Si les régions cérébrales du langage ont étélargement explorées grâce à l’IRM fonctionnelle (IRMf) et la stimulation électrique directe (SED)peropératoire, leur connectivité reste encore incomplètement documentée. Il n’est pas seulement débattuquels faisceaux de SB contribuent au langage, mais également quelle est leur anatomie précise et leur rôlefonctionnel spécifique. Une meilleure compréhension du connectome du langage est requise pourdiminuer la morbidité postopératoire en neurochirurgie et développer de nouveaux traitements cibléspour la rééducation des aphasies. Notre objectif était de cartographier structurellement etfonctionnellement, in vivo, la connectivité du langage. Dans une première étude préclinique portant sur 2Oadultes sains, nous avons combiné des informations structurelles axonales révélées par la tractographieavec des informations fonctionnelles corticales dérivées de l’IRMf (tâche de lecture compréhensive). Huitfaisceaux de SB ont été explorés —i.e. faisceau arqué, faisceau longitudinal supérieur, faisceau frontooccipitalinférieur, faisceau unciné, faisceau longitudinal inférieur, faisceau longitudinal moyen, faisceauoperculo-prémoteur, faisceau frontal transverse—, dont le rôle fonctionnel a été analysé en recherchantune connexion entre leurs terminaisons corticales et les activations IRMf. Les caractéristiquesanatomiques des faisceaux (i.e. volume, longueur, terminaisons corticales), leurs asymétries interhémisphériqueset leurs variations interindividuelles ont été colligées. Ce protocole a permis deconstruire le connectome du langage et d’étudier en détails son organisation structurelle macroscopique.Dans une seconde partie, ces données ont été transposées à la clinique pour le traitement chirurgical depatients souffrant de tumeurs cérébrales (gliomes) en régions du langage. Pendant la résection tumorale,des images de tractographie intégrées à un système de neuronavigation ont été systématiquementcombinées à la SED au cours d’un test de dénomination orale d’images. Ce protocole opératoire a permisd’optimiser les résultats chirurgicaux en termes de qualité d’exérèse et de préservation du langage, et aconstitué une opportunité unique d’étudier en temps réel les corrélations structure – fonction. Encouplant la localisation anatomique précise où chaque SED a été délivrée —obtenue grâce aux images detractographie naviguées— et la sémiologie des paraphasies induites par la SED —colligée par unorthophoniste présent au bloc opératoire—, nous avons déterminé le rôle spécifique de 5 faisceaux tantcortico-corticaux (faisceau arqué, faisceau fronto-occipital inférieur, faisceau frontal transverse) quecortico-sous-corticaux (fibres prémotrices orofaciales, faisceau fronto-striatal) dans différentes souscomposantesdu langage, i.e. traitement phonologique, traitement sémantique, contrôle moteur,planification articulatoire, contrôle exécutif/cognitif de la réponse verbale. Considérés de façon globale,nos résultats permettent d’envisager une meilleure compréhension de l’organisation anatomofonctionnelledes réseaux cérébraux du langage. Au-delà de l’intérêt scientifique, la possibilité deconstruire le connectome du langage spécifique à chaque individu ouvre la voie vers d’importantesapplications en neurochirurgie, dans une perspective de médecine personnalisée. Aujourd’hui, la chirurgiedes tumeurs cérébrales guidée par l’image. Demain, le développement de nouveaux traitements pour larééducation des aphasies, e.g. la déposition ciblée d’agents pharmacologiques, de cellules souches ou deneuromodulations, interagissant directement avec la connectivité résiduelle épargnée par la lésion. / The langage connectome is defined as the neuronal networks that subserve languagefunctions. Anatomically, it comprises specialized cortical areas and modulatory subcortical areas (i.e. deepgray nuclei and cerebellum), as well as their interconnections trough white matter (WM) fascicles.Although brain regions involved in language have been largely explored thanks to functional MRI (fMRI)and intraoprative electrical stimulation (IES), the underlying WM connectivity is still not mastered. It isnot only unknown which WM fascicles specifically contribute to language, but there is also much debateabout their precise anatomy and the functions they subserve during language processing. Betterunderstanding of the structural and functional organization of the language connectome is requisite toreduce postoperative morbidity in neurosurgery and develop targeted treatments for aphasiarehabilitation. Herein, our objective was to map structurally and functionally, in vivo, the subcorticalconnectivity of language. First, we conducted a preclinical study in 20 healthy subjects, combining DTItractography and fMRI (reading