Gesichterkognition ist eine wichtige Fähigkeit für soziale Interaktionen. Obwohl große interindividuelle Unterschiede in der Gesichterkognition festgestellt wurden, gibt es bisher wenige Bestrebungen, diese Fertigkeit zu trainieren. In den vorliegenden Studien habe ich Trainingsverfahren für das Gesichtergedächtnis und die Geschwindigkeit der Gesichterkognition entwickelt und untersucht, welche auf dem Modell von Wilhelm et al. (2010) beruhen. In Studie 1 wurden Trainingseffekte bei gesunden Probanden mittleren Alters behavioral untersucht. Das Training des Gesichtergedächtnisses zeigte einen Trend zur Leistungsverbesserung in der trainierten Aufgabe. Das Training der Geschwindigkeit der Gesichterkognition verkürzte signifikant die Reaktionszeiten in allen Geschwindigkeitsaufgaben der Gesichterkognition, der Objektkognition sowie der mentalen Geschwindigkeit. Daher wird angenommen, dass das Geschwindigkeitstraining eine allgemeine Fähigkeit, komplexe visuelle Stimuli zu verarbeiten, beeinflusst hat. In Studie 2 wurden nach einem Re-Training die psychophysiologischen Grundlagen der trainingsbedingten Veränderungen untersucht. Das Geschwindigkeitstraining verkürzte zwar die Reaktionszeiten im Verlauf des Re-Trainings, jedoch unterschieden sich die beiden Trainingsgruppen nicht im folgenden Posttest. Die Auswertung der ereigniskorrelierten Potentiale wies auf eine Reduktion der strukturellen Repräsentationen aus dem Langzeitgedächtnis zur Erkennung von Individuen (N250r) durch das Geschwindigkeitstraining und auf eine Verstärkung der semantischen Verarbeitung von bekannten Gesichtern (N400) durch das Gedächtnistraining hin. Die vorliegende Arbeit zeigt die Plastizität der Verarbeitungsgeschwindigkeit für komplexe visuelle Stimuli auf. / Face cognition is a crucial skill for social interaction. Large individual differences in face cognition have been shown for healthy adults, suggesting that there might be a need for improvement, yet training of this ability has seldom been attempted. In the present studies, I developed and tested training procedures for face memory and for speed of face cognition, based on the model developed by Wilhelm et al. (2010). In Study 1, training effects were studied with healthy middle-aged participants at the behavioural level. Both training procedures enhanced performance over the course of the training. For facial speed, this improvement was significant as were the faster reaction times on all tasks for facial speed, for object speed, and for general processing speed. Thus, training of facial speed influenced a more general ability to process complex visual stimuli more quickly. Study 2 was conducted to investigate the psychophysiological underpinnings of training effects after a re-training. The facial speed training enhanced performance over the course of the re-training. In the post-test conducted directly after the re-training, the two groups did not differ in reaction times. Results within event-related components suggested that the facial speed training reduced the contributions of structural representations from long-term memory to identity recognition (N250r) and that face memory training enhanced the semantic processing of familiar faces (N400). This dissertation demonstrates the plasticity of the speed of processing complex visual stimuli. The versatility of the results and the limitations of the studies are discussed along with suggestions for future research.

Die Einflüsse von Emotionen auf Informationsverarbeitungsprozesse zählen zu einem der zentralen Aspekte kognitionspsychologischer und neurowissenschaftlicher Forschung. Studien zur Prozessierung affektiver Bilder und emotionaler Gesichtsausdrücke haben gezeigt, daß emotionale Stimuli – vermutlich aufgrund ihrer starken intrinsischen Relevanz für den Organismus – in besonderem Maße Aufmerksamkeit binden und hierdurch einer präferierten und elaborierteren Weiterverarbeitung zugeführt werden. Evidenz zur Aktivierung und Verarbeitung emotionaler Valenz in der visuellen Wortverarbeitung ist hingegen gering und größtenteils inkonsistent. In einer Serie von Experimenten, die in der vorliegenden Arbeit zusammenfassend beschrieben und diskutiert werden, wurde mit Hilfe Ereigniskorrelierter Potentiale (EKPs) versucht, die Effekte emotionaler Valenz von deutschsprachigen Verben innerhalb des Wortverarbeitungsprozesses zu lokalisieren. In den EKPs zeigen sich – hinsichtlich ihrer Latenz und Topographie – dissoziierbare emotionsrelatierte Komponenten, die mit unterschiedlichen Stufen der Verarbeitungsprozesse in Verbindung gebracht werden können. Die Befunde legen nahe, daß die emotionale Valenz von Verben auf einer (post-) lexikalischen Verarbeitungsstufe aktiviert wird. Dieser frühen Registrierung liegen wahrscheinlich domänenunspezifische neuronale Mechanismen zugrunde, die weitestgehend ressourcen- und aufgabenunabhängig wirken. Auf späteren Stufen hingegen scheinen emotions-relatierte Prozesse durch zahlreiche weitere Faktoren beeinflußt zu werden. Die Modulation der Dynamik früher, nicht aber später Emotionsprozessierung durch nicht-valente Kontextinformation sowie in Abhängigkeit der Stimulusdomäne legt einen zeitlich variablen