Les Troubles Obsessionnels Compulsifs (TOC) sont composés de compulsions, qui sont des comportements répétés, et d'obsessions, qui sont des pensées intrusives. Leurs impacts sur le fonctionnement socio-professionnel handicapent et isolent considérablement les patients. Les traitements efficaces pour ces patients sont médicamenteux ou les thérapies cognitives et comportementales. Néanmoins, un nombre élevé de patients ne voient pas leurs symptômes diminuer suffisamment avec l'un ou l'autre des traitements ou en les combinant. Il est donc nécessaire de développer des traitements intermédiaires afin d'améliorer la palette de traitements des TOC. Une alternative thérapeutique utilisée en psychiatrie pour la dépression est la Stimulation Magnétique Transcrânienne répétée (TMS). Néanmoins, son efficacité reste difficile à démontrer dans le TOC, dû à une multitude de facteurs à prendre en compte, et peut nécessiter d'étudier le fonctionnement de la rTMS sur une population de sujets sains. Lors de notre première étude, nous avons évalué l'impact d'un protocole de rTMS sur les fonctions cognitives de sujets sains. Nous avons donc pu observer, indépendamment de la pathologie, l'effet de deux semaines de TMS sur les performances cognitives et sur l'activité cérébrale. Malgré une absence d'effet comportemental, une modification du réseau cortico-sous-cortical lié à une tâche de mémoire de travail a pu être montrée. Ces résultats orientent les recherches futures à modifier l'approche méthodologique, améliorer l'approche clinique des TOC, et changer l'approche neurophysiologique de la TMS dans le but de proposer un traitement complémentaire pour améliorer l'état clinique des patients. / Obsessive Compulsive Disorder (OCD) is a mental illness defined by the presence of compulsions which are repetitive behaviors and obsessions which are intrusive thoughts. OCD may have a dramatic impact on the social and professional lifes of patients. The treatments for OCD are medication and cognitive-behavioral therapy. Nevertheless, symptoms remain in 25 to 40% of patients. Repeated Transcranial Magnetic Stimulation (rTMS) represent a novel therapeutic option for OCD patients however its effectiveness has been difficult to prove partly due to a multitude of factors involving the rTMS technique itself. The first study evaluated the impact of a two-week rTMS protocol on cognitive functions in healthy subjects using fMRI during a working-memory task. In the absence of behavioral modification, we observed that compared to sham, rTMS induced changes at multiple nodes of the cerebral network activated by the task beyond the stimulation site. This result represents an encouraging perspective for rTMS intervention on pathological brain network in OCD because hyperactive regions in this disorder (orbitofrontal cortex and anterior cingulate cortex) are too deep to be directly stimulated by rTMS. Our second study targeted the supplementary motor area (SMA), which had been suggested as candidate target region lying near the anterior cingulate cortex. We used for four week rTMS in a group of OCD patients while pre- and post-treatment fMRI was acquired during performance of a cognitive inhibition task. Stimulation of the SMA did not result in significant clinical improvement. These results shall guide future research to address the methodological challenges and the neurophysiological mechanisms of rTMS to improve its clinical efficacy for OCD.

Comment notre cerveau traite l’information de la récompense, et comment un tel traitement est influence par des paramètres tels que la probabilité et le risque sont devenues des questions cruciales des neurosciences cognitives. De plus, des recherches récentes suggèrent un effet modulateur d’un certain nombre d’hormones sur le cerveau et sur le comportement, et également qu’un dysfonctionnement du système de récompense pourrait expliquer des comportements addictifs tels que le jeu pathologique. Durant cette thèse, nous avons eu recours à de l’EEG stéréotaxique (SEEG) et à une combinaison d’Imagerie à Résonnance Magnétique fonctionnelle (IRMf) et d’endocrinologie pour réaliser trois études s’intéressant au traitement de la récompense chez des sujets sains, chez des patients souffrant d’épilepsie chez qui des macroélectrodes ont été implantées, et chez des joueurs pathologiques. Ensemble, nos études améliorent la compréhension de nouveaux aspects du traitement de la récompense chez les sujets sains, chez les patients épileptiques, et chez les joueurs pathologiques / How our brain processes reward information and how such processing is influenced by parameters such as reward probability and risk have become key questions in cognitive neuroscience. In addition, recent researches suggest a modulatory effect of a number of hormones on brain and behavior and a dysfunction of the reward system in a number of behavioral addictions, such as gambling disorder. This Ph.D. used intracranial EEG (iEEG) and combined Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) and endocrinology to perform four studies investigating reward processing in healthy subjects, patients with epilepsy implanted with depth electrodes and individuals with gambling disorder. Together, our series of studies advance our understanding of new aspects concerning reward processing in healthy subjects, patients with epilepsy and individuals with gambling disorder