comprehension task) to yield connectivity associated with language. Weexplored 8 WM fascicles that have been proposed as putative candidates for language —i.e. arcuatefascicle, superior longitudinal fascicle, inferior fronto-occipital fascicle, uncinate fascicle, inferiorlongitudinal fascicle, middle longitudinal fascicle, operculopremotor fascicle, frontal aslant tract—, towhich we assigned functionality by tracking their connections to the fMRI-derived clusters. We generateda normative database of anatomical characteristics for each WM fascicle, such as volume, length, corticalterminations and their interhemispheric and interindividual variations. By using this construct, weprovided in explicit details the structural map of the language connectome. Second, this body ofknowledge was transposed to brain tumor surgery. Patients suffering of gliomas located close to languageregions were operated on under local anesthesia (i.e. awake surgery) in order to perform intraoperativelanguage mapping (object naming task). Essential language sites were localized through IES andanatomically characterized thanks to navigated tractography images. This intraoperative protocol allowedmaximum tumor resection while preserving language functions. Furthermore, it gave us a uniqueopportunity to perform reliable, real-time structure – function relationships, determining the role of 5WM fascicles (arcuate fascicle, inferior fronto-occipital fascicle, frontal aslant tract, orofacial premotorfibers, frontostriatal fascicle) in different subcomponents of language, i.e. phonological processing,semantic processing, articulatory planning, motor control and executive/cognitive control of verbalresponse. Globally considered, our results allow a better understanding of the anatomo-functionalorganization of the language network in the human brain. Beyond the scientific interest, the possibility toconstruct the individual (patient-specific) connectome paves the way for major applications inneurosurgery, in the perspective of personalized medicine. Today, the maximum safe resection of braintumors located in eloquent language areas, guided by navigated, multimodal images. Tomorrow, thedevelopment of new treatments for rehabilitation of post-stroke aphasia patients, such as the targeteddelivery of drugs, stem cells, or neuromodulation devices, fitting with the residual functional connectivityspared by the lesion.

L'être humain est pourvu des multiples canaux sensoriels par lesquels il appréhende le monde. Un critère fondamental à notre adaptation est notre capacité à établir des relations entre les différentes informations que nos sens perçoivent. Cette capacité est notamment cruciale dans nos interactions sociales puisque nous devons constamment intégrer en une représentation unifiée les informations visuelles (telles que les visages), auditives (telles que les voix) et verbales (telles que le discours ou le nom) afin de pouvoir identifier nos interlocuteurs. Sachant que le traitement des principales informations qui nous permettent d'identifier les personnes (visages, voix et nom de famille) est sous-tendu par l'activation de régions cérébrales spécifiques et distinctes les unes des autres, la question qui se pose est de savoir comment le cerveau opère pour créer une représentation unifiée des personnes que nous connaissons. Dans la première partie de cette thèse, nous passerons en revue différentes études qui ont tenté de cerner les régions cérébrales impliquées dans le traitement (perception et reconnaissance) de chaque type d'information. Le premier chapitre sera consacré aux corrélats cérébraux du traitement des visages, le second à ceux impliqués dans le traitement des noms propres, le troisième à ceux impliqués dans le traitement des voix. Ces processus seront chaque fois abordés sous l'angle de la neuropsychologie cognitive, de l'imagerie cérébrale fonctionnelle et de l'électrophysiologie. Un quatrième chapitre théorique sera consacré à l'étude des processus associatifs entre ces trois types d'informations, et nous verrons que rares sont les études qui ont directement examiné les activités cérébrales spécifiques à la récupération d'associations entre informations relatives à l'identité des personnes. L'approche expérimentale sera abordée dans la seconde partie de cette thèse. Les quatre études décrites dans cette partie se basent sur les résultats de l'étude de Campanella et al. (2001) qui, par PET-scan, ont examiné les régions cérébrales activées par la récupération d'associations entre visages et noms propres. Utilisant la méthode soustractive, consistant en la soustraction de deux conditions unimodales d'une condition bimodale, ces auteurs ont montré une activation d'un réseau d'aires cérébrales latéralisé dans l'hémisphère