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L’essor récent de l’imagerie hybride combinant la Tomographie par Emission de Positons (TEP) à l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une opportunité permettant d’exploiter des images d’un même territoire anatomo-pathologique obtenues simultanément et apportant des informations complémentaires. Cela représente aussi un véritable défi en raison de la différence de nature et de résolution spatiale des données acquises. Cette nouvelle technologie offre notamment des perspectives attrayantes en oncologie, et plus particulièrement en neuro-oncologie grâce au contraste qu’offre l’image IRM entre les tissus mous. Dans ce contexte et dans le cadre du projet PIM (Physique et Ingénierie pour la Médecine) de l’Université Paris-Saclay, l’objectif de cette thèse a été de développer un processus de segmentation multimodale adapté aux images TEP et IRM, comprenant une méthode de détection des volumes tumoraux en TEP et IRM, et une technique de segmentation précise du volume tumoral IRM. Ce processus doit être suffisamment générique pour s’appliquer à diverses pathologies cérébrales, différentes par leur nature même et par l’application clinique considérée. La première partie de la thèse aborde la détection de tumeurs par une approche hiérarchique. Plus précisément, la méthode de détection, réalisée sur les images IRM ou TEP, repose sur la création d’un nouveau critère de contexte spatial permettant de sélectionner les lésions potentielles par filtrage d’une représentation de l’image par max-tree. La deuxième partie de la thèse concerne la segmentation du volume tumoral sur les images IRM par une méthode variationnelle par ensembles de niveaux. La méthode de segmentation développée repose sur la minimisation d’une énergie globalement convexe associée à une partition d’une image RM en régions homogènes guidée par des informations de la TEP. Enfin, une dernière partie étend les méthodes proposées précédemment à l’imagerie multimodale IRM, notamment dans le cadre de suivi longitudinal. Les méthodes développées ont été testées sur plusieurs bases de données, chacune correspondant à une pathologie cérébrale et un radiotraceur TEP distincts. Les données TEP-IRM disponibles comprennent, d’une part, des examens de méningiomes et de gliomes acquis sur des machines séparées, et d’autre part, des examens réalisés sur le scanner hybride du Service Hospitalier Frédéric Joliot d’Orsay dans le cadre de recherches de tumeurs cérébrales. La méthode de détection développée a aussi été adaptée à l’imagerie multimodale IRM pour la recherche de lésions de sclérose en plaques ou le suivi longitudinal. Les résultats obtenus montrent que la méthode développée, reposant sur un socle générique, mais étant aussi modulable à travers le choix de paramètres, peut s’adapter à diverses applications cliniques. Par exemple, la qualité de la segmentation des images issues de la machine combinée a été mesurée par le coefficient de Dice, la distance de Hausdorff (DH) et la distance moyenne (DM), en prenant comme référence une segmentation manuelle de la tumeur validée par un expert médical. Les résultats expérimentaux sur ces données montrent que la méthode détecte les lésions visibles à la fois sur les images TEP et IRM, et que la segmentation contoure correctement la lésion (Dice, DH et DM valant respectivement 0, 85 ± 0, 09, 7, 28 ± 5, 42 mm et 0, 72 ± 0, 36mm). / The recent development of hybrid imaging combining Positron Emission Tomography (PET) and Magnetic Resonance Imaging (MRI) is an opportunity to exploit images of a same structure obtained simultaneously and providing complementary information. This also represents a real challenge due to the difference of nature and voxel size of the images. This new technology offers attractive prospects in oncology, and more precisely in neuro-oncology thanks to the contrast between the soft tissues provided by the MRI images. In this context, and as part of the PIM (Physics in Medicine) project of Paris-Saclay University, the goal of this thesis was to develop a multimodal segmentation pipeline adapted to PET and MRI images, including a tumor detection method in PET and MRI, and a segmentation method of the tumor in MRI. This process must be generic to be applied to multiple brain pathologies, of different nature, and for different clinical application. The first part of the thesis focuses on tumor detection using a hierarchical approach. More precisely, the detection method uses a new spatial context criterion applied on a max-tree representation of the MRI and PET images to select potential lesions. The second part presents a MRI tumor segmentation method using a variational approach. This method minimizes a globally convex energy function guided by PET information. Finally, the third part proposes an extension of the detection and segmentation methods developed previously to MRI multimodal segmentation, and also to longitudinal follow-up. The detection and segmentation methods were tested on images from several data bases, each of them standing for a specific brain pathology and PET radiotracer. The dataset used for PET-MRI detection and segmentation is composed of PET and MRI images of gliomas and meningiomas acquired from different systems, and images of brain lesions acquired on the hybrid PET-MRI system of Frédéric Joliot Hospital at Orsay. The detection method was also adapted to multimodal MRI imaging to detect multiple sclerosis lesions and follow-up studies. The results show that the proposed method, characterized by a generic approach using flexible parameters, can be adapted to multiple clinical applications. For example, the quality of the segmentation of images from the hybrid PET-MR system was assessed using the Dice coefficient, the Hausdorff distance (HD) and the average distance (AD) to a manual segmentation of the tumor validated by a medical expert. Experimental results on these datasets show that lesions visible on both PET and MR images are detected, and that the segmentation delineates precisely the tumor contours (Dice, HD and MD values of 0.85 ± 0.09, 7.28 ± 5.42 mm and 0.72 ± 0.36mm respectively).