Verarbeitungsprozeß emotionaler Information nahe, der mit streng seriellen Modellen der Informationsverarbeitung nicht vereinbar ist, und möglicherweise der flexiblen Verhaltensanpassung an verschiedene Umweltbedingungen dient. / In recent cognitive and neuroscientific research the influences of emotion on information processing are of special interest. As has been shown in several studies on affective picture as well as facial emotional expression processing, emotional stimuli tend to involuntarily draw attentional resources and preferential and sustained processing, possibly caused by their high intrinsic relevance. However, evidence for emotion effects in visual word processing is scant and heterogeneous. As yet, little is known about at which stage and under what conditions the specific emotional content of a word is activated. A series of experiments which will be summarized and discussed in the following section aimed to localize the effects of emotion in visual word processing by recording event-related potentials (ERPs). Distinct effects of emotional valence on ERPs were found which were distinguishable with regard to their temporal and spatial distribution and might be therefore related to different stages within the processing stream. As a main result, the present findings indicate that the activation of emotional valence of verbs occurs on a (post-) lexical stage. The underlying neural mechanisms of this early registration appear to be domain-unspecific, and further, largely independent of processing resources and task demands. On later stages, emotional processes are modulated by several different factors. Further, the findings of an acceleration of early but not late emotion effects caused by neutral context information as well as by domain-specifity indicate a flexible dynamic of emotional processes which would be hard to account for by strictly serial processing models.

Verhaltensstudien haben gezeigt, dass dynamische besser als statische Emotionsausdrücke erkannt werden. Im Einklang mit dieser dynamischer Vorteil Hypothese, haben fMRT Studien eine erhöhte und ausgedehnte Aktivierung für dynamische Emotionsausdrücke gezeigt. Die vorliegende Dissertation hatte das Ziel, die kognitiven Mechanismen, die den dynamischen Vorteil bedingen, zu klären, beziehungsweise die Spezifität dessen Wirkung für Gesichtsausdrücke der sechs Basisemotionen zu untersuchen. Studie 1 verglich Verhaltensdaten und kortikale Reaktionen zwischen dynamischen und statischen Emotionsausdrücken. Studie 2 behandelte methodischen Fragen des Timings der Stimuli und der neutralen dynamischen Bedingung. Studie 3 überprüfte die Hypothese, dass die Erhöhung der Menge von Bewegungen in den Gesichtsausdrücken die Zuweisung der Aufmerksamkeit erhöhen würde, und verglich die Wirkung in emotionalen und nicht-emotionalen Bewegungen. Study 4 konzentrierte sich auf die Frage der Emotionsspezifität der Hirnaktivierung in der Erkennung von Emotionen. Die Ergebnisse bestätigten einen dynamischen Vorteil in der Klassifizierung von Emotionsausdrücken, vermutlich bedingt durch eine Erhöhung in der visuellen Aufmerksamkeit, und eine Verbesserung der Wahrnehmungsverarbeitung. Außerdem, erhöht sich dieser Effekt mit allmählichem Erhöhen der Stärke der Bewegung in beide emotionalen und neutralen Bedingungen. Solche Effekte sprechen für ein perzeptuellen Bias erhöhte Aufmerksamkeit emotionalen verglichen mit neutralen und dynamischen verglichen mit statischen Gesichtern zuzuweisen. Dieser Effekt war für Freude etwas erhöht und für Überraschung reduziert, aber insgesamt ähnlich für alle Emotionsausdrücken. / Behavioral studies have shown that facial expressions of emotion unfolding over time provide some type of information that benefits the recognition of emotional expressions, in comparison with static images. In line with the dynamic advantage hypothesis, neuroimaging studies have shown increased and wider activation while seeing dynamic expressions. The present dissertation aims to clarify the cognitive mechanism underlying this dynamic advantage and the specificity of this effect for six facial expressions of emotion. Study 1 compared behavioral and brain cortical responses to dynamic and static expressions, looking for psychophysiological correlates of the dynamic advantage. Study 2 dealt with methodological issues regarding the timing of the stimuli and the dynamic neutral conditions. Study 3 tested the hypothesis that increasing the amount of movement in the expressions would increase the allocation of attention, and compared effects of intensity in both emotional and non-emotional movements. Study 4 focused on the question of emotion specificity of brain activation during emotion recognition. Results confirmed a dynamic advantage in the classification of expressions, presumably due to more efficient allocation of attention that improved perceptual processing. The effect increased gradually by augmenting the amount of motion, in both emotional and neutral expressions, indicating a perceptual bias to attend facial movements. The enhancement was somewhat larger for happiness and reduced for surprise, but overall similar for all emotional expressions.

