La littérature décrit certains phénomènes de réorganisation physiologique et fonctionnelle dans le cerveau des aveugles de naissance, notamment en ce qui a trait au traitement de l’information tactile et auditive. Cependant, le système olfactif des aveugles n’a reçu que très peu d’attention de la part des chercheurs. Le but de cette étude est donc de comprendre comment les aveugles traitent l’information olfactive au niveau comportemental et d’investiguer les substrats neuronaux impliqués dans ce processus. Puisque, en règle générale, les aveugles utilisent leurs sens résiduels de façon compensatoire et que le système olfactif est extrêmement plastique, des changements au niveau de l’organisation anatomo-fonctionnelle pourraient en résulter. Par le biais de méthodes psychophysiques et d’imagerie cérébrale (Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle-IRMf), nous avons investigué les substrats anatomo-fonctionnels sollicités par des stimuli olfactifs. Nous avons trouvé que les aveugles ont un seuil de détection plus bas que les voyants, mais que leur capacité à discriminer et identifier des odeurs est similaire au groupe contrôle. Ils ont aussi plus conscience de l’environnement olfactif. Les résultats d’imagerie révèlent un signal BOLD plus intense dans le cortex orbitofrontal droit, le thalamus, l’hippocampe droit et le cortex occipital lors de l’exécution d’une tâche de détection d’odeur. Nous concluons que les individus aveugles se fient d’avantage à leur sens de l’odorat que les voyants afin d’évoluer dans leur environnement physique et social. Cette étude démontre pour la première fois que le cortex visuel des aveugles peut être recruté par des stimuli olfactifs, ce qui prouve que cette région assume des fonctions multimodales. / It is generally acknowledged that people blind from birth develop supra-normal sensory abilities in order to compensate for their visual deficit. While extensive research has been done on the somatosensory and auditory modalities of the blind, information about their sense of smell remains scant. The goal of this study was therefore to understand olfactory processing in the blind at the behavioral and the neuroanatomical levels. Since blind individuals use their remaining senses in a compensatory way to assess their environment and since the olfactory system is highly plastic, it is likely to be susceptible to changes similar to those observed for tactile and auditory modalities. We used psychophysical testing and functional magnetic resonance imaging (fMRI) to investigate the neuronal substrates responsible for odor processing. Our data showed that blind subjects had a lower odor detection threshold compared to the sighted. However, no group differences were found for odor discrimination and odor identification. Interestingly, the OAS revealed that blind participants scored higher for odor awareness. Our fMRI data revealed stronger BOLD responses in the right lateral orbitofrontal cortex, bilateral medio-dorsal thalamus, right hippocampus and left occipital cortex in the blind participants during an odor detection task. We conclude that blind subjects rely more on their sense of smell than the sighted in order to assess their environment and to recognize places and people. This is the first demonstration that the visual cortex of the blind can also be recruited by odorants, thus adding new evidence to its multimodal function.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le monde social est par essence fortement incertain, dans la mesure où les informations peuvent varier rapidement et de façon imprévisible, et il est essentiel de pouvoir s'y adapter. Les personnes avec autisme présentent souvent une intolérance au changement et une recherche d'immuabilité, associées à des difficultés dans le domaine de la prise de décision. Elles rapportent également que leurs difficultés sont amplifiées lorsque la prise de décision implique un changement de routine et lorsqu'elle fait entrer en jeu une composante sociale. Si la prise de décision dans un environnement social a été beaucoup explorée, l'influence de l'incertitude du contexte (c'est-à-dire d'un changement brutal des probabilités de survenue d'un événement) et son interaction avec la nature sociale de l'environnement n'ont jamais été étudiées dans le cadre de l'autisme. Cette thèse vise à mieux comprendre les spécificités du traitement du caractère imprévisible du contexte chez les personnes autistes de haut niveau (High-Functioning Autism : HFA) et avec un Syndrome d'Asperger (AS). La question posée ici est de savoir si c'est l'aspect social, ou bien l'aspect imprévisible, qui pose problème aux personnes avec autisme dans les interactions sociales. Nous avons fait l'hypothèse d'une altération du traitement du caractère imprévisible chez ces personnes, comparées à des sujets neurotypiques appariés, et nous souhaitions préciser l'influence de la nature sociale ou non-sociale de la source d'information sur cette altération. Dans la première étude, comportementale, de cette thèse, nous avons adapté une tâche de prise de décision de Behrens et al. (2007, 2008), comportant une condition stable et une condition instable (i.e. incertaine), cet aspect stable ou instable pouvant venir d'un indice social ou non-social. Cette première étude a permis de montrer que, dans notre tâche, les difficultés rencontrées par les personnes HFA/AS dans un environnement social tiennent plus à son caractère imprévisible qu'à son aspect social. A cela s'ajoute une difficulté globale à intégrer les indices contextuels dans la prise de décision. Notre deuxième étude, en IRM fonctionnelle, visait à identifier les régions cérébrales impliquées dans le traitement du caractère imprévisible du contexte, ainsi que l'effet de la nature sociale de l'environnement sur ce traitement, chez des personnes avec autisme. Cette seconde étude a montré que les personnes HFA/AS mobilisent moins le réseau attentionnel fronto-pariétal que les personnes neurotypiques dans un contexte incertain (qu'il soit social ou non). On observe également chez ces personnes une difficulté à réorienter l'attention lorsque les indices contextuels ne sont pas pertinents. Par ailleurs, dans un environnement social les personnes HFA/AS activent moins les aires du " cerveau social " que les personnes neurotypiques. La discussion établit un parallèle entre ces résultats et la littérature existante, et propose des perspectives en termes de prise en charge dans l'autisme

Après une déprivation sensorielle ou après une réhabilitation sensorielle périphérique, les aires sensori-motrices primaires du cerveau se réorganisent anatomiquement et fonctionnellement. Dans le cas du transfert tendineux, une réhabilitation des fonctions manuelles est opérée grâce à une inversion de certaines fonctions de flexion en extension. Chez les patients opérés, la commande centrale de ces mouvements élémentaires repose sur des processus de plasticité cérébrale, processus encore mal connus, lents qui se stabilisent en une année et qui présentent une co-occurrence avec la récupération manuelle. Nous faisons l'hypothèse que l'IRM fonctionnelle de haute résolution permet de détecter la plasticité cérébrale liée à cette récupération motrice. Cette thèse a pour but de mettre en place des méthodes de suivi longitudinal individuel à partir des images fonctionnelles cérébrales des patients pour étudier la plasticité cérébrale lors de la récupération fonctionnelle. On a d'abord cherché à obtenir des cartes de référence de la motricité fine de la main sur un groupe de sujets contrôles. Ces cartes sont ensuite utilisées pour évaluer, à partir des données obtenues lors du suivi longitudinal de patients, la plasticité cérébrale liée au transfert tendineux. Pour mieux comprendre la représentation des mouvements de flexion et d'extension de la main dans le cortex moteur primaire, nous avons mis en place une étude en IRM fonctionnelle de haute résolution à 3T sur un groupe de 13 sujets sains. Pour généraliser les résultats individuels obtenus pour chaque mouvement au niveau de la population, il faut pouvoir réaligner les cerveaux individuels dans un référentiel commun afin d'effectuer une analyse statistique sur le groupe. Or, la variabilité anatomique inter-individuelle des aires motrices primaires constituait un verrou scientifique car celles-ci ne se réalignaient pas correctement par les méthodes classiques. Dans un premier temps, nous avons donc évalué différentes méthodes de recalage non-linéaires au niveau du cortex moteur pour assurer un alignement inter-individuel robuste. Nous avons comparé une méthode locale, Demons qui permet des déformations locales très importantes des images, une méthode classique non-linéaire (SPM), qui permet un alignement global des images, et une méthode de recalage global difféomorphique (DARTEL) utilisant de nombreux degrés de liberté. De plus, nous avons appliqué une méthode récente basée sur l'alignement des sillons corticaux au préalable à l'utilisation de DARTEL (DISCO+DARTEL) en partenariat avec l'équipe du LSIS, (CNRS Marseille) qui ajoute un caractère local à la technique globale de recalage. Nous montrons que cette dernière méthode produit le meilleur alignement sur des critères à la fois anatomiques (distance de Hausdorff, superposition des masques de tissus, et caractéristiques du champ de déformations) et fonctionnels (précision de la localisation et robustesse statistique des activations détectées). Nous avons alors pu établir des cartes de référence en haute résolution des mouvements élémentaires de la main, selon la dominance manuelle, selon la direction du mouvement et selon le segment de la main. Ces cartes présentent de multiples foyers d'activation et un chevauchement important dans la région dite du " hand-knob ". Dans un deuxième temps, nous avons évalué la robustesse de nos résultats, en réalisant une deuxième série d'examens sur les mêmes sujets contrôles (test-retest). Deux patients ont été suivis longitudinalement: avant la chirurgie (M0), à 1 mois (M1), à 3 (M3), 6 (M6) et 12 mois (M12) après la chirurgie. On a observé le recrutement au cours de la récupération de la SMA, de M1 et S1 ipsilatéral, de S1 contralatéral et des lobules V et VI du cervelet. Par rapport aux sujets sains, les patients mettent en place une réorganisation compensatoire au cours de la récupération fonctionnelle.