Thèse de doctorat présenté en vue de l'obtention du doctorat en psychologie - recherche intervention, option neuropsychologie clinique (Ph.D) / Il est de plus en plus communément admis que la plupart des fonctions cognitives chez l’humain sont organisées sous forme de réseaux cérébraux distribués plutôt que strictement sous forme de modules anatomiques ségrégués et localisés. Parmi ces fonctions cognitives, nos capacités à nommer des objets ou à formuler des idées sont fondamentales dans la communication verbale et une perturbation de ces capacités peut mener à des limitations significatives au quotidien (ex. manque de fluidité, discours vide de sens, paraphasies et difficultés à se faire comprendre). La combinaison multimodale des données en imagerie par résonance magnétique (IRM) est une façon d’étudier ces réseaux cérébraux. Elle permet d’investiguer simultanément plusieurs pans de l’architecture neurobiologique qui forme ces réseaux cérébraux (ex. les dynamiques fonctionnelles qu’entretiennent les différentes aires cérébrales et leurs connexions anatomiques sous-jacentes). L’intégration de l’IRM fonctionnelle (IRMf) pour guider la tractographie représente une combinaison multimodale pertinente pour étudier le réseau fonctionnel (aires cérébrales) et structurel (fibre de matière blanche) qui permet la dénomination d’images chez l’humain. Néanmoins, la combinaison de ces modalités est complexe et il n’existe à ce jour aucune documentation strictement dédiée à l’intégration l’IRMf pour guider la tractographie (ex. procédurier, bonnes pratiques, etc.). Le premier objectif de cette thèse consistait donc à effectuer une synthèse intégrative des aspects méthodologiques associés à l’intégration de l’IRMf pour guider la tractographie via une étude de la portée (article/étude #1). Nos résultats sont organisés en 19 constats qui concernent les défis méthodologiques associés à cette méthode de combinaison multimodale. Nous y proposons également des recommandations, des pistes de solution et avons identifié des lacunes dans les connaissances associées à cette méthodologie. Le second objectif de cette thèse visait à cartographier le réseau cérébral impliqué dans la dénomination d’images en intégrant l’IRMf pour guider la tractographie auprès de jeunes adultes en santé (article/étude #2). En appliquant les connaissances de l’article/étude #1 dans le cadre d’une étude empirique, nous avons pu proposer un modèle neurocognitif de la dénomination d’images. Dans ce modèle, nous validons la présence d’une voie ventrale et dorsale du traitement de l’information. Les résultats suggèrent aussi que les parties postérieures du cortex inférotemporal et du gyrus temporal supérieur peuvent servir d’interface entre ces deux voies du traitement de l’information. Cette étude appuie également la suggestion d'une voie ventrale indirecte qui transige par le lobe temporal antérieur. Finalement, cette thèse propose un outil fort utile pour les chercheurs qui désirent utiliser cette méthode intégrative, avancer les connaissances ou encore développer de nouveaux outils méthodologiques. Grâce à a l’intégration de l’IRMf pour guider la tractographie et la triangulation des données issues d’autres méthodes, cette thèse offre une analyse détaillée des processus cognitifs et des bases neurobiologiques impliqués dans la dénomination d’images. Il s’agit encore ici d’un outil très pertinent pour tous les cliniciens qui ont recours à la dénomination d’images dans le cadre de leur pratique. / It has become more and more consensual that most cognitive functions in humans are organized in distributed brain networks rather than simply segregated and localized modules. Amongst these cognitive functions, our ability to name objects and elaborate ideas is fundamental for verbal communication as naming impairments can lead to significant limitations (i.e., lack of fluidity, empty speech, paraphasias and struggles to be understood). Multimodal magnetic resonance imaging (MRI) data combination provide opportunities for studying brain networks. It allows us to simultaneously investigate different aspects of the neurobiological architecture that forms brain networks (i.e., the functional dynamics that brain areas maintain together and their underlying anatomical connections). The integration of functional MRI (fMRI) to guide diffusion MRI (dMRI) tractography therefore represents an interesting way of combining multimodal MRI to study functional networks (brain areas) and white matter structures that allow picture naming abilities in humans. However, combining different MRI modalities remains a complex challenge and, up to this date, there is no documentation strictly dedicated to the integration of fMRI to guide dMRI tractography (i.e. bests practices, step-by-step guide, recommendations, etc.). The first objective of this thesis was to provide an integrative synthesis of the methodological aspects related to the integration of fMRI to guide dMRI tractography through a scoping review (article/study #1). Our results are organized in 19 findings which concern the methodological challenges associated with this multimodal combination technique. We there offer recommendations, solutions and identify gaps in the literature. The second objective of this thesis was to map the brain network involved in picture naming by integrating fMRI to guide dMRI tractography in healthy young adults (article/study #2). By applying the knowledge obtained from article/study #1 in the context of an experimental study, we were able to propose a neurocognitive model of picture naming. In this model, we confirm the presence of a ventral and dorsal information processing pathway. Our results also suggest that the posterior parts of the inferotemporal cortex and superior temporal gyrus may serve as an interface between these two information processing pathways. This study also supports the hypothesis of an indirect ventral pathway that relays through the anterior temporal lobe. Finally, this thesis offers a useful tool for researchers who wish to use this multimodal integrative method, advance knowledge or develop new methodological tools. Thanks to the integration of fMRI to guide dMRI tractography and the triangulation of data from other methods, this thesis was able to offer a complex and comprehensive look at the cognitive processes and neurobiological basis involved in picture naming. Again, this is also a very relevant tool for all clinicians who use picture naming in their everyday practice.

