Depuis des années, l’imagerie TEP des récepteurs 5-HT1A a permis une compréhension accrue du rôle physiopathologique de ces récepteurs. Toutefois les radiotraceurs actuels ne permettent pas d’évaluer le couplage entre récepteurs 5-HT1A et protéines G, susceptible d’être altéré au cours de pathologies. Les travaux effectués au cours de cette thèse visent à promouvoir l’utilisation de techniques d’imagerie translationnelles pour explorer le couplage des récepteurs 5-HT1A in vivo. La première partie a consisté à évaluer un agoniste des récepteurs 5-HT1A, le F13640, comme potentiel radiotraceur TEP. L’ensemble des résultats suggère que le [18F]F13640 est spécifique des récepteurs 5-HT1A couplés, avec des propriétés inédites par rapport aux radiotraceurs classiques.La deuxième partie a consisté à évaluer l’intérêt de l’imagerie des récepteurs 5-HT1A couplés. Les variations de densité de récepteurs couplés et totaux ont été comparées en autoradiographie postmortem au cours de la maladie d’Alzheimer. La fixation du [18F]F13640 dans l’hippocampe est diminuée dès les premiers stades, tandis que la fixation du [18F]MPPF n’est réduite qu’aux stades avancés. Ces observations démontrent la complémentarité entre traceurs agonistes et antagonistes des récepteurs 5-HT1A en imagerie TEP.La dernière partie s’est focalisée sur le concept d’agonisme biaisé, impliquant la possibilité de cibler différentes populations de récepteurs 5-HT1A en fonction de leur couplage aux protéines G. Le F13640 a été comparé au F15599 à doses pharmacologiques en imagerie TEP et en IRMf. Chez le rat, ces deux agonistes produisent des réponses hémodynamiques et métaboliques différentes. Chez le chat, ils diffèrent également en termes d’occupation des récepteurs et de réponse hémodynamique conséquente. L’ensemble des données est en faveur d’une stimulation préférentielle des récepteurs postsynaptiques par le F15599 par rapport aux autorécepteurs, contrairement au F13640 / Since the 1990s, PET imaging of 5-HT1A receptors has led to an increased understanding of the pathophysiological role of these receptors. However, the coupling between 5-HT1A receptors and G-proteins, which may be altered during pathologies, cannot be explored using current radiotracers. The work carried out in this thesis aims to promote the use of translational imaging techniques to explore the coupling of 5-HT1A receptors in vivo. In the first part, we evaluated the 5-HT1A receptor agonist F13640 as a PET radiotracer candidate. Taken together, the results suggest that [18F]F13640 binds specifically to coupled 5-HT1A receptors and displays novel properties and distribution pattern compared to classical 5-HT1A radiotracers. The second part was a proof-of-concept study regarding the interest of coupled 5-HT1A receptors imaging. Densities of coupled and total receptors were compared in postmortem autoradiography during Alzheimer’s disease. [18F]F13640 binding in hippocampus was decreased in the early stages, whereas [18F]MPPF binding was reduced in the advanced stages only. These results confirm the complementarity between 5-HT1A receptor agonists and antagonist tracers in PET imaging.In the last part we focused on the concept of biased agonism, which implies the possibility of targeting different populations of 5-HT1A receptors depending on their coupling with G-proteins. F13640 and F15599 were compared at pharmacological doses using PET and fMRI imaging. The two agonists produce different hemodynamic and metabolic responses in rat brain. They also differ in cat brain in terms of receptor occupancy and subsequent hemodynamic responses. Taken together, the results are consistent with a preferential stimulation of postsynaptic receptors over autoreceptors for F15599, in contrast with F13640