Il existe un lien bidirectionnel entre identité et mémoire, la mémoire autobiographique contenant toutes les informations qui permettent à un individu de se définir. Or, un point important de notre identité est de se définir en tant qu'homme ou femme. De plus, d'un point de vue cognitif, hommes et femmes présentent des différences de performances à un certain nombre de tâches dont des tâches de mémoire autobiographique. Dans cette thèse, nous avons souhaité investiguer à partir de méthodes comportementales et en neuroimagerie fonctionnelle les différences entre hommes et femmes dans la mémoire autobiographique épisodique et sémantique et ses liens avec l'identité, afin de déterminer si ces différences sont plutôt dues à des facteurs biologiques inhérents au sexe ou sociaux inhérents à l'identité de genre. Nos résultats convergent vers l'idée que l'identité de genre est plus déterminante que l'appartenance à un sexe dans la construction des souvenirs. / There is a bidirectional link between identity and memory because autobiographical memory contains all the information that allows an individual to define oneself. However an important matter about our identity is to be defined as a man or a woman. In addition, from a cognitive point of view, men and women show differencies in their performance in some tasks including autobiographical memory tasks. In this thesis, we wanted to investigate the differences between men and women in episodic and semantic autobiographical memory with behavioural and functional neuroimaging methods and their links with identity so as to determine if these differences are rather due to biological factors inherent to sex or to social factors inherent to gender identity. Our results converge on the idea that gender identity is more crucial than membership to one sex in the construction of memories.

L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle à l'état de repos (IRMf-R) s'est imposée comme une technologie diagnostique prometteuse. Toutefois, l'application dans la pratique clinique des biomarqueurs de l'IRMf-R visant à capturer les mécanismes biologiques sous-jacents aux troubles psychiatriques a été entravée par le manque de généralisation. Le diagnostic de ces troubles repose entièrement sur des évaluations comportementales et les taux élevés de comorbidités et de chevauchement génétique et symptomatique confirment l'existence de facteurs latents communs à toutes les pathologies. De grandes mutations génétiques rares, appelées variants du nombre de copies (CNV), ont été associées à une série de troubles psychiatriques et ont des effets beaucoup plus importants sur la structure et la fonction du cerveau, ce qui en fait une voie prometteuse pour démêler la génétique des catégories diagnostiques actuelles. L'apprentissage multitâche est une approche prometteuse pour extraire des représentations communes à des tâches connexes, qui permet de mieux utiliser les données en tirant parti des informations partagées et en améliorant la généralisabilité. Nous avons recueilli un ensemble de données sans précédent composé de 19 CNV et de troubles psychiatriques et nous avons cherché à évaluer systématiquement les avantages potentiels de l'apprentissage multitâche pour la précision de la prédiction, afin d'effectuer un diagnostic conjoint de ces conditions interdépendantes. Nous avons estimé les tailles d'effet pour chaque condition, comparé la précision du diagnostic en utilisant des méthodes courantes d'apprentissage automatique, puis en utilisant l'apprentissage multitâches. Nous avons tenté de contrôler les multiples facteurs confondants tout au long des analyses et discutons des différentes approches permettant de le faire dans le contexte de la modélisation prédictive. L'hypothèse selon laquelle les facteurs latents partagés entre les CNV et les troubles psychiatriques les rendraient suffisamment liés en tant que tâches de prédiction pour bénéficier d'un apprentissage conjoint n'a pas été confirmée. Cependant, nous avons également appliqué l'apprentissage multitâche entre les sites pour prédire une cible commune et nous avons montré que la prédiction peut être améliorée lorsque les tâches sont très étroitement liées. Nous avons mis en œuvre un modèle léger de partage des paramètres durs, mais nos résultats et la littérature montrent que ce cadre n'est pas bien adapté aux tâches hétérogènes ou, de manière contre-intuitive, aux échantillons de petite taille. Nous pensons qu'il est possible d'exploiter les similitudes entre les CNV et les troubles psychiatriques en utilisant des méthodes qui modélisent les relations entre les tâches, mais la petite taille des échantillons pour les CNV rares constitue une limitation majeure pour l'application de l'apprentissage multitâche. / Resting state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) has emerged as a promising diagnostic technology, however translation into clinical practice of rs-fMRI biomarkers that aim to capture the biological mechanisms underlying psychiatric disorders has been hindered by lack of generalizability. The diagnosis of these disorders is completely based on behavioural assessments and high rates of comorbidities and genetic and symptom overlap supports the existence of latent factors shared across conditions. Rare large genetic mutations, called copy number variants (CNVs), have been associated with a range of psychiatric conditions and have much larger effect sizes on brain structure and function, which makes them a promising avenue for untangling the genetics of the current diagnostic categories. Multi-task learning is a promising approach to extract common representations across related tasks that makes better use of data by leveraging shared information and improves generalizability. We collected an unprecedented dataset consisting of 19 CNVs and psychiatric disorders and aimed to systematically assess the potential benefits for prediction accuracy of using multi-task learning to perform joint diagnosis of these interlinked conditions. We estimated effect sizes for each condition, benchmarked diagnostic accuracy using common machine learning methods, and then using multi-task learning. We attempted to control for multiple confounding factors throughout the analyses, and discuss different approaches to do so in the predictive modelling context. The hypothesis that latent factors shared between CNVs and psychiatric conditions would make them sufficiently related as prediction tasks to benefit from being learned jointly was not supported. However, we also applied multi-task learning across sites to predict a common target and showed that prediction can be improved when tasks are very tightly related. We implemented a lightweight hard parameter sharing model, but evidence from our results and the literature shows this framework is not well suited to heterogeneous tasks or, counterintuitively, to small sample sizes. While we believe there is potential to exploit the similarities between CNVs and psychiatric conditions using methods that model relationships between tasks, small sample sizes for rare CNVs are a major limitation for the application of multi-task learning.