gauche et incluant notamment le lobule pariétal inférieur, interprété comme étant une région de convergence multimodale où s'opère l'intégration des différentes informations perçues par les sujets. La méthode soustractive sera utilisée dans toutes les expériences décrites dans cette section. La première étude de cette thèse, utilisant la même méthodologie appliquée à la méthode électrophysiologique des potentiels évoqués, aura pour but d'examiner le décours temporel des activités observées par Campanella et al. (2001). La seconde étude en potentiels évoqués aura pour but d'examiner si les activités observées dans les deux études pré-citées sont spécifiques aux processus associatifs entre visages et noms propres, ou s'ils reflètent des processus plus généraux permettant de lier tout objet visuel à son nom. Les études 3 et 4 viseront quant à elles à définir si le lobule pariétal inférieur gauche est impliqué dans l'intégration de stimulations exclusivement visuelles, ou si il est impliqué dans le « binding » de tout type d'information relative aux personnes, quelle que soit les modalités de présentation. Dans ce cadre, l'étude 3 examinera les corrélats cérébraux impliqués dans la récupération d'associations entre visages et voix. L'étude 4 examinera cette question au moyen de l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle. La dernière partie de cette thèse sera consacrée à l'interprétation de l'ensemble des résultats des 4 expériences décrites précédemment. L'accent y sera mis sur la latence d'apparition des ondes spécifiques aux conditions associatives, apparaissant en même temps que les activités propres au traitement de chaque type d'information, ainsi que sur le rôle du gyrus pariétal inférieur gauche dans l'intégration des représentations des différents attributs par lesquels nous identifions les personnes.

La Teoria della Mente (ToM) capacità di rappresentarsi gli stati mentali propri e altrui e di farvi riferimento per prevedere e spiegare il comportamento proprio e altrui riveste un ruolo fondamentale nelle interazioni sociali per un efficace adattamento all'ambiente. Dopo essere stata a lungo indagata in età evolutiva, recentemente la ricerca sulla ToM ha effettuato uno shifting verso fasi successive del ciclo di vita (età adulta ed età anziana) aprendo un nuovo filone di studio in prospettiva life-span. Oggetto della presente tesi di dottorato è lo studio della ToM in prospettiva life-span con tre obiettivi: (1) studiare l'evoluzione della ToM in età adulta e le sue possibile relazioni con la capacità di decision-making, anch'essa dall'alto valore adattivo; (2) studiare la possibile involuzione della ToM in età anziana in condizioni di normalità e di patologia (mild-Alzheimer's disease); (3) indagare i correlati neurali della ToM con metodiche di neuroimaging (fMRI) in soggetti adulti, anziani sani e anziani clinici (Mild Cognitive Impairment, MCI). Le tre ricerche empiriche condotte nella presente tesi di dottorato hanno consentito di rilevare rispettivamente che: (1) la ToM è altamente implicata nei processi di decision-making in età adulta; (2) la ToM subisce una involuzione nei soggetti anziani clinici sin dai livelli più semplici di tale abilità; (3) i circuiti neurali della ToM inizierebbero a mostrare una parziale deattivazione in soggetti anziani clinici rispetto a soggetti di controllo anziani e adulti. / Theory of Mind (ToM) the ability to meta-represent self and others' mental states and to refer to them to foresee and explain the behaviour plays a crucial role in social interactions to provide a successful adaptation to the environment. After being extensively studied in developmental psychology, the research on ToM has recently undergone a shifting towards other life-ages (adulthood and elderly) thus opening a new field if research in a life-span perspective. The object of this PhD thesis is to study of ToM in a life-span perspective with three goals: (1) to study ToM evolution in adult age and to discover its possible relations with the ability of decision-making, which has a major adaptive role as well; (2) to study the possible decay of ToM in old age in normal and clinical conditions (mild-Alzheimer's disease); (3) to study the neural circuits of ToM with neuroimaging methods (fMRI) in adults, healthy old subjects and clinical old subjects (Mild Cognitive Impairment, MCI). The three empiric researches carried on for this PhD thesis provided the following major findings: (1) ToM is highly involved in decision-making processes in adult age; (2) ToM undergoes a decay in clinical old subjects with onset from very simple levels of this ability; (3) ToM neural circuits seem to show a partial deactivation in clinical old subjects and not in healthy old and adult controls.