Certains troubles visuo-moteurs observés dès le stade précoce de la maladie de Parkinson (MP) pourraient être liés à une altération du fonctionnement d’une structure sous-corticale reliée aux ganglions de la base, le colliculus supérieur (CS). L’objectif de cette thèse a été d’explorer l’état fonctionnel du CS chez le patient parkinsonien nouvellement diagnostiqué (de novo) avant et après instauration du traitement dopaminergique, afin d’évaluer son potentiel de biomarqueur. Pour cela, un paradigme expérimental d’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf) a été développé, permettant d’imager avec succès l’activité fonctionnelle du CS et également du corps genouillé latéral (CGL) et de l’aire visuelle primaire V1 et de moduler leur activité via l’emploi de stimulation visuelle jouant sur de très faibles niveaux de contraste (<10%). Un test de psychophysique a également été développé, permettant d’estimer la réponse perceptuelle au contraste. Nous avons dans un premier temps testé notre protocole expérimental auprès de sujets sains d’âge variable afin d’évaluer le fonctionnement de ces trois régions d’intérêt (ROIs) au cours du vieillissement normal et de différencier les effets liés à l’âge de ceux potentiellement liés à la pathologie (Etude 1). Une diminution statistiquement significative de la réponse BOLD au sein du CGL et de V1 avec l’âge a été observée, ces réponses corrélant de plus parfaitement avec les réponses perceptuelles estimées en psychophysique. Les voies magnocellulaire et parvocellulaire semblent jouer un rôle dans cette perte de sensibilité au contraste de luminance liée à l’âge. Nous avons dans un second temps testé notre protocole auprès de patients parkinsoniens de novo avant et après instauration du premier traitement dopaminergique afin d’évaluer les effets de la MP et du traitement sur le fonctionnement de nos ROIs (Etude 2). Une altération précoce du traitement du contraste a été observée au sein du CS et du CGL chez les patients parkinsoniens, non normalisée par l’instauration du traitement dopaminergique. Ces travaux de thèse ont ainsi mis en évidence un déficit fonctionnel du CS et du CGL survenant précocement durant l’évolution de la MP, confirmé par nos analyses de connectivité effective. Ces résultats pourraient favoriser l’identification de déficits liés à un dysfonctionnement sensoriel de ces structures tout comme le développement de tests paraclinique et clinique impliquant ce système pour un diagnostic plus précoce de la maladie. / Some visuo-motor impairments observed in the early stages of Parkinson’s disease (PD) might be related to a dysfunction of a subcortical structure connected to the basal ganglia, the superior colliculus (SC). The aim of this PhD thesis was to explore the functional state of the SC in newly diagnosed (de novo) PD patients before and after dopaminergic treatment intake, in order to evaluate the potential value of the SC functioning as a biomarker. To do this, we developed a functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) experimental protocol, which successfully imaged the SC and also the lateral geniculate nucleus (LGN) and primary visual area V1 functional activity and modulate their activity by using visual stimuli with low luminance contrast levels (<10%). Additionally, we estimated the perceptual response to contrast by using a psychophysical task. We tested in a first time this experimental protocol on healthy subjects with varying age in order to evaluate the effect of normal aging on the functioning of these regions of interest (ROIs) and to distinguish the effects related to age from those potentially related to the pathology (Study 1). A significant progressive decrease of the BOLD amplitude with age was observed in the LGN and V1. These data were consistent with the response functions obtained with the psychophysical task. These results indicate a significant luminance contrast sensitivity decline with age of both the magnocellular and parvocellular pathways. In a second time, we tested our protocol on de novo PD patients before and after the introduction of the first dopaminergic treatment in order to assess the effects of PD and treatment on the ROIs functioning (Study 2). Our results highlighted an early alteration of the contrast processing for the SC and LGN in PD patients, with no normalization after dopaminergic treatment introduction. These findings indicate a functional deficit of the SC and LGN that appears early in the disease course, in line with our effective connectivity analyses. These results could favor the identification of deficits linked to sensory dysfunction of these structures as well as the development of paraclinical and clinical tests involving this system for an early diagnosis of the disease.