L’épilepsie insulaire (ÉI) est une forme rare d’épilepsie focale qui, en raison des défis liés à son diagnostic, est difficilement cernable. De plus, la prise en charge des patients avec ÉI s’avère complexifiée par le fait que cette pathologie est fréquemment résistante aux médicaments anti-crises. Pour ces cas médico-réfractaires, la chirurgie insulaire est une option viable. Cela dit, les patients subissant une telle intervention développent fréquemment des déficits neurologiques postopératoires; heureusement, la grande majorité de ceux-ci récupèrent complètement et rapidement. Or, le mécanisme sous-tendant ce singulier rétablissement fonctionnel demeure à ce jour mal compris. Deux modalités modernes d’IRM structurelle, soit l’analyse d’épaisseur corticale et la tractographie, ont permis, dans les dernières années, de décrire les altérations architecturales caractéristiques et potentiellement diagnostiques de divers types d’épilepsie ainsi que de caractériser les remodelages plastiques qui suivent la chirurgie de l’épilepsie extra-insulaire. Cependant, à ce jour, aucune étude ne s’est encore penchée sur le cas de l’ÉI. De ce fait, les études qui constituent cette thèse exploitent l’IRM structurelle afin, d’une part, de dépeindre les altérations d’épaisseur du cortex et de connectivité de matière blanche associées à l’ÉI et, d’autre part, de définir les réarrangements de connectivité subséquents à la chirurgie insulaire pour contrôle épileptique. Les deux premières études de cette thèse ont révélé que l’ÉI était associée à un pattern majoritairement ipsilatéral d’atrophie corticale et d’hyperconnectivité impliquant principalement des sous-régions insulaires et des régions connectées à l’insula. De manière intéressante, la topologie de ces changements correspondait, au moins en partie, à celle du réseau épileptique de l’ÉI. Ensuite, la troisième étude visait à décrire, par le biais d’une méta-analyse, l’histoire naturelle postopératoire des patients subissant une chirurgie pour ÉI. Cette analyse a, entre autres, confirmé que cette chirurgie était efficace (66.7% de disparition des crises) et qu’elle était fréquemment accompagnée de complications neurologiques (42.5%) qui, dans la plupart des cas, étaient transitoires (78.7% des complications) et récupéraient entièrement dans les trois mois postopératoires (91.6% des complications transitoires). Finalement, la quatrième étude a révélé que la chirurgie pour ÉI était suivie d’altérations de connectivité diffuses et bilatérales. Notamment, les connexions présentant une augmentation de connectivité concernaient particulièrement des régions localisées soit près de la cavité chirurgicale ou dans l’hémisphère controlatéral à l’intervention. De plus, la majorité de ces renforcements structurels se sont produits dans les six premiers mois suivant la chirurgie, un délai comparable à celui durant lequel la majeure partie de la récupération fonctionnelle postopératoire a été observée dans notre méta-analyse. En somme, nos résultats suggèrent que les altérations morphologiques en lien avec l’ÉI peuvent correspondre à son réseau épileptique sous-jacent. La topologie de ces changements pourrait constituer un biomarqueur structurel diagnostique qui aiderait à la reconnaissance de l’ÉI et, concomitamment, favoriserait possiblement un traitement chirurgical plus adapté et plus efficace. De plus, les augmentations de connectivité postopératoires pourraient correspondre à des réponses neuroplastiques permettant de prendre en charge les fonctions altérées par la chirurgie. Nos constats ont ainsi contribué à la caractérisation des mécanismes étayant la singulière récupération fonctionnelle accompagnant la chirurgie pour ÉI. À plus grande échelle, nos travaux offrent un aperçu du potentiel de l’IRM structurelle à assister au diagnostic de l’épilepsie focale ainsi qu’à participer à la description des changements plastiques subséquents à une résection neurochirurgicale. / Insular epilepsy (IE) is a rare type of focal epilepsy that is difficult to diagnose. In addition to the challenging nature of IE detection, management of patients with this condition is complicated by the tendency of insular seizures to be resistant to anti-seizure medications. For such medically refractory cases, insular surgery constitutes a viable and long-lasting therapeutic option. That said, patients who undergo an insular resection for seizure control frequently develop postoperative neurological deficits; fortunately, most of these impairments recover fully and rapidly. While this favorable postoperative course contributes to improving the outcome of IE surgery, the mechanism underlying the functional recovery remains unknown. Two contemporary structural MRI modalities, namely cortical thickness analysis and tractography, have recently been used to describe characteristic structural alterations of focal epilepsies and to elucidate the postoperative plastic remodeling associated with surgery for extra-insular epilepsy. While these analyses added to our understanding of several localization-related epilepsies, none specifically studied IE. In this thesis, we exploit structural MRI techniques to, first, depict the alterations of cortical thickness and white matter connectivity in IE and, second, define the progressive rearrangements that follow insular surgery for epilepsy. The first two studies of the current thesis showed that IE is associated with a primarily ipsilateral pattern of cortical thinning and hyperconnectivity that mainly involves insular subregions and insula-connected regions. Interestingly, the topology of these changes corresponded, at least in part, to the epileptic network of IE. Furthermore, the third study aimed to describe, via a meta-analysis, the postoperative outcome of patients undergoing surgery for IE. Among other findings, the analysis revealed that insular surgery was effective (66.7% seizure freedom rate) but was associated with a significant risk of neurological complications (42.5%) which, in most cases, were transient (78.7% of all complications) and recovered fully within three months (91.6% of transient complications). Finally, the fourth study showed that surgery for IE was followed by a diffuse pattern of bilateral structural connectivity changes. Notably, connections exhibiting an increase in connectivity were specifically located near the surgical cavity and in the contralateral healthy hemisphere. In addition, the majority of the structural strengthening occurred in the first six months following surgery, a time course that is consistent with the short delay during which most of the postoperative functional recovery was observed in our meta-analysis. Our results suggest that the morphological alterations in IE may reflect its underlying epileptic network. The topology of these changes may constitute a structural biomarker that could help diagnose IE more readily and, concomitantly, potentially enable a more targeted and more effective surgical treatment. Moreover, the postoperative increases in connectivity may be compatible with compensatory neuroplastic responses, a process that arose to recoup the functions of the injured insular cortex. Our findings have therefore contributed to the characterization of the driving process that supports the striking functional recovery seen following surgery for IE. On a larger scale, our work provides insights into the potential of structural MRI to assist in the diagnosis of focal epilepsy and to describe plastic changes following neurosurgical resections.