The side-effects of chemotherapy treatment are an increasingly important research focus as more cancer patients are reaching survivorship. While treatment allows for survival, it can also lead to problems which can significantly affect quality of life. Cognitive impairments after chemotherapy treatment are one such factor. First presented as anecdotal patient reports, over the last decade empirical evidence for this cognitive concern has been obtained. Much attention has been focused on post-chemotherapy research, yet little attention has been granted to these same patients’ cognition before treatment commences. Breast cancer (BC) patients face many obstacles before chemotherapy treatment such as: surgery and side-effects of anesthesia, increased cytokine activity, stress of a new disease diagnosis and upcoming challenges, and emotional burdens such as depression and anxiety. Many of these factors have independently been shown to affect cognitive abilities in both healthy populations as well as other patient groups. Therefore, the pre-treatment (or baseline) BC patient status warrants systematic study. This would then reduce mistakenly attributing carried-over cognitive deficits to side effects of chemotherapy. As well, it is possible that certain confounding variables may have neural manifestations at baseline that could be exacerbated by chemotherapy agents. The following thesis first presents a review paper which critically describes the current literature examining chemotherapy-related cognitive impairments (CRCIs), as well as possible confound variables affecting this population. Subsequently, three original research papers present pre-chemotherapy data showing significant neuroanatomical and neurofunctional differences in BC patients compared to controls. In particular, these neural differences are present in brain regions that have been reported in post-chemotherapy papers. This, as well as the effects of variables such as the number of days since surgery, depression and anxiety scores and more, support the initiative that research attention should increase focus on these patients at baseline in order to better understand their post-chemotherapy results.

The side-effects of chemotherapy treatment are an increasingly important research focus as more cancer patients are reaching survivorship. While treatment allows for survival, it can also lead to problems which can significantly affect quality of life. Cognitive impairments after chemotherapy treatment are one such factor. First presented as anecdotal patient reports, over the last decade empirical evidence for this cognitive concern has been obtained. Much attention has been focused on post-chemotherapy research, yet little attention has been granted to these same patients’ cognition before treatment commences. Breast cancer (BC) patients face many obstacles before chemotherapy treatment such as: surgery and side-effects of anesthesia, increased cytokine activity, stress of a new disease diagnosis and upcoming challenges, and emotional burdens such as depression and anxiety. Many of these factors have independently been shown to affect cognitive abilities in both healthy populations as well as other patient groups. Therefore, the pre-treatment (or baseline) BC patient status warrants systematic study. This would then reduce mistakenly attributing carried-over cognitive deficits to side effects of chemotherapy. As well, it is possible that certain confounding variables may have neural manifestations at baseline that could be exacerbated by chemotherapy agents. The following thesis first presents a review paper which critically describes the current literature examining chemotherapy-related cognitive impairments (CRCIs), as well as possible confound variables affecting this population. Subsequently, three original research papers present pre-chemotherapy data showing significant neuroanatomical and neurofunctional differences in BC patients compared to controls. In particular, these neural differences are present in brain regions that have been reported in post-chemotherapy papers. This, as well as the effects of variables such as the number of days since surgery, depression and anxiety scores and more, support the initiative that research attention should increase focus on these patients at baseline in order to better understand their post-chemotherapy results.