De nombreux arguments, issus notamment de la neurophysiologie visuelle, suggèrent que la perception visuelle d'une scène débute par une extraction des différentes fréquences spatiales en suivant une stratégie d'analyse « coarse-to-fine ». L'analyse rapide de l'information grossière en basses fréquences spatiales (BFS) fournirait un aperçu global de la de la scène qui serait, ensuite, affinée par l'analyse plus tardive de l'information fine en hautes fréquences spatiales (HFS). L'objectif de cette thèse est de spécifier les mécanismes neuro-fonctionnels et cognitifs du traitement des fréquences spatiales et des scènes naturelles et leur évolution au cours du vieillissement normal et pathologique. Dans une première étude en IRMf (Expérience 1), nous avons montré la coexistence, au niveau du cortex occipital, d'un traitement rétinotopique et hémisphérique des fréquences spatiales. Par ailleurs, nous avons montré que des régions sélectives aux scènes, au sein du gyrus parahippocampique et du cortex retrosplenial, étaient également impliquées dans le traitement des fréquences spatiales. Dans les études IRMf suivantes (Expériences 2, 3 et 4), nous nous sommes particulièrement intéressés au traitement des fréquences spatiales et à la stratégie d'analyse « coarseto- fine » dans ces régions sélectives. Dans la seconde partie de ces travaux, nous avons montré que la stratégie de catégorisation « coarse-to-fine » observée chez le jeune adulte sain, devenait flexible avec l'âge (Expérience 5). Afin de préciser les interactions rétino-corticales, nous avons étudié les performances de catégorisation de patients atteints de dégénérescence maculaire liée à l'âge, pathologie caractérisée par des lésions de la rétine centrale supposée à l'origine de la voie de traitement des HFS. Nous avons démontré un déficit comportemental (Expériences 6 et 7) du traitement des HFS, associé à une hypoactivité du cortex occipital chez ces patients (Expérience 8). Ces travaux permettent de préciser les mécanismes impliqués dans la perception de scènes. / As suggested by evidence from visual neurophysiology, scene perception could begin by the extraction of different spatial frequencies following a “coarse-to-fine” analysis. The rapid analysis of coarse information in low spatial frequencies (LSF) would provide a global overview of the scene which would then be refined by later analysis of fine information in high spatial frequencies (HSF). The aim of this thesis is to specify the neuro-functional and cognitive mechanisms of spatial frequency and natural scene processing as well as their evolution during normal and pathological aging. In a first fMRI study (Experiment 1), we showed the coexistence of retinotopic and hemispheric processing for spatial frequencies in occipital cortex. In addition, we showed that scene selective regions in the parahippocampal gyrus and retrosplenial cortex were also involved in the processing of spatial frequencies. Therefore, in the following fMRI studies (Experiments 2, 3 and 4), we were particularly interested in spatial frequency processing and "coarse-to-fine" analysis in these selective regions. In the second part of this work, we showed that the “coarse-to-fine” strategy observed in healthy young adults becomes flexible with increasing age (Experiment 5). To clarify the retina-cortex interactions, we studied the categorization performance of patients with age-related macular degeneration. This pathology is characterized by lesions of the central retina, which is thought to be the origin of the visual pathway conveying HSF. We have demonstrated a behavioral deficit (Experiments 6 and 7) of HSF processing linked to hypoactivity of occipital cortex in these patients (Experiment 8). These works clarify the mechanisms involved in scene perception.