L’expression faciale est un vecteur de communication important dans l’expérience de douleur. Cependant, les corrélats neuronaux associés à cette manifestation de la douleur demeurent peu investigués. Le but de ce mémoire était de développer un modèle neurobiologique permettant de prédire l’expression faciale évoquée par des stimuli douloureux afin d’approfondir nos connaissances sur les mécanismes cérébraux de la douleur et de la communication non verbale. La signature cérébrale de l’expression faciale de la douleur a été élaborée sur un jeu de données d’IRMf acquis chez des adultes en santé en utilisant des algorithmes d’apprentissage machine pour prédire des scores d’expression faciale évoquée par des stimulations douloureuses phasiques (c.-à-d. de courtes stimulations) à l’échelle de la population. Les résultats suggèrent qu’il est possible de prédire ces réponses faciales à partir d’un patron d’activation multivoxels. Cette signature cérébrale se distingue, du moins partiellement, de signatures cérébrales prédictives de l’intensité et du caractère déplaisant de la douleur rapportée et de la valeur future de la douleur. Bien que d’autres études soient nécessaires pour examiner la spécificité et la généralisabilité de la signature cérébrale de l’expression faciale de la douleur, ce mémoire souligne l’existence d’une représentation cérébrale spatialement distribuée prédictive des réponses faciales en lien avec la douleur, et suggère l’importance de cette mesure comportementale dans l’expérience de la douleur comme étant complémentaire aux mesures autorapportées de l’intensité perçue. / Facial expression is an important communication vector in the experience of pain. However, the neural correlates associated with this manifestation of pain remain relatively unexplored. The goal of this thesis was to develop a neurobiological model to predict facial expression evoked by painful stimuli in order to expand our knowledge of the brain mechanisms of pain and non-verbal communication. The brain signature of facial expressions of pain was developed on a dataset including healthy adults using machine learning algorithms to predict facial expression scores evoked by phasic painful stimuli (i.e., short stimulation) at the population level. The results suggest that it is possible to predict the facial expression of pain from a multivoxel activation pattern. This brain signature of facial pain expression is at least partially distinct from other brain signatures predictive of reported pain intensity and unpleasantness, and future pain value. Although further studies are needed to examine the specificity and generalizability of the brain signature of facial expression of pain, this master thesis highlights the existence of a spatially distributed brain representation predictive of pain-related facial responses, and suggests the importance of this behavioural measure in the experience of pain as complementary to self-reported measures of pain intensity.

L'exercice aérobique (AE) est associé à de nombreuses modifications fonctionnelles et anatomiques dans le cerveau humain. Par exemple, il a été démontré que l'EA modulait l'excitabilité corticale et la neurochimie immédiatement après l'exercice. Les effets d'une activité physique répétée et soutenue sur les fonctions cérébrales restent toutefois mal compris. En effet, peu de données sont disponibles permettant de déterminer si les personnes ayant une bonne condition physique présentent des modifications persistantes de l'excitabilité corticale et du métabolisme cérébral malgré les changements rapportés dans la matière grise et la matière blanche. Dans la présente étude, 20 personnes sédentaires en bonne santé (< 2 heures/semaine d'activité physique) ont été comparées à 20 personnes actives (> 6 heures/semaine d'activité physique) sur la base de mesures de l'excitabilité corticale (rMT, courbe I/O, SICI, ICF) et de la concentration de métabolites (GABA, Glx, NAA) dans la représentation corticale de la main droite. L'épaisseur corticale de la représentation du cortex moteur primaire de la main droite et la densité apparente des fibres de la voie corticospinale (CST) ont également été évaluées. L'aptitude cardiorespiratoire (VO2max) était significativement plus élevée chez les athlètes que chez les sédentaires, ce qui n'était pas le cas de l'indice de masse corporelle. Aucune différence entre les groupes n'a été constatée en ce qui concerne les mesures du rMT, du SICI et de l'ICF. Les valeurs de la courbe I/O étaient significativement plus élevées et la courbe I/O était plus prononcée chez les individus actifs. Aucune différence significative n'a été observée pour l'épaisseur corticale, la concentration de métabolites et les valeurs de diffusion de la CST. La pente de la courbe I/O était positivement corrélée à la VO2max. Les présentes données suggèrent que des niveaux élevés de capacité aérobique sont associés à une excitabilité corticale accrue dans la représentation de la main du cortex moteur primaire. / Aerobic exercise is associated with widespread functional and anatomical modifications in the human brain. For example, AE has been shown to modulate cortical excitability and neurochemistry immediately after exercise. The effects of repeated and sustained physical activity on brain function, however, remain poorly understood. Indeed, little is known about whether individuals with high levels of fitness display persistent modifications in cortical excitability and brain metabolism despite reported changes in grey and white matter. In the present study, 20 healthy sedentary individuals (< 2 hours/week AE) were compared to 20 active individuals (> 6 hours/week AE) on measures of cortical excitability (rMT, I/O curve, SICI, ICF) and metabolite concentration (GABA, Glx, NAA) in the cortical representation of the right hand. Cortical thickness of the primary motor cortex representation of the right hand and corticospinal tract (CST) apparent fiber density (AFD) were also assessed. Cardiorespiratory fitness (VO2max) was significantly higher in athletes compared to sedentary individuals whereas body mass index was not. No group differences were found on measures of rMT, SICI and ICF. I/O curve values were significantly higher, and the I/O curve was steeper in active individuals. No significant differences were observed between the groups for cortical thickness, metabolite concentration and CST diffusion values. I/O curve slope was positively correlated with VO2max. The present data suggest that high levels of aerobic fitness are associated with increased cortical excitability in the hand representation of the primary motor cortex.