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Dans la population générale plusieurs études ont démontré que les hommes ont, par comparaison aux femmes, de meilleures performances dans les tâches de rotation mentale à trois dimensions. A l’aide de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle, on a pu observer que l’exécution de cette tâche de rotation mentale s’accompagnait d’une activation du cortex pariétal chez l’homme mais du cortex prefrontal chez la femme. Ces différences entre les deux sexes suggèrent un fonctionnement neuronal différent dans l’appréhension des habiletés cognitives et comportementales. De fait, de nombreuses études ont signalé des différences notables entre les deux sexes quant à leur fonctionnement cérébral tant sur le plan émotionnel que de leurs habiletés visuo spatiales. La schizophrénie est un trouble grave et persistant de la santé mentale dont l’origine est certes multifactorielle et dont les facteurs de protection sont partiellement biologiques, psychologiques et sociales. Cette maladie requiert une approche thérapeutique à la fois clinique médicamenteuse, psychologique et sociale visant à une réintégration des malades dans leur communauté. Le pronostic de cette maladie varie en fonction du sexe ainsi que les atteintes neurologiques, neuropsychologiques et socioculturelles. Il est donc surprenant que l’exploration des mécanismes neuronaux sous-tendant les anomalies fonctionnelles cognitivo-comportementales n’ait point, en schizophrénie, adressé à date la fonctionnalité différente de l’homme et de la femme. Une étude pilote, réalisée dans mon laboratoire d’accueil, ayant suggéré chez le schizophrène, lors du traitement cognitif de stimuli émotionnels, une altération du dimorphisme sexuel observé dans la population normale, il devenait impératif de confirmer ces observations. Ce mémoire vise à vérifier par résonnance magnétique fonctionnelle l’activité neuronale cérébrale témoignant de la performance neuropsychologique de schizophrènes des deux sexes et de la comparer à celle de sujets témoins sains appareillés pour l’âge, la dominance hémisphérique et le statut familial socio-économique. A cette fin, nous avons enregistré, lors d’une tâche de rotation mentale à trois dimensions, les variables neurocognitives traduisant la validité des réponses ainsi que leur rapidité d’exécution. Simultanément, nous avons enregistré, par résonnance magnétique fonctionnelle, les sites d’activation cérébrale ainsi que leur degré d’activation corticale. Les données expérimentales, neurocognitives et cérébro-fonctionnelles, furent analysées en comparant les deux sexes d’une part et les deux états de santé d’autre part. Les résultats de ce mémoire ont fait l’objet de deux articles qui sont inclus. Les résultats obtenus confirment l’hypothèse d’un dimorphisme homme/femme dans la population générale ainsi que chez le schizophrène. Ces résultats appuient aussi l’hypothèse de l’altération, chez le schizophrène, du dimorphisme observé dans la population générale. / Sex differences in visuo-spatial abilities have been well documented in the general population, but there are only a few reports in schizophrenia. The purpose of the present study was to examine potential sex differences in performance and pattern of brain activations during mental rotation in schizophrenia patients relative to control participants. First study: ¬Reports mainly the results of mental rotation behavioural data, collected from 17 men and 13 women with schizophrenia and the same number of healthy subjects matched for age and sex. The findings revealed the expected sex difference in the control participants (men faster and more accurate than women) and the unexpected reversal of normal sexual dimorphism in patients (women more accurate and faster than men). Second Study: Reports mainly fMRI results investigating the neural correlates of mental rotation in men and women with schizophrenia relative to healthy controls. Thirty three schizophrenia patients (17 women and 16 men) were compared to thirty five healthy control participants (17 women and 18 men), while performing a classic mental rotation of 3-D figures. BOLD echo planar images were acquired on a 3Tesla Siemens TRIO system. Analyses were performed using SPM5 (UK Welcome Institute). Behavior data revealed a diagnosis-by-sex interaction with healthy men (HM) performing significantly better than schizophrenia men (SZ-M), and no significant difference between healthy women (HW) and schizophrenia women (SZ-W). fMRI results revealed that overall similar pattern of extensive cerebral activations (in the parietal and the prefrontal cortices) in HM and SZ-W, and deactivation during performance of the mental rotation task versus control task. In contrast, both HW and SZ-M showed much more restricted activations and deactivations in these regions. The whole of these results suggests that sex differences in the cerebral activations during mental rotation in schizophrenia patients deviates from what we and others have observed in the general population and thus supports and extends existing evidence of a disturbed cerebral sexual dimorphism in schizophrenia. Moreover, the results emphasize the importance of including sex as a variable in neurocognitive and neuroimaging studies of schizophrenia.