Emotionale Gesichtsausdrücke sind hochrelevante Reize für den Menschen. Es wurde daher angenommen, dass sie von evolutionär bedingten Mechanismen automatisch verarbeitet werden. Bis zu welchem Maße diese Verarbeitung tatsächlich automatisch verläuft ist noch immer kontrovers. Die vorliegende Arbeit schließt an diese Debatte an, indem sie eine spontane Tendenz aufzeigt vor allem bedrohlichen Gesichtsaudrücken vermehrt Verarbeitungsressourcen zuzuweisen, auch dann, wenn sie nur oberflächlich enkodiert werden und Emotionalität irrelevant für die gegebene Aufgabe ist (Studie 1 und 2). Diese Tendenz wurde bezüglich zweier Schlüsselkriterien von Automatizität untersucht, nämlich dem Intentionalitäts- (Studie 3) und dem Auslastungskriterium (Studie 4 und 5); diese nehmen an, dass automatische Verarbeitung unabhängig von der gegebenen Intention des Individuums, beziehungsweise konkurrierender Aufgabenanforderungen verläuft. Anhand ereigniskorrelierter Potenziale (EKPs) konnte gezeigt werden, dass verstärkte perzeptuelle Enkodierung emotionaler Gesichtsausdrücke weitgehend unabhängig von Intention auftrat, wohingegen verstärkte höhere kognitive Verarbeitung davon abhing, ob Reize vertieft verarbeitet wurden (Studie 3). Wurde die Kontrolle über die Gesichtsverarbeitung durch eine konkurrierende Aufgabe beeinträchtigt, während Emotionalität relevant war, so verstärkte dies emotionale Effekte auf der perzeptuellen und frühen, höheren kognitiven Ebene (Studie 4). Ähnliches konnte auch für die perzeptuelle Verarbeitung attraktiver Gesichter beobachtet werden (Studie 5). Hingegen war bei verminderter Kontrolle die verstärkte Enkodierung bedrohlicher Ausdrücke in späten kognitiven Verarbeitungsstufen unterdrückt. Die vorliegenden Befunde sprechen gegen eine Automatisierung affektiver Gesichtsverarbeitung und legen stattdessen nahe, dass biologisch vorbereitete Verarbeitungstendenzen durch aufgabenorientierte Kontrollmechanismen und ihr Zusammenspiel mit Intention moduliert werden. / Emotional facial expressions are highly relevant stimuli in humans. It has thus been suggested that they are processed automatically by evolutionarily in-built mechanisms. However, to which extent such processing in fact arises automatically is still controversial. The current work feeds into this debate by showing a tendency to spontaneously allocate increased processing capacity to emotional, especially threat-related expressions, even when processed merely superficially and emotionality is irrelevant to the task at hand (Study 1 and 2). This bias was further tested with regard to key criteria of automaticity; that is the intentionality (Study 3) and the load-insensitivity criterion (Study 4 and 5) assuming automatic processing to arise irrespective of intention of the individual, and concurrent task demands, respectively. Event-related brain potentials (ERPs) revealed enhanced perceptual encoding of threat-related expressions to remain largely unaffected by intention. In contrast, at the higher cognitive level, enhanced encoding depended on whether stimuli were voluntarily processed more deeply (Study 3). However, when control over face processing was impaired by a concurrent task, while emotionality was deemed relevant, emotion effects were enhanced at both, the perceptual and early higher cognitive level (Study 4). Similar was observed for perceptual encoding of attractive faces (Study 5). In contrast, during late higher cognitive stages of in-depth face processing, enhanced encoding of threat was eliminated when control was reduced (Study 4). The present results speak against full automaticity in affective face processing but suggest that biologically prepared processing biases are modulated by task-oriented control mechanisms and their interplay with intention.