L'aphasie est un trouble acquis du langage qui cause des difficultés de communication pouvant affecter la compréhension et l'expression. Lorsque l'aphasie survient par suite d’un accident vasculaire cérébral, des difficultés importantes de communication sont initialement constatées, puis une amélioration graduelle dans les semaines et les mois qui suivent. Toutefois, pour certaines personnes, l’aphasie peut rester sévère un an, l’aphasie est alors considérée comme chronique. L'une des manifestations les plus courantes de l'aphasie est l'anomie - un manque de mots. Un nombre croissant d'études se penchent sur l'impact de la thérapie sur l'aphasie chronique et ont montré une amélioration du langage après plusieurs années. Des thérapies sont développées et étudiées en anglais, mais peu d’écrits scientifiques décrivent les effets des thérapies spécifiques et formalisées en français. Le but du présent travail doctoral est d'examiner les effets comportementaux et d’explorer les substrats neurologies du protocole Analyse des Composantes Phonologiques (ACP) ainsi que l’influence des facteurs individuels sur les gains chez dix-huit personnes vivant avec une aphasie chronique. Ainsi, la thèse comporte trois articles qui abordent, chacun, des facettes différentes des effets de l’ACP. Dans le premier article, les effets comportementaux de l’ACP sont explorés ainsi que le rôle des facteurs individuels sur la réponse à l’intervention. Le deuxième considère l’effet de l’ACP sur la connectivité fonctionnelle du cerveau, tout en considérant l’effet des facteurs individuels. Enfin, le troisième article s’intéresse à la réponse par suite de l’intervention ACP en considérant les facteurs individuels du bilinguisme et des caractéristiques neuroanatomiques comme la localisation des lésions et l’épaisseur corticale. L'ensemble de résultats démontre une amélioration significative de la dénomination des noms parmi les dix-huit participant·e·s inclus·e·s. Par ailleurs, cette amélioration a été mesurée sur des mots non-traités, ce qui reflète un effet de généralisation. Par surcroit, cette amélioration se maintient à trois mois et six mois après la fin de l’intervention. L’âge, la sévérité de l’anomie et la présence d’une apraxie de la parole sévère influencent les gains mesurés. Les analyses neurofonctionnelles de connectivité fonctionnelle au repos auprès de dix participant·e·s montrent une meilleure intégration des réseaux visuels et langagiers, associés lors d’une tâche de dénomination des noms. Les changements de connectivité observés dépendent de la sévérité de l'aphasie. Plus spécifiquement, l’intégration interhémisphérique et au sein de l’hémisphère droit est plus importante chez les personnes ayant une aphasie plus légère. Finalement, être bilingue influence aussi les gains observés par suite du protocole Analyse des Composantes Phonologiques. Les personnes bilingues s’améliorent davantage, cet avantage est associé une épaisseur corticale supérieure dans l’hémisphère droit comparativement aux personnes monolingues. Ces données préliminaires suggèrent que les changements comportementaux observés résultent de la combinaison des composantes phonologiques et orthographiques de l'intervention, et que l’intervention requiert et entraîne les fonctions exécutives. Les données cueillies dans le cadre de cette thèse sont prometteuses en ce qui concerne les effets bénéfiques de l’Analyse des Composantes Phonologiques en français. Plus précisément, les gains mesurés auprès d’un échantillon présentant des symptômes variés, la généralisation et le maintien supportent l’utilisation de ce protocole d’intervention auprès de personnes francophones. Il est à noter que la taille du groupe étudié est modeste, mais les méthodologies complémentaires et la convergence des résultats avec les données existantes dans les écrits scientifiques et à travers les méthodes d'étude de cette thèse (niveaux comportemental et neurofonctionnel) justifient des études subséquentes pour mieux comprendre les mécanismes d'action et l’influence des facteurs individuels sur les gains. / Aphasia is an acquired language disorder that causes communication difficulties that can affect understanding and expression. When aphasia occurs following a stroke, significant communication difficulties are initially noted, followed by gradual improvement over the following weeks and months. However, for some people, the aphasia may remain severe after a year even when recovery has been seen, in which case the aphasia is considered chronic. One of the most common symptoms in aphasia is anomia - a difficulty finding and saying words. A growing number of studies are looking at the impact of speech and language therapy on chronic aphasia and have shown improvement in language after several years. Therapies are developed and studied in English, but little scientific literature describes the effects of specific, formalized therapies in French. The purpose of the present doctoral work is to examine the behavioural effects and to explore the neurological substrates of the Phonological Component Analysis (PCA) protocol as well as the influence of individual factors on gains in 18 adults living with chronic aphasia. Thus, the dissertation consists of three articles, each of which addresses different facets of the effects of PCA. In the first article, the behavioural effects of PCA are explored as well as the role of individual factors on the response to the intervention. The second considers the effect of PCA on resting-state functional brain connectivity, while considering the effect of individual factors. Finally, the third paper looks at the response to the PCA intervention by considering the individual factors of bilingualism and neuroanatomical characteristics associated such as cortical thickness, and also lesion location. The overall results show a significant improvement in naming among the eighteen participants included in the thesis. Moreover, this improvement was measured on untreated words, which reflects a generalization effect and was maintained at three and six months after the end of the intervention. Age, severity of impairment and the presence of severe apraxia of speech influenced the measured gains. Neurofunctional analyses of resting-state functional connectivity in ten participants showed improved integration of the visual and language networks, associated during a naming task. The connectivity changes observed depend on the severity of the aphasia. More specifically, interhemispheric and right hemisphere integration is greater in individuals with milder aphasia. Finally, being bilingual also influences the gains observed following the Phonological Component Analysis protocol. Bilinguals improved more, and this advantage was associated with greater cortical thickness in frontal regions of the right hemisphere compared to monolinguals. These preliminary data suggest that the observed behavioural changes result from the combination of the phonological and orthographic components of the intervention, and that the intervention requires and trains executive functions. The data collected in this thesis show promise for the beneficial effects of Phonological Component Analysis in French. Specifically, the gains, generalization, and maintenance measured in a sample of adults living with aphasia displaying varied symptoms support the use of this intervention protocol with French speakers. It should be noted that the size of the study group is modest, but the complementary methodologies and the convergence of the results with existing data in the scientific literature and through the study methods of this thesis (behavioural and neurofunctional levels) justify subsequent studies to better understand the mechanisms of action and the influence of individual factors on gains.