Women exhibit greater habituation to painful stimuli than men. The neural mechanism underlying this sex difference is unknown. However, pain habituation has been associated with pain-evoked activity of the subgenual anterior cingulate cortex (sgACC), implicating a connection between the sgACC and the descending pain antinociceptive system. Therefore, the thesis hypothesis was that women have stronger connectivity than men between the sgACC and the descending antinociceptive system. Healthy subjects provided informed consent. 3T MRI images included anatomical diffusion-weighted imaging for structural connectivity analyses (SC) with probabilistic tractography and resting-state functional images for functional connectivity (FC) analyses. Women had stronger sgACC FC with nodes of the descending pain modulation system (raphe, PAG) and the medial thalamus. In contrast, men had stronger sgACC FC with nodes of the salience/attention network (anterior insula, TPJ) and stronger sgACC SC with the hypothalamus. These findings implicate a mechanism for pain habituation and its associated sex differences.

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Compte tenu de l ’importante augmentation de l ’espérance de vie de la population générale observée dans les dernières décennies, les études portant sur les modifications des fonctions cognitives lors du vieillissement normal et pathologique se révèlent d'un grand intérêt. Les résultats rapportés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension de la nature des modifications avec l ’âge du traitement du sens métaphorique des mots et du phénomène de réorganisation fonctionnelle sous-tendant ces processus. Après une revue de littérature (chapitre 1), un premier article définissant la problématique générale du traitement du langage lors du vieillissement normal inaugure la série de travaux présentés dans cette thèse. Cet article, présenté dans le chapitre 2, confirme l ’importance du développement d ’études spécifiques permettant de faire le lien entre les différentes hypothèses portant sur les changements cognitifs propres au vieillissement normal et celles portant sur les changements propres au substrat neurobiologique du langage. Le chapitre 3 présente une étude comportementale ayant pour objectif d ’évaluer la disponibilité des ressources attentionnelles pour le traitement phonologique et sémantique des mots ainsi que son évolution possible avec l ’âge. Les conclusions tirées de cette étude vont dans le sens d ’une restriction des ressources attentionnelles particulièrement pour le traitement du sens métaphorique des mots lors du vieillissement normal. Le chapitre 4 présente une étude en neuroimagerie fonctionnelle. Cette étude a été réalisée afin de comparer les profils d'activation cérébrale des participants jeunes et âgés lors du traitement du sens métaphorique des mots. Les résultats obtenus soulignent qu ’autant pour les participants jeunes que pour les participants âgés, le traitement du sens métaphorique des mots pourrait imposer au cerveau le partage des ressources attentionnelles. Néanmoins, ils montrent une réorganisation fonctionnelle chez les participants âgés. L ’ensemble des travaux présentés appuie l ’hypothèse d ’une attribution différentielle des ressources attentionnelles ainsi que celle d ’une réorganisation fonctionnelle chez les participants âgés pour le traitement du sens métaphorique des mots. Les résultats viennent enrichir la compréhension des modèles neurocognitifs du vieillissement en ce qui concerne l ’évolution des bases neurobiologiques du langage. / Given the significant increase in life expectancy of the general population observed in recent decades, the study of alterations in cognitive functions during normal and pathological ageing is of great importance. The results reported in this thesis contribute to a better understanding of the nature of the age-related changes on processing metaphoric meaning of words and the phenomenon of functional reorganization underlying these processes. After a brief literature review (chapter 1), a first article offering a general view of the problem of language processing in normal aging introduces the series of studies presented in this thesis. This article, presented in Chapter 2, points out the importance of developing specific protocols aiming to establish a link between the different hypotheses concerning cognitive changes during normal aging and those related to changes in neurobiological substrate of language. Chapter 3 presents a behavioural study aiming to assess the availability of attentional resources for the phonological and semantic processing of words and its possible evolution with age. The findings of this study are consistent with the idea of an age- related restriction of available attentional resources for the processing of metaphorical meaning of words. Chapter 4 presents a neuroimaging study. This study was conducted to compare patterns of brain activation of young and older participants during the processing of metaphoric meaning of words. The results emphasize that both, younger and older participants, require the sharing of attentional resources during processing metaphorical meaning of words, but show a functional reorganization in the older group. Taken together, the studies presented here support the hypothesis of an age-related restriction of available attentional resources and of an age-related functional reorganization for the processing of metaphorical meaning of words. The results enrich our understanding of neurocognitive aging models regarding the evolution of neurobiological bases of language.