La mémoire épisodique lie différents éléments dans un contexte spatial et temporel particulier. Il a été proposé que lors de la récupération d‟un épisode, la ré-instanciation d‟une cohérence entre les éléments néocorticaux soit opérée grâce à une représentation spatiale allocentrée stockée au niveau de la structure hippocampique (i.e., codage de la position des objets entre eux, indépendamment de la position de l‟individu, Burgess, Becker, King, & O'Keefe, 2001; Nadel & Moscovitch, 1998). Ce travail de thèse propose de traiter la mémoire épisodique et le sentiment de projection dans son passé (i.e., conscience autonoétique) comme une qualité attribuée à une dextérité relative dans le traitement spatial égocentré mis à jour (i.e., la position, orientation et le déplacement de son corps dans l‟environnement). Le rôle des traitements spatiaux allocentrés et égocentrés mis à jour dans la mémoire épisodique a été évalué expérimentalement. Les résultats suggèrent l‟existence d‟un lien causal entre le traitement de la mise à jour égocentré et les performances de mémoire épisodique. De plus, les études ont mis en évidence l‟existence de spécificités cérébrales et comportementales de la mise à jour égocentrée confirmant l‟adéquation de ce traitement au modèle théorique proposé. Par ailleurs, en référence à cette dissociation entre l‟information égocentrée mis à jour et allocentrée, des études neuropsychologiques ont révélé la présence de déficits de la mise à jour égocentrée, et d‟une préservation allocentrée dans l‟amnésie bihippocampique qu‟elle soit acquise ou développementale. Enfin, l‟évaluation des conséquences cérébrales lors de la récupération épisodique d‟un encodage maximisant le traitement égocentré mis à jour a permis de révéler une implication spécifique des structures temporo-pariétales. Ce travail de thèse a été organisé autour d‟un modèle théorique original du fonctionnement de la mémoire épisodique proposant de nouvelles prédictions expérimentales. Les approches comportementale, neuropsychologique et en imagerie fonctionnelle soulèvent à leur tour de nouvelles pistes de recherche sur le lien entre conscience de son corps et mémoire épisodique.

L'analyse visuelle de scènes débute par l'extraction en parallèle de l'information à différentes fréquences spatiales, en suivant un mode de traitement par défaut « coarse-to-fine ». L'analyse rapide de l'information grossière (« coarse ») en basses fréquences spatiales fournirait un aperçu global de la scène, qui serait ensuite affiné par l'analyse des détails de la scène (« fine ») en hautes fréquences spatiales. L'objectif de cette thèse a été de préciser les bases cérébrales du traitement des fréquences spatiales lors de la catégorisation de scènes. A travers deux études comportementales, nous avons tout d'abord montré qu'une analyse « coarse-to-fine » est plus avantageuse pour la catégorisation rapide de scènes, et ce, indépendamment de la valeur de contraste de luminance associée aux différentes fréquences spatiales (Expériences 1 et 2). Des études en IRMf nous ont par la suite permis de mettre en évidence l'implication d'un large réseau cérébral lors de l'analyse « coarse-to-fine » des scènes, incluant les aires visuelles primaires et occipito-temporales, mais également le cortex frontal inférieur (Expérience 3). Une analyse de la connectivité a révélé que lors de cette analyse, le cortex frontal inférieur exercerait une influence « top-down » sur le cortex visuel primaire et les gyri fusiforme et parahippocampique au sein du cortex occipito-temporal. Ces résultats soulignent le rôle du cortex visuel primaire comme région intégrative, codant à la fois les afférences rétino-thalamiques et les influences « top-down » de régions supérieures. Nous avons également observé que le gyrus frontal inférieur et le gyrus fusiforme participaient activement à l'intégration de l'information sémantique contenue dans les basses et hautes fréquences spatiales d'une scène (Expérience 4). Enfin, nous avons spécifiquement étudié le traitement des fréquences spatiales au sein de régions occipito-temporales sélectives aux scènes : la « parahippocampal place area » (PPA), le cortex retrosplenial et l'« occipital place area ». Nous avons montré que ces trois régions participent de façon distincte au traitement des fréquences spatiales dans les scènes (Expérience 5) et qu'une stratégie d'analyse « coarse-to-fine » serait privilégiée par la PPA (Expérience 6). Les résultats de ces travaux nous permettent de conforter et de préciser les modèles actuels de la catégorisation visuelle de scènes basés sur un traitement fréquentiel de l'information visuelle. / Visual analysis begins with the parallel extraction of different attributes at different spatial frequencies following a predominantly coarse-to-fine default processing sequence. Rapid processing of low spatial