L’apnée obstructive du sommeil (AOS) est l’un des troubles du sommeil les plus fréquents chez l’adulte et sa prévalence augmente avec l’âge. Elle se caractérise par des arrêts répétés de la respiration au cours du sommeil, menant à la présence de fragmentation du sommeil et à de l’hypoxémie intermittente. Lorsque non traité, ce trouble peut mener à diverses conséquences non négligeables sur la santé des individus qui en sont atteints, incluant sur la santé du cerveau. L’AOS est d’ailleurs de plus en plus reconnue comme étant un possible facteur de risque de déclin cognitif et de démence. Dans ce contexte, quelques études transversales ont caractérisé le volume de la substance grise cérébrale chez des adultes vieillissants atteints d’AOS, avec des résultats variables. En effet, certaines études ont noté de plus grands volumes de substance grise chez les personnes avec une AOS plus sévère, alors que d’autres ont retrouvé des plus petits volumes chez cette même population. Ce qui explique la variabilité entre les études demeure à ce jour mal compris, bien que certaines hypothèses aient émergé. Ainsi, cette thèse vise à évaluer l’association entre la sévérité de l’AOS et le volume de substance grise cérébrale chez des personnes d’âge moyen et âgées de manière transversale et longitudinale. La première étude de cette thèse se base sur des techniques de neuroimagerie afin d’évaluer les liens entre la sévérité de l’AOS et le volume de la substance grise cérébrale des sous-régions du lobe temporal médian, soit l’hippocampe, le cortex entorhinal et le cortex parahippocampique. Celles-ci ont été ciblées puisqu’elles peuvent être affectées tôt dans la progression de la pathologie de la maladie d’Alzheimer (MA). De plus, nous avons testé l’effet d’une correction de la portion d’eau libre sur les volumes cérébraux. Finalement, nous avions comme objectif de mieux comprendre si certaines caractéristiques démographiques ou cliniques de nos participants pouvaient avoir un impact sur les associations observées. Nous avons observé qu’une AOS plus sévère était associée à des volumes de substance grise plus grands de certaines sous-régions du lobe temporal médian (hippocampe et cortex entorhinal), mais seulement chez des groupes de participants spécifiques, soit les femmes, les participants plus âgés et ceux présentant un trouble cognitif léger de type amnésique. Le fait d’apporter une correction pour la portion d’eau libre aux volumes mesurés a rendu non significatives les associations observées. Il est donc possible que la présence accrue d’eau extracellulaire, suggérant de l’œdème cérébral, puisse expliquer la présence de plus grands volumes chez les participants présentant une AOS plus sévère. La deuxième étude visait quant à elle à évaluer les changements structurels des sous-régions du lobe temporal médian associés à la sévérité de l’AOS chez des personnes d’âge moyen et âgées sur une période d’environ 2 ans. Nous avons démontré que chez nos participants n’ayant pas utilisé un traitement pour l’AOS, la présence d’interaction entre la sévérité de l’AOS et l’âge permettait d’expliquer les changements annuels de volume de substance grise. De fait, les participants plus jeunes de notre échantillon (< 65 ans) avec une AOS plus sévère présentaient un plus grand taux de changement annuel de volume de substance grise, soulignant la présence d’hypertrophie dans ce sous-groupe. Ceci a été mis en lumière pour l’ensemble des sous-régions du lobe temporal médian. Chez les participants âgés entre 65 et 75 ans, aucune association entre la sévérité de l’AOS et les changements de volume au fil du temps n’a pu être soulignée. Les participants plus âgés (> 75 ans) avec une plus grande sévérité d’AOS présentaient quant à eux une plus grande atrophie au fil du temps dans certaines régions, soit l’hippocampe et le cortex entorhinal. Ces résultats supportent donc une hypothèse biphasique des changements au niveau de la substance grise cérébrale chez les gens présentant de l’AOS, avec une première phase caractérisée par des augmentations de volume chez les adultes plus jeunes, menant éventuellement à de l’atrophie chez les personnes plus âgées. Cette thèse permet d’avoir un portrait plus clair sur la nature des changements et des mécanismes impliqués dans l’association entre la sévérité de l’AOS et les volumes de substance grise. L’un des apports importants est l’utilisation d’une nouvelle méthodologie afin d’obtenir une portion d’eau libre, ce qui a permis de mieux comprendre l’apport potentiel de mécanismes pouvant sous-tendre les changements structuraux observés, notamment l’œdème cérébral. De plus, l’évaluation des caractéristiques individuelles des participants a permis d’expliquer partiellement les incongruences entre les études précédentes. Dans le cadre des études incluses dans cette thèse, nous avons observé des changements plus marqués chez les femmes. Nous avons également pu démontrer que l’âge des individus atteints d’AOS pouvait influencer significativement le patron de changements observés. Les résultats de cette thèse pourraient donc permettre de mieux cibler les personnes avec AOS qui pourraient le plus bénéficier d’un traitement pour maintenir leur santé cérébrale. / Obstructive sleep apnea (OSA) is one of the most common sleep disorders in adults, and its prevalence increases with age. It is characterized by repeated pauses in breathing during sleep, leading to sleep fragmentation and intermittent hypoxemia. If left untreated, this disorder can have numerous consequences, including on the brain’s health. OSA is increasingly recognized as a risk factor for cognitive decline and dementia. In this context, cross-sectional studies have characterized brain gray matter volume in aging adults with OSA, with variable results. Indeed, some studies have noted greater gray matter volumes in people with more severe OSA, while others have found smaller volumes in this same population. What explains the variability between studies remains poorly understood, although some hypotheses have emerged. Thus, this thesis aims to assess the association between OSA severity and cerebral gray matter volume in middle-aged and elderly individuals using cross-sectional and longitudinal designs. The first study in this thesis uses neuroimaging techniques to assess the links between OSA severity and cerebral gray matter volume of the medial temporal lobe subregions, i.e. the hippocampus, entorhinal cortex and parahippocampal cortex. These were chosen as they can be affected early in the progression of Alzheimer's disease (AD) pathology. We also corrected our brain volumes for free-water portion. Finally, we aimed to better understand whether certain demographic or clinical characteristics of our participants might have an impact on the associations observed. We noted that more severe OSA was associated with larger gray matter volumes in certain subregions of the medial temporal lobe (hippocampus and enthorinal cortex), but only in specific groups of participants: women, older participants and those with amnestic mild cognitive impairment. Correcting our volumes for free-water portion rendered the associations nonsignificant. It is therefore possible that the presence of extracellular water, suggestive of cerebral edema, could explain the presence of larger volumes in participants with more severe OSA. The second study aimed to assess longitudinal structural changes associated with OSA severity in middle-aged and elderly people over a period of around 2 years. We found that in participants who did not use treatment for OSA, the presence of interactions between OSA severity and age were associated with the annual changes in gray matter volume. Indeed, younger participants (< 65 years old) in our sample with more severe OSA showed a greater rate of annual change in gray matter volume, highlighting the presence of hypertrophy in this subgroup. This was underlined in all medial temporal lobe subregions. In participants aged between 65 and 75, no association between OSA severity and volume changes over time could be highlighted. Older participants (>75 years old) with greater OSA severity showed greater hippocampal and entorhinal cortex atrophy over time. These results therefore support a biphasic hypothesis of changes in cerebral gray matter in people with OSA, with an initial phase characterized by volume increases in younger adults, eventually leading to atrophy in older people. This thesis provides a clearer picture of the nature of the changes and mechanisms involved in the association between OSA severity and gray matter volumes. An important contribution is the use of a new methodology to obtain a free-water portion, which allows to better understand the potential contribution of mechanisms that may underlie the structural changes observed, notably cerebral edema. In addition, the assessment of participants' individual characteristics helped to partially explain incongruities between previous studies. Indeed, in the studies included in this thesis, we observed more marked changes in certain subgroups of participants, notably women. We were also able to demonstrate that the age of individuals with OSA could significantly influence the pattern of changes observed, either gray matter hypertrophy or atrophy. The results of this thesis could therefore make it possible to target specific subgroups of individuals suffering from OSA who may be at greater risk of displaying changes in gray matter structure, and thus promote screening and treatment when necessary.