Empathische Reaktionen auf emotionale Gesichtsausdrücke werden vom Alter beeinflusst. In Bezug auf die kognitive Komponente der Empathie wurde eine Einschränkung bei der Erkennung emotionaler Gesichtsausdrücke sowohl für ältere Beobachter als auch für ältere Gesichter berichtet. Manche Studien berichten auch einen Effekt der Alterskongruenz, d.h. eine bessere Erkennung von Emotionen bei der eigenen Altersgruppe. Das erste Ziel der vorliegenden Dissertation war es, Mechanismen, die diesen Effekten zugrunde liegen könnten, zu untersuchen. Das zweite Ziel war es, zu untersuchen, ob auch die affektive Komponente der Empathie vom Alter beeinflusst wird. Studie 1 gibt einen Überblick über frühere Forschungsarbeiten. Studie 2 beschäftigte sich mit der Rolle von altersbezogenen Antwortverzerrungen, d.h. Altersunterschieden bei der Attribuierung bestimmter Emotionen. Effekte des Alters der Beobachter und der Gesichter auf die Erkennung von Trauer waren auf Antwortverzerrungen zurückzuführen. Allerdings trat eine bessere Erkennung von Trauer bei der eigenen Altersgruppe auf, die unabhängig von Antwortverzerrungen war. Studie 3 untersuchte neuronale Prozesse, die diesem Effekt der Alterskongruenz zugrunde liegen könnten. Bei traurigen Gesichtern wurde ein Effekt der Alterskongruenz für späte Verarbeitungsstadien gefunden, der möglicherweise eine höhere Relevanz trauriger Gesichter der eigenen Altersgruppe widerspiegelt. Studie 4 untersuchte, ob auch affektive Reaktionen, gemessen mit Gesichtsmimikry, vom Alter beeinflusst werden. Ältere Beobachter zeigten eine Beeinträchtigung in der Emotionserkennung, nicht jedoch in den affektiven Reaktionen. Insgesamt weisen diese Ergebnisse auf altersbezogene Defizite bei kognitiven und neuronalen Reaktionen hin; allerdings gab es kaum Alterseffekte auf affektive Reaktionen. Also lassen die Ergebnisse insgesamt trotz Schwierigkeiten bei der Emotionserkennung Optimismus bezüglich der intergenerationalen Empathie zu. / Empathic reactions to emotional facial expressions differ according to age. Concerning the cognitive component of empathy, decoding of emotional facial expressions was reported to be impaired both for older observers and older faces. Some studies also reported an own-age advantage, i.e., higher decoding accuracy for the own compared with other age groups. The first aim of the present dissertation was to explore possible mechanisms underlying these age effects. The second aim was to explore whether the affective component of empathy is affected by age as well. Study 1 summarizes previous research. Study 2 explored the role of age-related response bias, that is, age differences in the attribution of specific emotions. It showed that effects of the observers'' and the faces'' ages on decoding sadness were due to age-related response bias. However, an own-age advantage on decoding sadness occurred, which was independent of response bias. Study 3 explored the neurofunctional processes underlying this own-age advantage. It revealed an own-age effect on late processing stages for sadness, which may be due to an enhanced relevance of sad own-age faces. Study 4 explored whether affective responding in terms of facial mimicry is affected by age as well. It revealed an age-related decline in decoding accuracy, but not in affective responding. Taken together, these results suggest age-related deficits in cognitive and neural responses to emotional facial expressions. However, age had little influence on affective responding. Thus, despite difficulties in emotion decoding, these results allow for some optimism regarding intergenerational empathy.