frequency information would permit a coarse parsing of the visual input, prior to the detailed analysis of fine information in high spatial frequencies. Our aim was to further address the neural bases of spatial frequency processing during scene categorization. We first demonstrated in two behavioral studies that a coarse-to-fine processing is indeed an advantageous strategy for rapid scene categorization, and is independent of the luminance contrast values associated with the different spatial frequencies (Experiments 1 and 2). In two fMRI studies, we showed first the involvement of a large cerebral network during coarse-to-fine processing of scenes, including early visual and occipito-temporal areas, but also the inferior frontal cortex. Effective connectivity analysis revealed that the inferior frontal gyrus exerts top-down influence on the early visual cortex as well as on the parahippocampal and fusiform gyri in the occipito-temporal cortex (Experiment 3). These results highlight the role of the primary visual cortex in integrating top-down influences from frontal areas to retino-thalamic incoming signals. We also evidenced that the inferior frontal and fusiform gyri actively participate to the integration of the semantic information contained in low and high spatial frequency (Experiment 4). Finally, we specifically investigated the spatial frequency processing of scenes within scene-selective areas of the occipito-temporal cortex: the parahippocampal place area (PPA), the retrosplenial cortex, and the occipital place area. We demonstrated that these regions participate differently in the spatial frequency processing of scenes (Experiment 5) and that a coarse-to-fine processing is favored within the PPA (Experiment 6). Overall, results allow us to refine current model of visual scene categorization based on a spatial frequency analysis.

Cette thèse traite d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) cérébrale. Jusqu’à présent, cette modalité est principalement employée dans le domaine des neurosciences dans le but d’étudier les processus cognitifs et la relation entre anatomie et fonction. L’emploi de l’IRMf est toutefois restreint en comparaison des perspectives qu’elle offre. En effet, trois caractéristiques intrinsèques au signal observé en IRMf posent problème. D’abord, le signal ne constitue pas l’observation directe de l’activité cérébrale. Il en résulte un flou temporel ne permettant pas la localisation temporelle précise de l’activité neuronale. Ensuite, seules les variations temporelles du signal IRMf déterminent la présence ou l’absence d’une telle activité. Or ces fluctuations sont faibles vis-à-vis de l’amplitude du signal et du bruit. Enfin, de nombreuses ambiguïtés de localisation spatiale existent, et cela particulièrement au niveau du ruban cortical du fait de ses nombreuses circonvolutions. Plusieurs approches proposent, en conséquence, d’étudier les données IRMf sur la surface corticale. Toutefois, toutes se basent sur des méthodes directes d’interpolation ou de rétro-projection, omettant ainsi que le signal d’intérêt acquis est originaire du ruban cortical. L’originalité du travail réalisé durant cette thèse consiste à considérer le problème de projection comme un problème inverse. La méthode procède alors simultanément à la projection surfacique, et à la restauration des propriétés spatio-temporelles d’origine des données fonctionnelles sur la surface. / This thesis deals with cerebral functional magnetic resonance imaging (fMRI). Until now, fMRI is mainly used in the field of neurosciences as a tool to understand cognitive processes and the links between anatomy and function. However, fMRI use is limited compared to the perspectives it offers. Indeed, three properties of the fMRI signal are problematic. First, this signal is not a direct representation of cerebral activities, thus resulting in a temporal blur that opposes the accurate localization of neuronal activities in time. Then, only the temporal variations of the fMRI signal can determine the presence or absence of those activities. Yet, those fluctuations are small compared to the overall signal and noise magnitudes. And last but not least, ambiguities related to spatial localization of cerebral activities are numerous and especially troublesome around the cortical ribbon due to its highly convoluted shape. Therefore, several approaches offer to study fMRI data onto the cortical surface. However, they all consider the problem as an interpolation one, neglecting the origin of the acquired signal of interest : the cortical ribbon. The original idea behind the work achieved in this thesis consists in posing the projection problem as an inverse problem to solve. This way we achieve both the surface-based projection and the recovering of the original cortical signal spatio-temporal properties.