L’objectif de cette thèse était d’explorer les bases cognitives et cérébrales des processus de compréhension du langage figuré via l’utilisation d’outils de neuroimagerie (EEG et IRMf). Nous nous sommes particulièrement intéressés aux processus inférentiels sémantiques et pragmatiques. Afin de mieux les cerner, nous avons étudié la compréhension de la métaphore verbale nouvelle (« catapulter ses paroles ») et de l’ironie verbale (« Il est détesté de tous. Cet homme est très populaire. »). Ce choix repose sur l’hypothèse selon laquelle chacune de ces figures sollicite spécifiquement un type de processus inférentiel ; de nature sémantique pour la métaphore et pragmatique pour l’ironie. Conformément à cette hypothèse, nos résultats indiquent que la compréhension des métaphores verbales nouvelles se fonde sur des processus de recherche et d’intégration d’informations sémantiques, supportant l’hypothèse d’un traitement séquentiel. L’examen des bases cérébrales du traitement de ces expressions précédées d’un contexte a mis en évidence des régions cérébrales postérieures, suggérant la mise en œuvre d’un processus de manipulation conceptuelle. Concernant le traitement de l’ironie, nous avons observé un processus tardif d’intégration d’informations plus important pour les énoncés ironiques comparés aux énoncés littéraux, suggérant un traitement pragmatique plus difficile. Enfin, nous avons mis en évidence un réseau fronto-temporal bilatéral lors du traitement de l’ironie, dont une part serait sensible au contraste entre le contexte et l’énoncé et à l’humour des énoncés. Nos résultats sont confrontés aux théories psycholinguistiques et cognitives du traitement du langage figuré. / Our main aim was to assess the cognitive and neural basis of the figurative language processing using neuroimaging tools (EEG and fMRI). We were especially interested in semantic and pragmatic inferential processes. In order to better grasp these processes, we have studies the comprehension of novel verbal metaphor (“to catapult his/her words”) and verbal irony (“Everybody thinks he is foul. He is a very popular man.”). This choice was based upon the hypothesis that each of these figurative expressions specifically engages one of the two inferential processes: semantic for metaphors and pragmatic for irony. Following this hypothesis, our results point out that the comprehension of novel metaphoric expression is built on the research and the integration of a semantic congruent information, supporting a sequential processing hypothesis. The assessment of the cerebral basis of the processing of such expressions embedded in a context has revealed regions in posterior areas, suggesting a conceptual manipulation process. Concerning the irony processing, we observed a greater late integration processing for ironic sentences than literal ones, suggestion a more effortful pragmatic processing. Finally, we observed a fronto-temporal network specific to irony processing. Some part of this network could be involved in both the contrast between the utterance and the context and the humor processing of the sentences. Our results are confronted with psycholinguistic and cognitive theories about figurative language processing.

Les dyscalculie se caractérise par d’importantes difficultés d’apprentissage des maths, malgré une scolarisation adéquat et des capacités intellectuelles dans la norme. Même si ce trouble affecte 3 à 7% des enfants d’âge scolaire, ses causes restent encore peu connues. Il a été proposé que la dyscalculie consiste en un déficit spécifique de représentation des quantités numériques, causé par des anomalies cérébrales au niveau du sillon intra-pariétal (IPS). Cependant, de plus en plus d’études suggèrent que la dyscalculie serait dûe à des atteintes cognitives générales. Cette thèse s’est intéressée au lien entre apprentissage des maths et une forme de raisonnement déductif, à savoir le raisonnement transitif (A>B, B>C donc A>C). Dans une première étude en Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf), nous avons comparé l’activité cérébrale d’enfants dyscalculiques de 9 à 12 ans à celle d’enfants neurotypiques de même âge pendant l’écoute d’histoires comprenant des problèmes transitifs. Dans une seconde étude, nous avons évalué l’amélioration en maths des enfants neurotypiques 1,5 an après la session IRMf. Nous avons déterminé si les mesures cérébrales associées au raisonnement transitif pouvaient prédire l’amélioration en maths. Nous avons mis en évidence l’implication de l’IPS gauche dans le raisonnement transitif chez les enfants neurotypiques mais pas chez les dyscalculiques, qui étaient moins précis pour évaluer les problèmes transitifs. Par ailleurs, les capacités de mémoire de travail étaient corrélées à la performance et à l’activité de l’IPS lors du raisonnement transitif. Enfin, l’activité cérébrale de l’IPS pendant le traitement des problèmes transitifs prédisait l’amélioration en maths chez les enfants neurotypiques. Ces résultats soulignent l’importance du raisonnement transitif pour l’apprentissage des maths et suggèrent