Pour réduire le temps d'acquisition ou bien améliorer la résolution spatio-temporelle dans certaines application en IRM, de puissantes techniques parallèles utilisant plusieurs antennes réceptrices sont apparues depuis les années 90. Dans ce contexte, les images d'IRM doivent être reconstruites à partir des données sous-échantillonnées acquises dans le "k-space". Plusieurs approches de reconstruction ont donc été proposées dont la méthode SENSitivity Encoding (SENSE). Cependant, les images reconstruites sont souvent entâchées par des artéfacts dus au bruit affectant les données observées, ou bien à des erreurs d'estimation des profils de sensibilité des antennes. Dans ce travail, nous présentons de nouvelles méthodes de reconstruction basées sur l'algorithme SENSE, qui introduisent une régularisation dans le domaine transformé en ondelettes afin de promouvoir la parcimonie de la solution. Sous des conditions expérimentales dégradées, ces méthodes donnent une bonne qualité de reconstruction contrairement à la méthode SENSE et aux autres techniques de régularisation classique (e.g. Tikhonov). Les méthodes proposées reposent sur des algorithmes parallèles d'optimisation permettant de traiter des critères convexes, mais non nécessairement différentiables contenant des a priori parcimonieux. Contrairement à la plupart des méthodes de reconstruction qui opèrent coupe par coupe, l'une des méthodes proposées permet une reconstruction 4D (3D + temps) en exploitant les corrélations spatiales et temporelles. Le problème d'estimation d'hyperparamètres sous-jacent au processus de régularisation a aussi été traité dans un cadre bayésien en utilisant des techniques MCMC. Une validation sur des données réelles anatomiques et fonctionnelles montre que les méthodes proposées réduisent les artéfacts de reconstruction et améliorent la sensibilité/spécificité statistique en IRM fonctionnelle.

L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf ) permet de détecter sur le cerveau entier des activations neuronales en réponse à un stimulus, par le biais de l'observation des modifications hémodynamiques occasionnées. En particulier, l'IRMf est un outil de choix pour l'étude des mécanismes de la stimulation cérébrale profonde et de la stimulation du nerf vague qui sont encore mal connus. Cependant, cette technique n'est pas facilement utilisable chez l'homme en raison des problèmes de sécurité vis-à-vis de l'action des champs magnétiques intenses utilisés en IRM au niveau des électrodes implantées. Les développements méthodologiques chez l'animal sont donc nécessaires. L'objectif principal de cette thèse est l'étude des mécanismes à distance de la stimulation du système nerveux central et périphérique par IRMf chez le rat. Nous présentons dans un premier temps les séquences IRM rapides utilisées en IRMf, comme l'Echo-Planar Imaging multishot, permettant d'imager le cerveau entier en 1 à 2 secondes seulement, ainsi que les différents problèmes posés par l'utilisation de ces séquences, comme les artefacts de susceptibilité magnétique. Le couplage des séquences développées durant cette thèse avec des mesures électrophysiologiques a notamment permis l'imagerie des réseaux épileptiques chez le rat. Dans un second temps, nous développons les problèmes posés par la préparation animale, particulière en IRMf de par le fait que le couplage neurovasculaire doit être préservé sous anesthésie afin de préserver les activations neuronales. Après comparaison avec les anesthésies à l'isoflurane et la kétamine, nous avons déduit que la médétomidine constituait un anesthésique de choix pour l'IRMf du rongeur, et précisons le protocole de préparation animale utilisé pour l'imagerie. De plus, les électrodes utilisées en stimulation intracérébrale induisent des artefacts importants en imagerie, et des électrodes constituées de matériaux amagnétiques sont nécessaires. Nous expliquons pourquoi nous avons choisi des électrodes en carbone, et présentons le protocole de fabrication utilisé. Nous avons ensuite validé ces développements méthodologiques par des expériences d'IRMf de challenges hypercapniques et de stimulation de la patte chez le rat. Puis nous avons conduit une étude IRMf approfondie des mécanismes d'action de la stimulation du nerf vague, en s'intéressant à la distinction entre activations neuronales et effets cardiovasculaires confondants par modélisation causale dynamique. Nous présentons aussi des résultats en IRMf de la stimulation électrique intracérébrale chez le rat. Plusieurs cibles ont été stimulées (noyau géniculé dorso-latéral, gyrus dentelé, striatum et thalamus), et des activations ont été obtenues à distance de l'électrode, conformément aux connaissances actuelles sur les connexions neuroanatomiques de ces noyaux. Ainsi, nous avons mis au point et validé l'IRMf du rat et son application à la stimulation électrique du système nerveux périphérique et central.