Les hallucinations auditives verbales (HAVs) sont des perceptions langagières en l'absence de stimuli externes appropriés. Elles sont un des symptômes les plus invalidants dans la schizophrénie. Parmi les grands types de modèles explicatifs, deux sont particulièrement intéressants : les modèles à origine perceptive, selon lesquels les voix entendues seraient dues à une imagerie mentale et des représentations auditives trop vives et les modèles à origine productive, selon lesquels la parole intérieure est perturbée de telle sorte que les propres pensées verbales du patient sont attribuées à un agent externe. Pour tester le versant moteur des modèles productifs, une expérience de recueil de traces oro-faciales lors des HAVs à l'aide de l'électromyographie de surface a été conduite auprès de 11 patients schizophrènes. Les résultats montrent une tendance à l'augmentation de l'activité musculaire de l'orbiculaire inférieur lors des HAVs par rapport à une condition de repos. Pour tester le versant cérébral des modèles, une expérience en IRMf de génération de pensée verbale et de perception auditive a été menée auprès de 19 sujets schizophrènes et 24 sujets contrôles et a montré une hyper-activation d'un réseau impliquant le cortex temporal et le cortex cingulaire antérieur. La caractérisation phénoménologique des HAVs vécues par les patients a montré que les HAVs diffèrent de la pensée intérieure typique en ce que les voix entendues peuvent être nombreuses et ne sont pas celle du patient lui-même. Ainsi aucun des deux types de modèles considérés isolément n'est satisfaisant pour expliquer les HAVs. Un modèle intégratif multidimensionnel permettrait de mieux rendre compte de la complexité des HAVs. Il existerait, chez les patients schizophrènes une prédisposition perceptive hyper-active couplée à un système de prédiction défaillant. Les deux dysfonctionnements seraient de plus modulés par des facteurs top-down, de stress et un biais cognitif d'externalisation. / Les hallucinations auditives verbales (HAVs) sont des perceptions langagières en l'absence de stimuli externes appropriés. Elles sont un des symptômes les plus invalidants dans la schizophrénie. Parmi les grands types de modèles explicatifs, deux sont particulièrement intéressants : les modèles à origine perceptive, selon lesquels les voix entendues seraient dues à une imagerie mentale et des représentations auditives trop vives et les modèles à origine productive, selon lesquels la parole intérieure est perturbée de telle sorte que les propres pensées verbales du patient sont attribuées à un agent externe. Pour tester le versant moteur des modèles productifs, une expérience de recueil de traces oro-faciales lors des HAVs à l'aide de l'électromyographie de surface a été conduite auprès de 11 patients schizophrènes. Les résultats montrent une tendance à l'augmentation de l'activité musculaire de l'orbiculaire inférieur lors des HAVs par rapport à une condition de repos. Pour tester le versant cérébral des modèles, une expérience en IRMf de génération de pensée verbale et de perception auditive a été menée auprès de 19 sujets schizophrènes et 24 sujets contrôles et a montré une hyper-activation d'un réseau impliquant le cortex temporal et le cortex cingulaire antérieur. La caractérisation phénoménologique des HAVs vécues par les patients a montré que les HAVs diffèrent de la pensée intérieure typique en ce que les voix entendues peuvent être nombreuses et ne sont pas celle du patient lui-même. Ainsi aucun des deux types de modèles considérés isolément n'est satisfaisant pour expliquer les HAVs. Un modèle intégratif multidimensionnel permettrait de mieux rendre compte de la complexité des HAVs. Il existerait, chez les patients schizophrènes une prédisposition perceptive hyper-active couplée à un système de prédiction défaillant. Les deux dysfonctionnements seraient de plus modulés par des facteurs top-down, de stress et un biais cognitif d'externalisation.

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