qu’un déficit de traitement des problèmes transitifs dans l’IPS pourrait contribuer à la dyscalculie / Children who struggle to learn math despite normal intelligence and adequate schooling may suffer from dyscalculia. Although this learning disability may affect 3-7% of children worldwide, its causes remain poorly understood. Previous research has suggested that dyscalculia was due to a specific deficit in the processing of numerical magnitude that results from neural anomalies to the Intraparietal Sulcus (IPS). However, a growing body of studies has highlighted the domain-general deficits exhibited by children with dyscalculia. The goal of the present thesis was to investigate the neural relationship between math learning and a type of deductive reasoning, namely transitive reasoning (A>B, B>C, therefore A>C). In a first study, we used functional Magnetic Reasonance Imaging (fMRI) to measure brain activity in both typically developing (TD) children and chidren with dyscalculia while they listened to stories that included transitive relations. In a second study, we followed TD children longitudinally and to test whether brain measures of transitive reasoning could predict math improvement. First, the processing of transitive relations was associated with enhanced activity in the left IPS in TD children, but not in children with dyscalculia. Second, children with dyscalculia made more errors when processing transitive relations than TD peers. Third, IPS activity and behavioral performance was correlated with working-memory skill across all participants, suggesting that working memory impairments contribute to impaired transitive reasoning skills. Fourth, math gain in TD children was predicted by brain activity around the IPS during the processing of transitive relations. Therefore, the present findings show that measures of transitive reasoning are associated with math achievement. Our results further suggest that impaired neural processing of transitive relations in the IPS may contribute to math difficulties in dyscalculia

La lutte contre le tabagisme représente un enjeu de santé publique majeur. En France, seules des méthodes déclaratives (questionnaires, entretiens) sont utilisées à ce jour pour étudier l'impact des messages de prévention sur la population. Les neurosciences et les sciences cognitives peuvent pourtant apporter de précieuses informations pour la compréhension des processus attentionnels, émotionnels et mnésiques mis en jeu lorsqu'un individu fumeur est exposé à une campagne de prévention anti-tabac. Depuis 2011, en France, des avertissements sanitaires anti-tabac combinés (comportant une photo et un texte) sont apposés sur tous les paquets de cigarettes. Ces avertissements qualifiés de « chocs » par les médias, peuvent évoquer de la peur ou du dégout chez les individus car certains d'entre eux représentent des pathologies graves dues au tabagisme. L'objectif de ce projet de recherche était d'utiliser les outils des sciences cognitives et des neurosciences afin d'observer le traitement cognitif des avertissements sanitaires combinés actuellement apposés sur les paquets de cigarettes en France. Une première étude a permis d'observer quelles émotions étaient évoquées par les avertissements et si ces émotions impactaient l'attention portée aux avertissements et leur mémorisation chez des fumeurs et des non-fumeurs. Dans un second temps de notre projet, nous avons donc observé grâce à la méthodologie de l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle, si l'exposition à des avertissements sanitaires combinés modulait l'activité cérébrale évoquée chez les fumeurs lors de l'exposition à des stimuli liés au tabac. / Fighting tobacco represents one of the biggest global health challenges for public policymakers. In France, cognitive (neuro)sciences are not used to develop and test anti-tobacco strategies prior to scaling them. However they could provide valuable insights in the understanding of attentional, emotional and memorization processes at play when a person is exposed to strategies aiming at fighting tobacco consumption. Since 2011, France has been using the set of graphic warnings provided by the European Commission in combination to text warning on cigarette packets. In a series of experimental studies, funded by the Ligue Nationale Contre Le Cancer, we used methodology from cognitive sciences (eye-tracking) and functional neuroimaging (fMRI) to investigate processes involved when smokers and non-smokers are exposed to such tobacco warnings. Tobacco warnings used in France may induce disgust or fear because some of them depict body damages caused by tobacco related diseases. In a first study, we observed the relationship between the nature of basic emotions evoked by those warnings in smokers and non smokers and the attentional and memorization processes. In a second study, we tested whether being exposed to tobacco warnings modulates the specific brain activity observed in fMRI when smokers are exposed to tobacco related images, a mechanism involved in “smoking cue reactivity”.