La schizophrénie est un trouble de santé mentale sévère, caractérisée par des altérations neurobiologiques marquées. Un biomarqueur notoire de ce trouble est la dysconnectivité cérébrale fonctionnelle, détectée grâce à l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle. Celle-ci se retrouve principalement au niveau des réseaux neurocognitifs qui sous-tendent les fonctions cérébrales supérieures. Toutefois, les altérations de connectivité fonctionnelle cérébrale ne sont pas uniques à la schizophrénie, elles sont également retrouvées dans plusieurs autres troubles de santé mentale. Le premier objectif de cette thèse doctorale est d’effectuer une méta-analyse sur la dysconnectivité cérébrale fonctionnelle à l’état de repos pour dissocier les altérations spécifiques à la schizophrénie de celles qui sont communes aux troubles de l’humeur. Ce projet novateur basé sur l’extraction de labels neuroanatomiques inclut 428 articles scientifiques. Les résultats confirment des altérations transdiagnostiques des réseaux neurocognitifs et soulignent une dysconnectivité spécifique des réseaux sensorimoteurs dans la schizophrénie. Parmi les altérations des réseaux neurocognitifs, une hyperconnectivité entre le réseau central exécutif (REC) et le réseau du mode par défaut (RMD) est associée à des déficits de mémoire de travail dans la schizophrénie, c’est-à-dire à des difficultés de mémorisation et de manipulation d’informations à court terme. Actuellement, aucun traitement efficace n’existe contre ces déficits. La stimulation magnétique transcrânienne (SMT), déjà approuvée comme traitement dans la dépression, est une piste de thérapie prometteuse. Elle agit en modulant spécifiquement les réseaux de connectivité dysfonctionnels. Jusqu’à présent, les effets de l'application de la SMT pour diminuer les déficits de mémoire de travail dans la schizophrénie sont mitigés. Une explication potentielle s’oriente vers la position de la cible de stimulation sur le cortex qui est standardisée et ne prend pas en compte l'importante variabilité interindividuelle dans l'organisation spatiale des réseaux de connectivité fonctionnelle. D'autres paramètres méthodologiques comme l’intensité de stimulation ont aussi un impact sur l’effet de la stimulation. Le second projet de cette thèse consiste à réaliser une étude rétrospective chez les sujets sains afin de confirmer l'importance de cibler spécifiquement le REC par la SMT pour induire une modulation fonctionnelle de celui-ci en fonction de l’intensité de stimulation. Nos résultats montrent que la stimulation spécifique du REC induit une diminution de la connectivité entre le REC et le RMD pour des intensités de stimulation plus faibles. Finalement, le troisième projet de cette thèse a pour objectif d'examiner prospectivement, dans la schizophrénie, l’impact d'une SMT personnalisée par rapport à une SMT standard sur la connectivité fonctionnelle à l’état de repos et les performances de mémoire de travail. La cible de la SMT personnalisée a été définie selon les patrons de connectivité individualisée des participants. L’analyse des données a mis en évidence une instabilité prononcée des réseaux de connectivité qui ne nous a pas permis de conclure quant à l’avantage d’une cible personnalisée pour diminuer l’hyperconnectivité entre REC et RMD et les déficits de mémoire de travail dans la schizophrénie. Toutefois, une relation avec la force de la connectivité préstimulation a été identifiée. En conclusion, cette thèse souligne deux points majeurs pour caractériser l’étiologie et le développement de thérapies efficaces pour diminuer les déficits de mémoire de travail dans la schizophrénie. Premièrement, elle confirme la dysconnectivité transdiagnostique des réseaux neurocognitifs dans les troubles psychiatriques et souligne les altérations spécifiques des fonctions sensorimotrices dans la schizophrénie. Deuxièmement, elle démontre l'importance de déterminer des paramètres de stimulation fiables et individualisés pour optimiser l’efficacité de la SMT. / Schizophrenia is a severe mental illness characterized by substantial neurobiological alterations. A notable biomarker of this mental disorder is the functional brain dysconnectivity identified through functional magnetic resonance imaging. The functional brain connectivity alterations are mainly detected within the neurocognitive networks underlying higher brain functions. However, these dysfunctions are not unique to schizophrenia and are also found in other psychiatric disorders. The first objective of this doctoral thesis is to conduct a meta-analysis on resting-state functional brain dysconnectivity in schizophrenia and mood disorders to reveal commonalities and specificities of alterations, based on mean group effects. This innovative project based on the extraction of neuroanatomical labels includes 428 scientific articles. Meta-analytic results confirm transdiagnostic alterations in neurocognitive networks and highlight a specific dysconnectivity in sensorimotor networks in schizophrenia. Among neurocognitive networks alterations, hyperconnectivity between the central executive network (CEN) and the default mode network (DMN) is associated with working memory deficits in schizophrenia, i.e. difficulties to temporarily hold and manipulate information in memory. Currently, there are no effective treatments for these deficits. Transcranial magnetic stimulation (TMS), already approved for depression, is a promising therapeutic approach. This neuromodulation tool operates by modulating dysfunctional connectivity networks. However, TMS effects to decrease working memory deficits in schizophrenia are mixed. A potential explanation lies in the standardized positioning of the stimulation target on the cortex, which does not account for significant inter-individual variability in the spatial organization of functional connectivity networks. Other methodological parameters, such as stimulation intensity, also impact the stimulation's effectiveness. The second project of this thesis aimed to conduct a retrospective study in healthy subjects to confirm the importance of specifically targeting the CEN to induce a functional modulation of these network. The impact of stimulation intensity was also evaluated. Results showed that a specific stimulation of CEN led to a decreased of the functional connectivity between the CEN and the DMN for subthreshold intensities. Finally, a third project aimed to prospectively examine, in schizophrenia, the effects of a personalized TMS compared to a standard TMS on resting-state functional connectivity and working memory performance. Personalized TMS targets were defined based on patients’ individual connectivity patterns. The data analysis revealed a pronounced instability in connectivity networks, which did not allow us to conclude on the advantage of a personalized target to reduce hyperconnectivity between the CEN and the DMN and working memory deficits in schizophrenia. However, a relationship with pre-stimulation connectivity strength was identified. In conclusion, this thesis highlights two major points for characterizing the etiology and the development of optimal TMS to reduce working memory deficits in schizophrenia. First, it confirms the transdiagnostic dysconnectivity of neurocognitive networks in psychiatric disorders and highlights specific alterations of sensorimotor functions in schizophrenia. Second, it demonstrates the importance of identifying reliable and individualized stimulation parameters to optimize the TMS.