Des recherches, autant chez l’homme que chez l’animal, proposent qu’il existerait, au sein des réseaux cérébraux, une organisation anatomique parallèle de circuits qui coordonne l’activité des structures qui participent à la planification et à l’exécution d’une action. Dans cette foulée, un modèle émerge qui attribue au cortex préfrontal (CPF) latéral une spécificité anatomo-fonctionnelle basée sur les niveaux de traitement en mémoire de travail (MT). Il s’agit du modèle « niveaux de traitement-dépendant », qui accorde un rôle important au CPF latéral dans l’acquisition et la représentation de règles guidant nos comportements. Des études en neuroimagerie fonctionnelle, utilisant le Wisconsin Card Sorting Task (WCST) ont permis de corroborer ce modèle et de dissocier trois niveaux de traitement en MT non seulement au sein du CPF latéral mais encore aux structures sous- corticales, les ganglions de la base (GB). Ces études suggèrent que certains noyaux des GB seraient topographiquement organisés avec le CPF latéral et contriburaient, sous certaines conditions, à des processus cognitifs et moteurs semblables à leur homologue cortical. Le but de notre étude est d'explorer la généralisation de la contribution des GB et du CPF au modèle niveaux de traitement-dépendant afin de voir si ce dernier est indépendant de la nature des stimuli en mémoire de travail. À cet effet, nous avons modifié le WCST en l’appliquant à un autre domaine, celui du langage. Nous avons remplacé les pictogrammes par des mots et modifié les règles formes, couleurs, nombres, par des règles sémantiques et phonologiques. L’analyse des résultats a démontré que différentes parties des GB de concert avec différentes régions du CPF se différencient quant aux niveaux de traitement en MT et ce, indépendamment de la nature des stimuli. Une deuxième analyse a permis d’évaluer les patrons d’activations liés aux conditions sémantiques et phonologiques. Ces résultats ont mis en évidence que les réseaux préfrontaux semblent liés aux processus exécutifs nécessaires à la réalisation de la tâche, indépendamment de la condition tandis que les aires associatives se dissocient davantage et contiennent des réseaux propres à la sémantique et à la phonologie. / Researches in humans and animals have pointed out the possible existence of a parallel anatomic organization in the core of cerebral networks which could coordinate the activity of different brain regions involved in the planning and execution of an action. Within this framework, the emerging model ascribes an anatomic dissociation to the lateral prefrontal cortex (PFC) based on the level of complexity of the working memory (WM) treatment. This model, namely, the complexity-dependent model, gives an important role to the lateral PFC in the acquiring and representation of the rules guiding our behaviors. This model has been corroborated by functional neuroimaging studies using the Wisconsin Card Sorting Task (WCST). These studies allowed dissociating three levels of complexity of the WM treatment, not restricted to the lateral PFC but also including sub- cortical structures, the basal ganglia (BG), suggesting that some BG nuclei would be topographically organized with the lateral PFC and would contribute to the same cognitive and motor functions. The aim of our study was to investigate whether the BG and the PFC’S contribution to the complexity-dependent model generalizes to different types of stimuli or whether their functions are dependent on the nature of stimuli in WM. To do so, a language version of the WCST was developed to suit a different cognitive domain, i.e. language. The pictograms were replaced with words and rules concerning forms, colors and numbers were substituted with semantic and phonological rules. Data analysis showed that the BG along with the PFC have differential role at different levels of WM processing complexity. In a second analysis, the activation patterns linked to the semantic and phonological conditions were evaluated. Those results indicated that the prefrontal networks seem to be coupled with executive processes needed to perform each condition whereas the employment of different language rules (semantic and phonological) activates specific regions of the phonological and semantic network.