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est un outil de choix pour cartographier d’une manière non invasive l’activité du cortex, donnant ainsi un accès à l’organisation fonctionnelle cérébrale. Cette organisation des aires cérébrales en réseaux complexes reste encore un vaste sujet d’étude, autant dans le domaine de la recherche fondamentale, pour mieux comprendre le développement et le fonctionnement du cerveau, que dans le domaine clinique, à des fins diagnostiques par exemple. Les réseaux cérébraux dits de repos, chez un sujet donné, peuvent être observés lors d’études IRMf lorsqu’aucune tâche motrice ou cognitive n’est imposée au sujet imagé. La première partie de cette thèse a permis le développement d’une méthode automatique d’identification de ces réseaux. Réalisée à l’échelle du sujet, cette méthode permet de sélectionner tous les réseaux spécifiques au sujet ce qui s’avère nécessaire dans un cadre diagnostique où l’individu prime. Au delà de la détection et de l’identification de ces réseaux, l’étude de leurs modes d’interaction dans l’espace et dans le temps et plus généralement l’analyse de la dynamique de la connectivité fonctionnelle (DCF) fait l’objet d’un intérêt grandissant. Cette analyse nécessite le développement de méthodes innovantes de traitement du signal et de l’image qui, pour l’heure, sont encore de nature exploratoire. La deuxième partie de cette thèse présente donc de nouvelles approches pour caractériser la DCF en utilisant le cadre probabiliste de modèles de Markov cachés multidimensionnels. Les mécanismes conversationnels entre réseaux cérébraux peuvent ainsi être identifiés et caractérisés à l’échelle de la seconde. Deux applications, au niveau du sujet puis du groupe, ont permis de mettre en avant les modifications des propriétés dynamiques des interactions entre réseaux sous certaines conditions ou pathologies. / The functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a perfect tool for mapping in a non- invasive manner the activity of the cortex, giving access to the functional organization of the brain. This organization of brain areas into complex networks remains a large topic of study, both from a fundamental research perspective, to better understand the development and function of the brain, and from a clinical perspective, for diagnostic purposes for instance. The resting-state networks in a given subject can be observed in fMRI studies where no motor or cognitive tasks are imposed to the subject. The first part of this thesis focused on the development of an automatic identification method of these networks. Performed at the subject level, this method selects all the resting-state networks proper to the subject. Beyond the detection and identification of these networks, the study of interactions between these networks in space and time, and more generally the analysis of the dynamic functional connectivity (DFC), is the subject of growing interest. This analysis requires the development of innovative methods of signal or image processing that, for now, are still exploratory. The second part of this thesis thus presents new approaches to characterize the DFC using the probabilistic framework of multidimensional hidden Markov models. Conversational mechanisms between brain networks can be identified and characterized at the resolution of the second. Two applications, first on a single subject then on a group, helped to highlight the changes of dynamic properties of interaction between networks under certain conditions or diseases.