Die Blickrichtung und ihre Richtung sind wichtige nonverbale Hinweise für die Etablierung von sozialen Interaktionen und die Wahrnehmung von emotionalen Gesichtsausdrücken bei anderen. Ob der Blick direkt auf den Betrachter gerichtet ist (direkter Blick) oder abgewendet (abgewandter Blick), beeinflusst unsere soziale Aufmerksamkeit und emotionale Reaktionen. Dies deutet darauf hin, dass Emotionen und Blickrichtung informative Werte haben, die sich möglicherweise in frühen oder späteren Stadien der neurokognitiven Verarbeitung interagieren. Trotz theoretischer Grundlage, der geteilten Signal-Hypothese (Adams & Kleck, 2003), gibt es einen Mangel an strukturierten elektrophysiologischen Untersuchungen zu den Wechselwirkungen zwischen Emotionen und Blickrichtung sowie ihren neuronalen Korrelaten und wie sie sich in verschiedenen Bevölkerungsgruppen unterscheiden. Um diese Lücke zu schließen, verwendete diese Doktorarbeit ereigniskorrelierte Hirnpotentiale (ERPs), um die Reaktionen auf emotionale Ausdrücke und Blickrichtung in einem neuen Paradigma zu untersuchen, das statischen und dynamischen Blick mit Gesichtsausdrücken kombiniert. Es wurden drei verschiedene Populationen untersucht. Studie 1 untersuchte in einer normalen Stichprobe die Amplituden der ERP-Komponenten, die durch die erstmalige Präsentation von Gesichtern und nachfolgende Änderungen der Blickrichtung in der Hälfte der Durchgänge ausgelöst wurden. In Studie 2 wurden aufgrund der atypischen Gesichtsverarbeitung und verminderten Reaktionen auf Augenblick beim Autismus die ERPs und Augenbewegungen bei zwei Stichproben von Kindern mit unterschiedlichem Schweregrad ihrer Autismusmerkmale untersucht. In Studie 3 wurde in einer großen Stichprobe die vermutlich erhöhte Sensitivität bei der Emotionsverarbeitung und Reaktion auf Augenblick bei Müttern im postpartalen Zeitraum mit besonderem Fokus auf die Gesichter von Säuglingen untersucht. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der drei Studien, dass in sozialen Interaktionen die emotionalen Effekte von Gesichtern durch die dynamische Blickrichtung moduliert werden. / The eye gaze and its direction are important and relevant non-verbal cues for the establishment of social interactions and the perception of others’ emotional facial expressions. Gaze direction itself, whether eyes are looking straight at the viewer (direct gaze) or whether they look away (averted gaze), affects our social attention and emotional response. This implies that both emotion and gaze have informational values, which might interact at early or later stages of neurocognitive processing. Despite the suggestion of a theoretical basis for this interaction, the shared signal hypothesis (Adams & Kleck, 2003), there is a lack of structured electrophysiological investigations into the interactions between emotion and gaze and their neural correlates, and how they vary across populations. Addressing this need, the present doctoral dissertation used event-related brain potentials (ERPs) to study responses to emotional expressions and gaze direction in a novel paradigm combining static and dynamic gaze with facial expressions. The N170 and EPN were selected as ERP components believed to reflect gaze perception and reflexive attention, respectively. Three different populations were investigated. Study 1, in a normal sample, investigated the amplitudes of the ERP components elicited by the initial presentation of faces and subsequent changes of gaze direction in half of the trials. In Study 2, based on the atypical face processing and diminished responses to eye gaze in autism, the ERPs and eye movements were examined in two samples of children varying in the severity of their autism traits. In Study 3, In a large sample, I addressed the putatively increased sensitivity in emotion processing and response to eye gaze in mothers during their postpartum period with a particular focus on infant's faces. Taken together, the results from three studies demonstrate that in social interactions, the emotional effects of faces are modulated by dynamic gaze direction.

La nociception est un système d’alarme spécialisé dans la détection d’évènements potentiellement nocifs pour l’organisme. Les informations nociceptives sont traitées en priorité par le cerveau et captent l’attention involontairement (un mécanisme ascendant). Cependant, l’information sensorielle à laquelle nous portons attention volontairement est sélectionnée pour être priorisée (un mécanisme descendant). Ainsi, le traitement de l’information nociceptive est déterminé par une balance attentionnelle résultant de la compétition entre les signaux ascendants et descendants. Or, des situations où plusieurs stimuli nociceptifs ont lieu simultanément se produisent couramment. Mais quels mécanismes permettent au système nerveux central de s’adapter à de telles situations? Cela demeure méconnu à ce jour. L’objectif principal de cette thèse était de mieux comprendre les mécanismes d’intégration cérébrale de l’information nociceptive. Cette thèse inclut quatre études examinant l’intégration cérébrale de l’information nociceptive bilatérale dans différentes conditions expérimentales. Dans ces études, nous avons investigué comment l’intégration de l’information nociceptive est affectée par 1) la latéralisation hémisphérique présumée distincte entre les droitiers et les gauchers, 2) la modalité utilisée pour