La schizophrénie est une psychopathologie largement hétérogène caractérisée entre autres par d’importantes défaillances dans le fonctionnement cognitif et émotionnel. En effet, par rapport à la population générale, forte proportion de ces individus présentent une mémoire déficitaire pour les événements émotionnels. À ce jour, le peu d’études qui se sont penchées sur la mémoire émotionnelle épisodique dans la schizophrénie, ont uniquement mis l’emphase sur l'effet de la valence des stimuli (c’est-à-dire le caractère agréable ou désagréable du stimulus). Toutefois, aucune n’a investigué spécifiquement l’intensité de la réaction aux stimuli (c’est-à-dire une faible par rapport à une forte réaction) malgré quantité de preuves faisant montre, dans la population générale, de différents processus de mémoire émotionnelle pour des stimuli suscitant une forte réaction par rapport à ceux évoquant une faible réponse. Ce manque est d’autant plus flagrant étant donné le nombre d’études ayant rapporté un traitement et un encodage atypiques des émotions spécifiquement au niveau de l’intensité de la réponse subjective chez des patients atteints de schizophrénie. Autre fait important, il est étonnant de constater l’absence de recherches sur les différences de sexe dans la mémoire émotionnelle étant donné l’ensemble des divergences entre hommes et femmes atteints de schizophrénie au niveau de la prévalence, de l’âge de diagnostic, de la manifestation clinique, de l’évolution de la maladie, de la réponse au traitement et des structures cérébrales. Pour pallier à ces lacunes, ce mémoire a évalué : (1) l’effet de la valence des stimuli et de l'intensité de la réaction émotionnelle au niveau des fonctions cérébrales correspondant à la mémoire émotionnelle chez des patients atteints de schizophrénie comparativement à des participants sains; et (2) les possibles différences de sexe dans les processus cérébraux impliqués dans la mémoire émotionnelle chez des patients atteints de schizophrénie par rapport à des volontaires sains. Ainsi, la première étude a comparé les activations cérébrales de patients atteints de schizophrénie par rapport à des participants sains au cours d’une tâche de mémoire émotionnelle dont les stimuli variaient à la fois au niveau de la valence et de l'intensité de la réaction subjective. 37 patients atteints de schizophrénie ainsi que 37 participants en bonne santé ont effectué cette tâche de mémoire émotionnelle lors d’une session d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Pour toutes les conditions étudiées (images négatives, positives, de faible et de forte intensité), le groupe atteint de schizophrénie a performé significativement moins bien que les volontaires sains. Comparativement aux sujets sains, ils ont montré moins d’activations cérébrales dans les régions limbiques et préfrontales lors de la reconnaissance des images négatives, mais ont présenté un patron d'activations similaire à celui des participants sains lors de la reconnaissance des images chargées positivement (activations observées dans le cervelet, le cortex temporal et préfrontal). Enfin, indépendamment de la valence des stimuli, les deux groupes ont démontré une augmentation des activations cérébrales pour les images de forte intensité par rapport à celles de plus faible intensité. La seconde étude a quant à elle exploré les différences de sexe potentielles au niveau des activations cérébrales associées à la mémoire émotionnelle dans la schizophrénie et dans la population en général. Nous avons comparé 41 patients atteints de schizophrénie (20 femmes) à 41 participants en bonne santé (19 femmes) alors qu’ils effectuaient la même tâche de mémoire émotionnelle mentionnée plus haut. Or, pour cette étude, nous nous sommes concentrés sur les conditions suivantes : la reconnaissance d’images positives, négatives et neutres. Nous n'avons pas observé de différences entre les hommes et les femmes au niveau des performances à la tâche de mémoire pour aucune des conditions. En ce qui a trait aux données de neuroimagerie, comparativement aux femmes en bonne santé, celles atteintes de schizophrénie ont montré une diminution des activations cérébrales dans les régions corticales du système limbique (p. ex. cortex cingulaire moyen) et dans les régions sous-corticales (p. ex. amygdale) lors de la reconnaissance d'images négatives. Pour ce qui est de la condition positive, elles ont présenté, comparativement au groupe de femmes saines, des diminutions d’activations spécifiquement dans le cervelet ainsi que dans le gyrus frontal inférieur et moyen. Les hommes atteints de schizophrénie, eux, ont montré une augmentation d’activations par rapport aux hommes sains dans le gyrus préfrontal médian lors de la reconnaissance des stimuli négatifs ; ainsi que dans les régions pariétales, temporales et limbiques lors de la reconnaissance des stimuli positifs. Dans un autre ordre