Thèse présentée en vue de l’obtention du grade de Ph. D. recherche et intervention en psychologie, option neuropsychologie clinique / L’aphasie survient le plus souvent à la suite d’un accident vasculaire cérébral (AVC) ischémique touchant l’artère cérébrale moyenne (ACM) gauche et représente l’une des conséquences les plus dévastatrices d’un AVC. La présente thèse vise à répondre à deux lacunes scientifiques importantes dans le domaine de l’aphasie secondaire à l’AVC impliquant l’ACM gauche, la première, plus fondamentale, et la seconde, plus clinique. Dans un premier temps, alors que les effets de l’AVC ischémique sur la matière grise ont été largement documentés dans les études précédentes, les mécanismes sous-tendant les dommages à la matière blanche cérébrale demeurent peu étudiés. Ainsi, le premier article inclus dans cette thèse vise à décrire le patron d’évolution longitudinale des propriétés microstructurelles de la matière blanche ipsilésionnelle après un AVC ischémique impliquant l’ACM gauche, en utilisant l’imagerie par résonance magnétique de diffusion. Nos résultats suggèrent que différents mécanismes pathophysiologiques s’opèrent pendant les stades aigu, subaigu précoce et chronique de l’AVC, avec la matière blanche lésionnelle et la matière blanche périlésionnelle affectée par l’ischémie à différents degrés et selon un décours temporel différent. Nous montrons que la considération d’une combinaison de mesures de diffusion à différents temps de mesure peut nous informer par rapport à la nature des différents mécanismes pathophysiologiques en cours, incluant l’oedème cellulaire, les dommages axonaux et la dégradation de la gaine de myéline. Une autre question qui demeure peu explorée dans la littérature sur l’aphasie post-AVC concerne la façon dont l’anomie, son symptôme cardinal, est reflétée dans la production de discours aux stades précoces du trouble. Le second article de cette thèse vise donc à évaluer la relation entre les mesures quantitatives de la production de discours et la performance dans le contexte de tâches de dénomination d’images au stade subaigu précoce de l’aphasie post-AVC impliquant l’ACM gauche (8-14 jours post-AVC). Nos résultats montrent la présence d’atteintes pour plusieurs mesures micro- et macrolinguistiques du discours chez les personnes avec aphasie et indiquent que l’informativité du discours (unités de contenu sémantique) est la mesure discursive la plus fortement corrélée aux capacités de dénomination. Nos résultats contribuent à une meilleure compréhension de la façon dont l’anomie est reflétée dans le contexte de la production de discours continu chez les personnes avec aphasie post-AVC dans la phase précoce du trouble. Ils suggèrent également que l’évaluation quantitative du discours peut offrir de l’information unique et potentiellement plus complexe à propos des atteintes langagières précoces, laquelle ne peut être entièrement captée par une tâche de dénomination d’images. / Post-stroke aphasia most frequently occurs after an ischemic stroke involving the left middle cerebral artery (MCA) and represents one of the most devastating consequences of a stroke. This thesis aims to address two major scientific gaps in the field of post-stroke aphasia: the first one is more fundamental, and the second one, more clinical. First, while the effects of ischemic stroke on cerebral grey matter have been thoroughly described in previous literature, the mechanisms of ischemic white matter injury remain far less understood. The first article of this thesis aims to characterize the longitudinal evolution of the microstructural properties of ipsilesional white matter after an ischemic stroke involving the left MCA, using diffusion magnetic resonance imaging. Our findings suggest that various pathophysiological mechanisms are at play after the ischemic stroke, with the lesional white matter and perilesional white matter tissue affected by ischemia at different rates and to different extents. We show that the examination of multiple diffusivity metrics may inform us about the mechanisms occurring at different time points, including cellular edema, axonal damage, and myelin loss. Another scientific gap in the post-stroke aphasia literature is that we do not know how anomia, its cardinal feature, is reflected in connected speech production during the early stages of the disease. The second article included in the thesis aims to assess the relationship between quantitative measures of connected speech production and performance in confrontation naming in people with aphasia in the early subacute stage following an ischemic stroke involving the left MCA (8–14 days post-stroke). We provide evidence for the presence of impairments in an array of micro- and macrolinguistic measures of speech in individuals with post-stroke aphasia and we show that confrontation naming abilities most strongly relate to informativeness in a picture description task. Our findings contribute to a better understanding of how anomia impacts connected speech production in the first days after stroke onset and suggest that quantitative discourse analysis may provide unique, possibly more complex information that isn’t entirely captured by picture naming tasks.