induire la douleur (stimuli laser sélectifs aux nocicepteurs et stimuli électriques non spécifiques), 3) l’attention spatiale et 4) la proximité des régions corporelles stimulées. Dans chaque étude, au moins vingt participants furent recrutés et reçurent soit des stimuli électriques (étude 1 et 3) ou lasers (étude 2 à 4) douloureux. L’activité du cerveau fut enregistrée avec l’électroencéphalographie. Les stimulations unilatérales et bilatérales furent appliquées sur les chevilles (étude 1) et sur les mains (études 2 à 4). Les variables d’intérêts étaient la perception de la douleur, les potentiels évoqués, et les oscillations cérébrales évoquées entre 2 et 100 Hz. Nos résultats indiquent que l’effet le plus reproductible lors d’une stimulation laser ou électrique bilatérale comparée à une stimulation unilatérale, est une augmentation de l’amplitude des réponses cérébrales (potentiels évoqués et oscillations cérébrales dans certaines bandes de fréquences). De plus, la comparaison entre les gauchers et les droitiers indique que ces effets sont comparables malgré la latéralisation hémisphérique présumée. Par ailleurs, l’augmentation des réponses cérébrales est modulée par la proximité des régions corporelles stimulées. Quant à la perception de la douleur, elle augmente pour les stimuli bilatéraux lorsque ces derniers sont appliqués sur les chevilles ou les mains. Pour les mains, cet effet dépend toutefois de la distance entre les mains et de l’attention spatiale, étant observé seulement lorsque les mains sont rapprochées l’une de l’autre ou lorsque l’attention spatiale est dirigée vers les deux mains plutôt qu’une seule. Ces résultats montrent que l’intégration cérébrale de l’information nociceptive bilatérale est modulable, et nous proposons que l’augmentation des réponses cérébrales lors d’une stimulation bilatérale reflète une augmentation de la saillance et de la capture attentionnelle. Cette intégration et sa modulation par différents facteurs permettraient au système nerveux central de produire des réponses adaptées selon les sources de nociception et la balance attentionnelle. / Nociception is an alarm system specialized in the detection of events that are potentially harmful to the body. Nociceptive processing is prioritized in the brain and is particularly adept at capturing attention automatically and involuntarily (i.e., a bottom-up mechanism). However, the sensory information to which we voluntarily pay attention (a top-down mechanism) is also prioritized. Thus, the processing of nociceptive information is subject to a bottom-up and top-down attentional balance. However, situations where several nociceptive stimuli take place simultaneously are common. The mechanisms that allow the nervous system to manage this attentional balance in such situations remain poorly understood. The main objective of this thesis was to better understand the integration of nociceptive information. This thesis presents four studies examining the cortical integration of bilateral nociceptive stimuli. These studies investigated the role of 1) the hemispherical lateralization of pain that is presumed to be different between left- and right-handed individuals, 2) the modality (a bottom-up mechanism) used to induce pain, 3) spatial attention (a top-down mechanism), and 4) between-limb proximity in the integration of bilateral painful stimuli. In each study, at least twenty participants were recruited and received either painful but tolerable electrical (Studies 1 and 3) or laser (Studies 2 to 4) stimulation. Brain activity was recorded via electroencephalography. Unilateral and bilateral stimulations were delivered to the ankles (Study 1) and to the hands (Studies 2 to 4). The variables of interest were pain perception, evoked potentials (ERP), and event-related spectral perturbations (ERSP) from 2 to 100 Hz. In the first study, the impact of the hemispherical lateralization of pain processing (located mainly in the right hemisphere) on the integration of pain stimuli was examined by comparing left-handed and right-handed participants. In the second study, lasers selectively activating nociceptors were used to study the integration of bilateral nociceptive stimuli specifically. The third study sought to explain the observed discrepancies between laser and electrical modalities in Studies 1 and 2 by comparing these modalities in the same participants and in two separate experiments. The fourth study explored the role of spatial attention and limb proximity in the integration of bilateral nociceptive stimuli. The results show that bilateral painful stimuli led to increases in ERP and some ERSP frequencies compared to unilateral stimuli. These results were similar between left-handed and right-handed people. More variability was noted for laser compared to electrical stimuli with the most reproducible response being an increase in ERP and ERSP. Finally, this increase was modulated by limb proximity. Pain perception was increased for bilateral stimuli to the ankles. It was also increased for bilateral stimuli to the hands, but only when the limbs were in close proximity or when spatial attention was global. These results suggest that bilateral painful stimuli are integrated, which possibly reflects an increase in salience and attentional capture. This would allow the central nervous system to produce adapted responses in the face of increased danger.