d’idées, notre analyse corrélationnelle a mis en évidence, chez les femmes, un lien significatif entre l’activité cérébrale et les symptômes au cours de la mémoire des stimuli positifs, alors que chez les hommes atteints schizophrénie, ce lien a été observé au cours de la mémoire des stimuli négatifs. Bref, l’ensemble de nos résultats suggère, chez les patients atteints de schizophrénie, un fonctionnement cérébral atypique spécifiquement lors de la reconnaissance d’images négatives, mais un fonctionnement intact lors de la reconnaissance de stimuli positifs. De plus, nous avons mis en évidence la présence de différences de sexe dans les activations cérébrales associées à la mémoire épisodique émotionnelle soulignant ainsi l'importance d’étudier séparément les hommes et les femmes atteints de schizophrénie dans le cadre de recherches sur les plans cognitif et émotionnel. / Schizophrenia is characterized by prominent disturbances in cognitive and emotional functioning. For instance, individuals with schizophrenia are often impaired in their memory for emotional events compared to healthy subjects. To date, the limited research on emotional episodic memory in schizophrenia has focused on the effect of valence of affective stimuli (e.g., pleasant vs. unpleasant), while overall ignoring the effect of arousal (e.g., low vs. high) despite evidence of distinct emotional memory processes for high versus low arousing stimuli in the general population, as well as reports of abnormal processing of arousing stimuli in schizophrenia. What’s more, there has yet to be examination of sex differences in the behavioral and neural correlates of emotional memory in this complex psychiatric disorder, which is astonishing considering the substantial evidence of sex differences in almost all features of schizophrenia from prevalence, mean age at onset, clinical presentation, course of illness, response to treatment and brain structure. Accordingly, this thesis examined: (1) the effect of both affective valence and arousal intensity on the brain activations associated with emotional memory in patients with schizophrenia and in healthy control participants and (2) potential sex differences in brain function during emotional memory. The first study aimed to compare cerebral activations in patients with schizophrenia and healthy controls during memory retrieval of emotional images that varied in both valence and arousal. Using fMRI, 37 patients with schizophrenia (% male = 51; mean age =32.46) were compared to 37 healthy participants (% male = 51; mean age =31.81) while performing an emotional memory task. patients with schizophrenia performed worse than healthy controls in all experimental conditions. They showed less cerebral activations in limbic and prefrontal regions than controls during retrieval of negatively valenced stimuli, but had a similar pattern of brain activations to controls during retrieval of positively valenced stimuli (particularly in the high arousal condition) in the cerebellum, temporal and prefrontal cortex. Both groups demonstrated increased brain activations in the high relative to low arousing conditions. The second study explored potential sex differences in the brain activations associated with the recognition of emotional images in schizophrenia and healthy controls. 41 patients with schizophrenia (20 women) were compared to 41 healthy participants (19 women) while performing a yes/no recognition paradigm with positive, negative and neutral images in an fMRI scan. We did not observe sex differences in performance. Compared to healthy women, women with schizophrenia showed a decrease in brain activations in cortical (e.g. middle cingulate) and subcortical limbic structures (e.g. amygdala) during recognition of negative images and decreased activations during the positive condition in the cerebellar vermis, middle and inferior frontal gyrus. Men with schizophrenia had increased activations compared to healthy men in the medial prefrontal gyrus during recognition of negative stimuli and a substantial increase in brain activity during the recognition of positive pictures in parietal, temporal and limbic structures. Correlation analysis revealed significant relationships between brain function and symptoms during positive emotional memory in women and during negative emotional memory primarily in men. Taken as a whole, our results suggest atypical brain function during retrieval of negative pictures, but intact functional circuitry of positive affect during episodic memory retrieval in patients with schizophrenia compared to healthy subjects. Moreover, our findings revealed sex differences in the brain activations associated with emotional recognition memory in patients with schizophrenia; which further highlights the importance of investigating men and women with schizophrenia separately in the context of emotional and cognitive tasks.