L'homme est capable d'utiliser des stratégies ou règles concurrentes selon les contraintes environnementales. Nous étudions un modèle plausible pour une tâche nécessitant l'apprentissage de plusieurs règles associant des stimuli visuels à des réponses motrices. Deux réseaux de populations neurales à sélectivité mixte interagissent. Le réseau décisionnel apprend les associations stimulus-réponse une à une, mais ne peut gérer qu'une règle à la fois. Son activité modifie la plasticité synaptique du second réseau qui apprend les statistiques d'évènements sur une échelle de temps plus longue. Lorsque des motifs entre les associations stimulus-réponse sont détectés, un biais d'inférence vers le réseau décisionnel guide le comportement futur. Nous montrons que le mécanisme de Hebb non-supervisé dans le second réseau est suffisant pour l'implémentation des règles. Leur récupération dans le réseau de décision améliore la performance. Le modèle prédit des changements comportementaux en fonction de la séquence des réponses précédentes, dont les effets sur la performance peuvent être positifs ou négatifs. Les prédictions sont confirmées par les données, et permettent d'identifier les sujets ayant appris la structure de la tâche. Le signal d'inférence corrèle avec l'activité BOLD dans le réseau fronto-pariétal. Au sein de ce réseau, les n¿uds préfrontaux dorsomédial et dorsolatéral sont préférentiellement recrutés lorsque les règles sont récurrentes: l'activité dans ces régions pourrait biaiser les circuits de décision lorsqu'une règle est récupérée. Ces résultats montrent que le mécanisme de Hebb peut expliquer l'apprentissage de comportements complexes en contrôle cognitif. / Depending on environmental demands, humans performing in a given task are able to exploit multiple concurrent strategies, for which the mental representations are called task-sets. We examine a candidate model for a specific human experiment, where several stimulus-response mappings, or task-sets, need to be learned and monitored. The model is composed of two interacting networks of mixed-selective neural populations. The decision network learns stimulus-response associations, but cannot learn more than one task-set. Its activity drives synaptic plasticity in a second network that learns event statistics on a longer timescale. When patterns in stimulus-response associations are detected, an inference bias to the decision network guides successive behavior. We show that a simple unsupervised Hebbian mechanism in the second network is sufficient to learn an implementation of task-sets. Their retrieval in the decision network improves performance. The model predicts abrupt changes in behavior depending on the precise statistics of previous responses, corresponding to positive (task-set retrieval) or negative effects on performance. The predictions are borne out by the data, and enable to identify subjects who have learned the task structure. The inference signal correlates with BOLD activity in the fronto-parietal network. Within this network, dorsomedial and dorsolateral prefrontal nodes are preferentially recruited when task-sets are recurrent: activity in these regions may provide a bias to decision circuits when a task-set is retrieved. These results show that Hebbian mechanisms and temporal contiguity may parsimoniously explain the learning of rule-guided behavior.

Cette thèse d’épistémologie et d’histoire des sciences cognitives est consacrée à son niveau le plus général au problème de l’instrument scientifique, parent pauvre de la réflexion sur l’investigation scientifique, et se concentre à titre particulier sur le développement des techniques d’imagerie cérébrale fonctionnelle et leur introduction dans le domaine cognitif au cours des années 1980-1990. Un choix motivé notamment par la nouveauté et l’importance de ce nouvel instrument, dont l’émergence est régulièrement comparée à celle du télescope au moment de la Révolution scientifique du XVIIe siècle. La première partie est ainsi consacrée à une analyse générale de l’instrument scientifique et des problèmes essentiels qu’il soulève. Elle propose un certain nombre d’hypothèses en réponse, et en examine les enjeux théoriques. La deuxième partie défend une interprétation historique de l’émergence des deux technologies d’imagerie fonctionnelle que sont la tomographie par émission de positons et l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle. En reprenant dans le détail certains éléments d’invention et de diffusion de ces techniques, elle montre notamment l’intrication des procédures de validation des instruments et des divers mécanismes scientifiques et sociétaux qui poussent à les développer puis à les utiliser. A la lumière des analyses théoriques et générales de la première, et sur la base de l’interprétation historique de la seconde, la troisième partie est dédiée à l’examen des implications de ces nouvelles technologies d’imagerie sur l’évolution du champ des sciences cognitives et de la reprise de leurs résultats dans d’autres domaines, tant scientifiques que technologiques ou pratiques. A ce double égard, elle défend la thèse générale que l’introduction de l’imagerie agit beaucoup moins comme un facteur de résolution de certaines questions que comme un facteur de déplacement de la problématique et de l’impact théorique et sociétal des sciences cognitives. / At a general level, this dissertation in philosophy and history of cognitive science is devoted to the underestimated problem of scientific instruments. It is focused on some functional brain imaging techniques introduced in the field of cognitive studies during the 1980’s and 1990’s, the impact of such new technologies being sometimes compared to an instrumental revolution, in a way similar to the impact of the invention of the telescope on post-Galilean astronomy. The first part consists in a philosophical and historical analysis of the notion of scientific instrument. In this regard, some issues are raises and some hypotheses are formulated. The second part presents an interpretation of the historical emergence of Positron Emission Tomography and functional Magnetic Resonance Imaging. Dealing with details of the invention and circulation of those techniques, it shows in particular the entanglement of the validation procedures of instruments with the various scientific and societal mechanisms driving to their development and use. Taking its roots in the general analysis of the first part and the historical interpretation of the second part, the third part looks into the impact of the new functional brain imaging technologies on the evolution of cognitive science and the diffusion of its results in other domains. Concerning both cognitive science and larger aspects, it is argued that brain imaging is less a factor of resolution of specific questions than a factor of shifting in the problematics and the theoretical and societal significance of cognitive science.