Le syndrome du X fragile (SXF) est la première cause héréditaire de déficience intellectuelle et également la première cause monogénique d’autisme. Le SXF est causé par l'expansion de la répétition du nucléotide CGG sur le gène FMR1, ce qui empêche l’expression de la protéine FMRP. L’absence du FMRP mène à une altération du développement structurel et fonctionnel de la synapse, ce qui empêche la maturation des synapses induite par l’activité et l’élagage synaptique, qui sont essentiels pour le développement cérébral et cognitif. Nous avons investigué les potentiels reliés aux événements (PRE) évoqués par des stimulations fondamentales auditives et visuelles dans douze adolescents et jeunes adultes (10-22) atteints du SXF, ainsi que des participants contrôles appariés en âge chronologique et développemental. Les résultats indiquent un profil des PRE altéré, notamment l’augmentation de l’amplitude de N1 auditive, par rapport aux deux groupes contrôle, ainsi que l’augmentation des amplitudes de P2 et N2 auditifs et de la latence de N2 auditif. Chez les patients SXF, le traitement sensoriel semble être davantage perturbé qu’immature. En outre, la modalité auditive semble être plus perturbée que la modalité visuelle. En combinaison avec des résultats anatomique du cerveau, des mécanismes biochimiques et du comportement, nos résultats suggèrent une hyperexcitabilité du système nerveux dans le SXF. / We investigated early auditory and visual information processing in Fragile X Syndrome (FXS), the most common form of X-linked Intellectual Disability (ID) and the only known monogenetic cause of autism. FXS is caused by a trinucleotide repeat expansion in the FMR1 (‘Fragile X mental retardation 1’) gene, which prevents expression of the ‘fragile X mental retardation protein’ (FMRP). FMRP absence leads to altered structural and functional development of the synapse, while also preventing activity-based synapse maturation and synaptic pruning, which are essential for cerebral and cognitive development. We review the contribution of electrophysiological signal studies for the understanding of information processing in FXS and compare event-related potential (ERP) findings to those concerning other clinical populations that share symptoms with FXS. In our research project, we investigated ERPs evoked by basic auditory and visual stimulation in twelve adolescents and young adults (10-22) with FXS, as well as healthy chronological- and developmental- age matched controls. We found an altered ERP profile in FXS, including increased auditory N1 amplitude, relative to both control groups, as well as increased auditory P2 and N2 amplitudes and increased auditory N2 latencies. Rather than being immature, sensory processing appears to be specifically disrupted in FXS. Furthermore, the auditory modality seems to be more affected than the visual modality. In combination with brain anatomical, biochemical and behavioural findings, our results suggest a hyperexcitable nervous system in FXS.

La présente étude s’intéresse aux mécanismes neuronaux qui sous-tendent la rétention en mémoire à court terme auditive (MCTA) en utilisant la technique des potentiels reliés aux événements (PRE). Dans l’Expérience 1, nous avons isolé une composante de PRE, nommée SAN pour « sustained anterior negativity ». La SAN augmentait en amplitude négative plus le nombre de sons à maintenir en MCTA augmentait. Cet effet de charge était présent, bien que la durée totale des stimuli restait la même entre les conditions. L’effet de charge observé par la SAN dans l’Expérience 1 disparaissait dans l’Expérience 2, où les mêmes sons étaient utilisés, mais où la mémorisation de ceux-ci n’était plus requise. Finalement, dans l’Expérience 3, la tâche de MCTA a été effectuée avec et sans suppression articulatoire durant l'intervalle de rétention. L’effet de charge trouvé dans l’Expérience 1 était de nouveau observé, lorsque les participants faisaient la tâche de suppression articulatoire ou non. Ces résultats suggèrent que la SAN reflète l'activité nécessaire pour le maintien des objets acoustiques dans un système de MCTA qui serait distinct de la répétition phonologique. / We studied the neuronal mechanisms that implement acoustic short-term memory (ASTM) for pitch using event-related potentials (ERP). Experiment 1 isolated an ERP component, the sustained anterior negativity (SAN), that increased in amplitude with increasing memory load in ASTM using stimuli with equal duration at all memory loads. The SAN load effect found in Experment 1, when pitch had to be remembered to perform the task, was absent in Experiment 2 using the same sounds when memory was not required. In Experiment 3 the memory task was performed without or with concurrent articulatory suppression during the retention interval, to suppress rehearsal via an articulatory loop. Load-related effects found in Experiment 1 were found again, whether participants engaged in concurrent suppression or not. The results suggest that the SAN reflects activity required to maintain pitch objects in an ASTM system that is distinct from articulatory rehearsal.