Objectif : Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre l’effet du stress sur la douleur aiguë et chronique. Devis expérimental : 16 patients souffrant de douleur chronique lombalgique et 18 sujets contrôles ont participé à une étude d’imagerie par résonance magnétique (IRM) et ont collecté des échantillons de salive afin de quantifier les niveaux d’hormone de stress (i.e. cortisol) la journée de l’étude (réponse réactive) et durant les sept jours consécutifs suivants (réponse basale). Étude 1 : Une première étude a examiné le lien entre les niveaux de cortisol basal, le volume de l’hippocampe et l’activité cérébrale évoquée par la douleur thermique chez des patients souffrant de douleur chronique et les sujets contrôles. Les résultats révèlent que les patients souffrant de douleur chronique avaient des niveaux de cortisol plus élevés que ceux des sujets contrôles. Chez ces patients, un niveau élevé de cortisol était associé à un plus petit volume de l'hippocampe et à davantage d’activation dans le gyrus parahippocampique antérieure (une région impliquée dans l'anxiété anticipatoire et l'apprentissage associatif). De plus, une analyse de médiation a montré que le niveau de cortisol basal et la force de la réponse parahippocampique explique statistiquement l’association négative entre le volume de l'hippocampe et l'intensité de la douleur chronique. Ces résultats suggèrent que l’activité endocrinienne plus élevée chez les patients ayant un plus petit hippocampe modifie le fonctionnement du complexe hippocampique et contribue à l’intensité de la douleur chronique. Étude 2 : La deuxième étude a évalué la contribution de la réponse de stress réactif aux différences interindividuelles dans la perception de la douleur aiguë chez des patients souffrant de douleur chronique et chez des sujets normaux. Les deux groupes ont montré des augmentations significatives du niveau de cortisol en réponse à des stimulations nocives administrées dans un contexte d’IRM suggérant ainsi que la réactivité de l’axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien est préservée chez les patients lombalgiques. De plus, les individus présentant une réponse hormonale de stress plus forte ont rapporté moins de douleur et ont montré une réduction de l'activation cérébrale dans le noyau accumbens, dans le cortex cingulaire antérieur (CCA), le cortex somatosensoriel primaire, et l'insula postérieure. Des analyses de médiation ont indiqué que la douleur liée à l'activité du CCA explique statistiquement la relation entre la réponse de stress et le désagrément de la douleur rapportée par les participants. Enfin, des analyses complémentaires ont révélé que le stress réduit la connectivité fonctionnelle entre le CCA et le tronc cérébral pendant la douleur aiguë. Ces résultats indiquent que le stress réactif module la douleur et contribue à la variabilité interindividuelle de l'activité cérébrale et la réponse affective à la douleur. Discussion : Conjointement, ces études suggèrent dans un premier temps que la douleur chronique peut être exacerbée par une réponse physiologique inadéquate de l'organisme exposé à un stress récurrent, et en un second temps, que le CCA contribuerait à l'analgésie induite par le stress. Sur le plan conceptuel, ces études renforcent le point de vue prédominant suggérant que la douleur chronique induit des changements dans les systèmes cérébraux régissant les fonctions motivationnelles et affective de la douleur. / Goal : This thesis aimed at better understanding the impact of stress on acute and chronic pain. Experimental design: 16 patients with chronic low back pain pain and 18 control subjects participated in a functional magnetic resonance imaging (fMRI) study and collected saliva samples to quantify the levels of stress hormone (ie cortisol) the day of study (reactive response) and during the following 7 consecutive days (basal response). Study 1: The first study examined the associations between basal levels of cortisol, the hippocampal volumes, and brain activation to thermal stimulations in the low back pain patients and the healthy controls. Results showed that CBP patients have higher levels of cortisol than controls. In these patients, higher cortisol was associated with smaller hippocampal volume and stronger pain-evoked activity in the anterior parahippocampal gyrus (PHG), a region involved in anticipatory-anxiety and associative learning. Importantly, the results revealed that the cortisol levels and phasic pain responses in the PHG of the patients mediated a negative association between the hippocampal volume and the chronic pain intensity. These findings support a stress model of chronic pain suggesting that the higher levels of endocrine activity observed in individuals with a smaller hippocampii induces changes in the function of the hippocampal complex that may contribute to the persistent pain states. Study 2: The second study assessed the magnitude of the acute stress response to the noxious thermal stimulations administered in a MRI environment and tested its possible contribution to individual differences in pain perception. The two groups showed similar significant increases in reactive cortisol across the scanning session when compared to their basal levels, suggesting normal hypothalamic–pituitary–adrenal axis reactivity to painful stressors in chronic back pain patients. Critically, individuals with stronger cortisol responses reported less pain unpleasantness and showed a reduction of BOLD activation in nucleus accumbens at the stimulus onset and in the anterior mid-cingulate cortex (aMCC), the primary somatosensory cortex, and the posterior insula during heat pain. Mediation analyses indicated that pain-related activity in the aMCC mediated the relationship between the reactive cortisol response and the pain unpleasantness reported by the participants. Psychophysiological interaction further revealed that stress reduced functional connectivity between the aMCC and the brainstem during pain. These findings indicate that acute stress responses modulate pain in humans and contribute to individual variability in pain affect and pain-related brain activity. Discussion: Taken together, these studies firstly support recent theories suggesting that chronic pain could be partly maintained by maladaptive physiological responses of the organism facing a recurrent stressor and secondly revealed the neural correlates of stress-induced analgesia. On a conceptual level, these findings are important because they strengthen the predominant view that chronic pain does not disrupt the acute response to stress and the sensory dimension of pain, but rather induces long-term changes in neural systems underlying affective-motivational functions.