Cette thèse a eu pour objectif de contribuer à la compréhension de deux troubles du langage: ceux associés aux troubles du spectre autistique et la dyslexie. Les récentes avancées sur les mécanismes neuraux de segmentation acoustique du signal de parole indiquent le rôle majeur des oscillations qui offrent des fenêtres d'intégration temporelle à l'échelle de la syllabe et du phonème, unités linguistiques ayant un sens. À l'aide d'enregistrements simultanés d'EEG et d'IRM fonctionnelle durant la visualisation d'un film et au repos, nous avons étudié les rythmes corticaux auditifs et leur topographie chez des sujets sains, autistes et dyslexiques. Nous avons montré que les sujets dyslexiques et les sujets autistes montrent une sensibilité atypique à la structure syllabique et à la structure phonémique. L'activité gamma et l'activité thêta ne s'engagent pas de façon synergique dans l'autisme. L'activité thêta dans le cortex auditif gauche échoue à suivre les modulations de l'enveloppe temporelle du signal de parole dans l'autisme et à potentialiser l'activité gamma qui encode les détails acoustiques. Les troubles du langage dans l'autisme résultent d'une altération du couplage des oscillations lentes et rapides, perturbant le décodage neural du signal de parole. Dans la dyslexie, l'activité corticale auditive thêta n'est pas altérée, et l'activité de modulation de l'activité gamma par l'activité thêta préservée, rendant possible le décodage phonémique, bien qu'atypique. Dans les deux pathologies, ces altérations de l'activité oscillatoire dans le cortex auditif entraînent une altération de la connectivité fonctionnelle entre le cortex auditif et les autres aires du langage. / This research aimed to better understand two language disorders : those associated with autism spectrum disorder and dyslexia. Recent advances indicate how cortical collective neural behaviour intervene in speech segmentation and decoding. Cortical oscillations allow integration temporal windows at syllabic (4-7 Hz) and phonemic (25-35 Hz) time scale, resulting in chunking continuous speech signal into linguistically relevant units. We measured slow fluctuations of rhythmic cortical activity and their topography in healthy subjects, in subjects with autism spectrum disorder and in dyslexic subjects using combined fMRI and EEG. We showed that the sensitivity to syllabic and phonemic density is atypical in dyslexia and in autism. In autism gamma and theta activity do not engage synergistically in response to speech. Theta activity in left auditory cortex fails to track speech modulations and to down-regulate gamma oscillations that encode speech acoustic details. The language disorder in autism results from an altered coupling of slow and fast oscillations that disrupts the temporal organization of the speech neural code. In dyslexia, theta activity is not altered and theta-paced readout of gamma activity is preserved, enabling the phonemic decoding, even atypical (faster). In both pathologies, auditory oscillatory anomalies lead to atypical oscillation-based connectivity between auditory and other language cortices.