L’amusie congénitale est un trouble neurodéveloppemental qui affecte la perception mélodique, malgré une ouïe et une intelligence normale. Un déficit de la discrimination des fines variations de hauteur des sons serait à l’origine de ces difficultés. Les études ayant permis de caractériser les corrélats neuronaux de ce trouble ont mis en lumière des anomalies anatomiques et fonctionnelles du réseau fronto-temporal droit dans l’amusie. Notamment, les processus tardifs et conscients de détection des fines variations de hauteur sonore apparaissent perturbés chez les amusiques, alors que le traitement plus précoce et automatique de ces mêmes variations de hauteur serait normal. À ce jour, la vaste majorité des études sur l’amusie congénitale ont été effectuées auprès d’adultes et nous détenons peu d’informations sur la façon dont ce trouble se manifeste au cours du développement. La présente thèse vise ainsi à caractériser les corrélats comportementaux et neuronaux de l’amusie congénitale chez l’adolescent, pour ensuite explorer les perspectives de réhabilitation de ce trouble neurodéveloppemental. Dans une première étude, nous avons tenté de mieux comprendre comment le cerveau d’adolescents amusiques traite les fines variations de hauteur des sons, tant en ce qui a trait aux processus précoces et automatiques (associés à la composante de potentiel évoqué mismatch negativity; MMN) qu’au niveau du traitement conscient et plus tardif (associé à la composante de potentiel évoqué P300), en comparaison aux contrôles. Nous avons étudié les effets d’un mois d’écoute musicale quotidienne chez ces participants. Une deuxième étude a ensuite été effectuée, afin d’examiner l’impact de trois mois de leçons de guitare sur le traitement des fines variations de hauteur sonore chez des adolescents ii amusiques et leurs témoins. Nous nous sommes intéressés aux effets de cette formation musicale sur diverses composantes des potentiels évoqués, dont la P300 et la MMN. Les résultats de cette thèse révèlent que l’amusie peut se manifester à part entière à l’adolescence. Plus précisément, les adolescents amusiques présentent un profil hautement similaire à celui documenté chez l’adulte, soit une incapacité à détecter consciemment les fines variations de hauteur des sons, associée à l’absence de la composante P300, en dépit d’un traitement précoce et automatique normal tel que reflété par une MMN comparable aux contrôles. En outre, il appert qu’un mois d’écoute musicale quotidienne ne constitue pas une technique de réhabilitation efficace dans l’amusie, dont les manifestations sont demeurées inchangées suite à cette intervention. Par ailleurs, nos résultats révèlent qu’il est possible pour de jeunes amusiques d’apprendre à jouer d’un instrument de musique et que cette formation musicale a le potentiel d’engendrer des phénomènes de plasticité cérébrale prometteurs chez certains d’entre eux. Plus précisément, nous observons l’émergence de la composante P300 associée à une amélioration des capacités de discrimination des fines variations de hauteur chez trois amusiques sur quatre suite à cette intervention. Ces résultats enrichissent notre compréhension de l’amusie et de sa trajectoire développementale, en plus de motiver de futurs travaux de recherche qui pourraient mener au développement d’interventions optimales dans une perspective de réhabilitation de ce trouble neurodéveloppemental. / Congenital amusia is a neurodevelopmental disorder that specifically impairs melodic perception despite normal hearing and intelligence. The disorder is thought to arise from a deficit in perceiving fine-grained pitch changes. Studies that aimed to characterize the neural correlates of congenital amusia have highlighted anatomical and functional anomalies along the right fronto-temporal pathways. Notably, the amusic brain has been shown to perceive fine-grained pitch distinctions at an early and automatic level of processing, but this does not reach higher levels of conscious processing. To date, the majority of research on amusia has been performed with adults and consequently little information has been acquired on how this disorder manifests itself during development. The goal of this thesis is therefore to characterize the behavioral and neural correlates of congenital amusia during adolescence, and then to explore different rehabilitation strategies in an attempt to attenuate the perceptual deficits. In a first study, we documented how amusic adolescents process fine-grained pitch changes using event-related potentials, both in terms of early and automatic processing (as indexed by the mismatch negativity component; MMN) and conscious processing (associated with the P300 component) compared to controls. We also explored the effects of a month of daily music listening among these participants. A second study was then conducted to explore the impact of three months of weekly guitar lessons on fine-grained pitch processing in amusic adolescents and controls. In particular, we investigated the effects of musical training on various evoked-potential components, including the P300 and the MMN. The results show that amusia can be fully expressed in the developing brain with manifestations that are similar to those observed in adults. Specifically, the amusic adolescent brain does not elicit a normal positivity (P300) in response to small pitch changes, while early and automatic processing of these pitch deviations appears normal (as indexed by the MMN). In addition, it appears that a month of daily music listening is not an effective amusia remediation strategy, since all electrophysiological and behavioral manifestations were unchanged following this intervention. Furthermore, we show that it is possible for amusic adolescents to learn to play a musical instrument despite their perceptual deficit and this intervention as the potential to induce promising brain plasticity phenomena for some of them. Specifically, a P300 response elicited by fine-grained pitch changes was seen after three months of guitar lessons in three out of four amusic adolescents. Importantly, the emergence of the P300 was paralleled by an improved perceptual ability to detect fine-grained pitch changes. These findings add to our understanding of congenital amusia and its developmental trajectory, while motivating future research that could lead to the development of optimal interventions to help young people with amusia engage with music.