Cette thèse a pour objectif de comparer les expressions émotionnelles évoquées par la musique, la voix (expressions non-linguistiques) et le visage sur les plans comportemental et neuronal. Plus précisément, le but est de bénéficier de l’indéniable pouvoir émotionnel de la musique afin de raffiner notre compréhension des théories et des modèles actuels associés au traitement émotionnel. Qui plus est, il est possible que cette disposition surprenante de la musique pour évoquer des émotions soit issue de sa capacité à s’immiscer dans les circuits neuronaux dédiés à la voix, bien que les évidences à cet effet demeurent éparses pour le moment. Une telle comparaison peut potentiellement permettre d’élucider, en partie, la nature des émotions musicales. Pour ce faire, différentes études ont été réalisées et sont ici présentées dans deux articles distincts. Les études présentées dans le premier article ont comparé, sur le plan comportemental, les effets d’expressions émotionnelles sur la mémoire entre les domaines musical et vocal (non-linguistique). Les résultats ont révélé un avantage systématique en mémoire pour la peur dans les deux domaines. Aussi, une corrélation dans la performance individuelle en mémoire a été trouvée entre les expressions de peur musicales et vocales. Ces résultats sont donc cohérents avec l’hypothèse d’un traitement perceptif similaire entre la musique et la voix. Dans le deuxième article, les corrélats neuronaux associés à la perception d’expressions émotionnelles évoquées par la musique, la voix et le visage ont été directement comparés en imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf). Une augmentation significative du signal « Blood Oxygen Level Dependent » (BOLD) a été trouvée dans l’amygdale (et à l’insula postérieure) en réponse à la peur, parmi l’ensemble des domaines et des modalités à l’étude. Une corrélation dans la réponse BOLD individuelle de l’amygdale, entre le traitement musical et vocal, a aussi été mise en évidence, suggérant à nouveau des similarités entre les deux domaines. En outre, des régions spécifiques à chaque domaine ont été relevées. Notamment, le gyrus fusiforme (FG/FFA) pour les expressions du visage, le sulcus temporal supérieur (STS) pour les expressions vocales ainsi qu’une portion antérieure du gyrus temporal supérieur (STG) particulièrement sensible aux expressions musicales (peur et joie), dont la réponse s’est avérée modulée par l’intensité des stimuli. Mis ensemble, ces résultats révèlent des similarités mais aussi des différences dans le traitement d’expressions émotionnelles véhiculées par les modalités visuelle et auditive, de même que différents domaines dans la modalité auditive (musique et voix). Plus particulièrement, il appert que les expressions musicales et vocales partagent d’étroites similarités surtout en ce qui a trait au traitement de la peur. Ces données s’ajoutent aux connaissances actuelles quant au pouvoir émotionnel de la musique et contribuent à élucider les mécanismes perceptuels sous-jacents au traitement des émotions musicales. Par conséquent, ces résultats donnent aussi un appui important à l’utilisation de la musique dans l’étude des émotions qui pourra éventuellement contribuer au développement de potentielles interventions auprès de populations psychiatriques. / This thesis aims to compare emotional expressions evoked by music, voices (non-linguistic) and faces at a behavioral and neuronal level. Specifically, the goal was to exploit the emotional power of music to refine our understanding of theories and models associated with emotional processing. Moreover, it has been suggested that music’s surprising ability to evoke emotions might arise from its capacity to invade brain circuits dedicated to voice processing, although evidences are scarce in this regard. Therefore, a direct comparison between these stimulus categories could potentially help understand the bases of musical emotions. To do so, we conducted a series of experiments, which are presented in two separate published articles. Experiments presented in the first paper compared, at a behavioral level, the effect of emotions on memory across musical and vocal (non-linguistic) domains. Results revealed a systematic memory advantage for fear within both domains. Individual memory performances were also correlated across musical and vocal expressions. These results are thus consistent with the hypothesis of a similar behavioral processing between music and voices. In the second article, neural correlates associated with the perception of emotional expressions evoked by music, voices and faces were directly compared using functional magnetic resonance imaging (fMRI). Significant «Blood Oxygen Level Dependent» (BOLD) signal increase in the amygdala (and posterior insula) was found across domains and modalities in response to fear expressions. In addition, subject-specific amygdala BOLD signal responses for music and voice were correlated, again suggesting similarities across domains. Domain specific brain regions were also revealed. Namely, the fusiform gyrus (FG/FFA) for faces, the superior temporal sulcul (STS) in the case of voices, and an anterior portion of the superior temporal gyrus (STG) for musical expressions (fear & happiness), whose response appeared to be modulated by stimulus emotional intensity. Altogether, the results presented here suggest similarities but also differences in the processing of emotional expressions conveyed by visual and auditory modalities, and, within the audition, for different domains (music and voices). In particular, emotional expressions within the musical and vocal domains appear to share close similarities, especially in the case of fear. These data adds on to current knowledge about the emotional power of music and contribute to clarify some of the underlying perceptual mechanisms involved in processing musical emotions. Thus, these findings provide further support that music can be a useful tool in investigating emotions and that it could eventually contribute to develop potential interventions for psychiatric populations.