur chez les personnes âgées. / Objective: This thesis aimed to examine whether pain inhibition by working memory (WM) engagement can be enhanced by Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) in young and older healthy volunteers. Directing attention away from painful stimuli is under the control of WM that allows the selection of task-relevant information and directing attention towards task execution. However, top-down inhibition of nociceptive activity and pain may be altered in normal aging due to decreased WM. tDCS is a promising method in this regard since anodal tDCS of the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) was shown to improve WM performance. Methods: Two experiments were conducted on forty healthy (first study) and fifteen older volunteers (second study). They participated in two tDCS sessions (sham and anodal tDCS), in which the pain was evoked by electrical stimulation at the ankle. Participants performed an n-back task (0-back and 2-back) while they received random electrical stimulation to produce pain and the nociceptive flexion reflex, an index of spinal nociception. The experimental protocol comprised five counterbalanced conditions (0-back, 2-back, pain, 0-back with pain and 2-back with pain) that were performed twice (pre-tDCS baseline and during tDCS). Results: In both studies, neuromodulation of left DLPFC enhanced pain inhibition by WM. However, the nociceptive flexion reflex was not modulated by WM enhancement suggesting that improvement of pain inhibition by WM using tDCS is supraspinal and independent of descending inhibitory pathways. These studies improve our understanding of the interactions between cognition, pain and age and show how neuromodulation may change these interactions to improve pain inhibition. Findings support the development of neuromodulation protocols for pain management in older persons.

Bien que la douleur soit une expérience subjective universelle, la façon de la percevoir et de l’interpréter est modulée par une multitude de facteurs. Plusieurs interventions cognitives se sont montrées efficaces pour réduire la douleur dans des conditions cliniques et expérimentales. Cette thèse s’intéressera particulièrement aux mécanismes psychophysiologiques impliqués dans les stratégies de modulation volontaire de la douleur. Ces stratégies sont intéressantes puisqu’elles encouragent une prise en charge par l’individu, lui permettant de jouer un rôle actif dans la régulation de sa douleur. La première étude s’intéresse à l’efficacité du biofeedback comme moyen de modulation volontaire de la douleur. Il s’agissait de déterminer si le fait de présenter une rétroaction de l’amplitude du réflex RIII (évoqué par une stimulation électrique du nerf sural) au cours d’un entraînement de plusieurs essais permettrait au participant d’adopter des stratégies de modulation de la douleur et d’activer volontairement des mécanismes de contrôle descendant de la douleur. De façon à évaluer spécifiquement les changements induits par le biofeedback, la modulation du réflexe RIII et de la douleur était comparée dans trois groupes (biofeedback valide, faux biofeedback et groupe contrôle sans rétroaction). Dans les trois groupes, il était suggéré aux participants d’utiliser des stratégies cognitives de modulation de la douleur (attention, modulation de la respiration, réévaluation cognitive et imagerie mentale) afin d’augmenter ou de diminuer leur réflexe RIII comparativement à leur niveau de base. Les résultats de notre étude indiquent que les participants des 3 groupes ont réussi à moduler leur réflexe RIII (p<0,001) ainsi que leurs évaluations de douleur (p<0,001) (intensité et désagrément). Les résultats de notre étude montrent que l’entraînement au biofeedback n’était pas nécessaire pour obtenir une modulation du réflexe RIII et de la douleur, ce qui suggère que l’utilisation de stratégies cognitives pourrait être suffisante pour déclencher des mécanismes de contrôle de la douleur. La deuxième étude découle de la première et s’intéressait à l’influence de la fréquence et de la phase respiratoire sur la nociception spinale, l’activité cérébrale et la perception de douleur. Le contrôle volontaire de la respiration est un moyen commun de régulation des émotions et est fréquemment utilisé en combinaison avec d’autres techniques (ex. : relaxation, méditation) dans le but de réguler la douleur. Les participants étaient invités à synchroniser leur respiration à des indices sonores indiquant le moment de l’inspiration et de l’expiration. Trois patrons de respiration étaient proposés (respiration à 0,1Hz avec une inspiration de 4 secondes, respiration à 0,1Hz avec une inspiration de 2 secondes et respiration à 0,2Hz avec une inspiration de 2 secondes. La moitié des stimulations étaient données durant l’inspiration et l’autre moitié durant l’expiration. Afin d’évaluer l’effet de ces manipulations, l’amplitude du RIII, l’évaluation subjective d’intensité de la douleur et de l’anxiété suscitée par le choc en plus des potentiels évoqués étaient mesurés. Les résultats de cette étude démontrent que les évaluations d’intensité de la douleur n’étaient pas affectées par le patron respiratoire (p=0,3), mais étaient statistiquement plus basses durant l’inspiration comparativement à l’expiration (p=0,02). Un effet de phase (p=0,03) était également observé sur les potentiels évoqués durant la condition de respiration à 0,1hHz avec une inspiration de 2 secondes comparativement au patron de respiration de 0,2Hz. Paradoxalement, l’amplitude du réflexe RIII était augmenté durant l’inspiration (p=0,02) comparativement à l’expiration. Ces résultats montrent que la manipulation de la fréquence et de la phase respiratoires (par une synchronisation imposée) a un effet marginal sur les évaluations de douleur et sur l’activité cérébrale et spinale évoquée par une stimulation électrique (douleur aigüe). Cela suggère que d’autres mécanismes contribuent aux effets analgésiques observés dans la relaxation et la méditation. Plus largement, nos résultats font état de la nécessité d’études plus approfondies avec une méthodologie plus rigoureuse afin de contrôler les effets non spécifiques aux traitements évalués. Une meilleure connaissance des mécanismes sous-tendant chaque stratégie permettrait de mieux cibler les clientèles susceptibles d’y répondre et de mieux considérer le ratio coût bénéfice de chaque traitement. / Although pain is a universal subjective expérience, the way of perceiving and interpreting it is modulated by multiple factors. Several cognitive interventions have proven effective in reducing pain in clinical and experimental conditions. This thesis will focus particularly on psychophysiological mechanisms involved in voluntary strategies of pain modulation. These strategies are relevant because they encourage an individual who suffers from pain conditions, to play an active role in the regulation of pain. The first study examines the effectiveness of biofeedback as a means of voluntary modulation of pain. This allows to determine whether to provide feedback to the amplitude of the RIII-reflex (evoked by electrical stimulation of the sural nerve) during a training induces the participant to adopt strategies for pain modulation and voluntarily activate descending inhibitory control mechanisms of pain. In order to specifically evaluate the changes induced by biofeedback, RIII reflex modulation and pain was compared in three groups (valid biofeedback, sham biofeedback and control group without feedback). In all three groups, participants were encouraged to use cognitive strategies of pain (attention, modulation of breathing, mental imagery and cognitive reappraisal) to increase or decrease their RIII reflex compared to their baseline. The results of our study indicate that the three groups were able to modulate their RIII reflex (p<0.001) as well as their pain évaluation (p<0.001) (intensity and unpleasantness). Biofeedback training was not required to obtain a modulation of the RIII-reflex and pain, suggesting that the use of these strategies may be sufficient to trigger mechanisms of pain control. The second study was interested in the influence of respiratory frequency and phase on spinal nociception, brain activity and perception of pain. Voluntary control of breathing is a common means of regulating emotions, and is frequently used in combination with other techniques (eg, relaxation, meditation) in order to regulate pain. Participants were asked to synchronize their breathing on the cues indicating the time of inspiration and expiration. Three breathing patterns were proposed (breathing at 0.1 Hz with 4 seconds inspiration, breathing at 0.1 Hz with 2 seconds inspiration and breathing at 0.2 Hz with 2 seconds inspiration). Half of stimuli were given during inspiration and the other half during expiration. To assess the effect of these manipulations, the amplitude of the RIII, the subjective evaluation of pain intensity and anxiety elicited by the shock and evoked potentials were measured. The results of this study demonstrate that pain intensity was not affected by the respiratory pattern (p = 0.3), but was statistically lower during inspiration compared to expiration (p = 0.02). A phase effect (p = 0.03) was also observed on evoked potentials during the breathing pattern 0.1 Hz with 2 seconds inspiration compared to the breathing pattern at 0.2 Hz. However, the amplitude of the RIII reflex was increased during inspiration (p = 0.02) compared to expiration. These results show that the manipulation of phase and frequency with paced respiration has a marginal effect on pain and anxiety ratings, as well as on brain activity and spinal nociception evoked by painful electrical stimulation. This suggests that other mechanisms contribute to the analgesic effects of relaxation and meditation. More broadly, our results indicate the need for further studies with more rigorous methodology to control for nonspecific treatment effects evaluated. A better understanding of the mechanisms underlying each strategy would allow a better selection of the treatment as a function of individual differences and cost-benefit ratio associated to each treatment.

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