Ce travail de thèse vise à améliorer notre compréhension des mécanismes sous-tendant la perception et la mémorisation des structures sonores complexes. Nous avons étudié les corrélats comportementaux et cérébraux de la perception et de la mémoire auditive pour des notes isolées, des séquences musicales et des séquences de mots, chez des auditeurs typiques et dans l'amusie congénitale, un trouble permanent de la perception de la musique. En utilisant des approches comportementales, nous avons démontré que les déficits des individus amusiques dans la dimension de la hauteur sont liés à des déficits à la fois durant l’encodage des sons courts et dans la rétention à court terme de l'information musicale. En utilisant des mesures neurophysiologiques (IRM, MEG, IRMf) nous avons démontré l’existence d’anomalies anatomiques et fonctionnelles dans le cerveau amusique, principalement dans les cortex frontal et auditif droits. De plus des anomalies fonctionnelles ont été observées à la fois durant l'encodage, la rétention et la reconnaissance de l'information mélodique lors d’une tâche de mémoire à court terme. En revanche, pour le matériel verbal, les participants amusiques recrutaient des régions cérébrales similaires à celles des contrôles, ceci suggérant que des ressources neuronales distinctes sous-tendent la mémoire tonale et verbale. A partir des conclusions de ces trois premières études, nous avons exploré deux approches visant à renforcer les capacités de traitement de la hauteur dans l'amusie: 1) en étudiant si des connaissances implicites du système musical occidental tonal pouvaient améliorer leurs capacités de mémoire à court terme pour les notes, et 2) en explorant si les capacités d’encodage altérées des participants amusiques pouvaient être améliorées par des interactions audio-visuelles. Ces études ont été encourageantes et pourraient guider la conception d'outils de réhabilitation dans ce déficit. Enfin, il convient de souligner que nos recherches contribuent également à améliorer la compréhension des mécanismes sous-tendant le traitement de la musique en général, un domaine de recherche émergeant qui fait le parallèle avec le traitement du langage / The aim of this PhD thesis is to further our understanding about how humans perceive and nmemorize complex sound structures. We investigated the behavioral and cerebral correlates of auditory perception and memory for isolated tones, musical sequences, and verbal material both in typical listeners and in individuals presenting a lifelong disorder of music perception that has been referred to as congenital amusia. Using behavioral approaches, we demonstrated that amusic individuals’ deficits in the pitch dimension are related to impairments both in the encoding of short tones and in the short term retention of pitch information. Using multimodal neuroimaging methods (MRI, MEG, fMRI) we observed anatomical and functional abnormalities in the amusic brain, mostly in the right frontal cortex and in the right auditory cortex. Functional abnormalities were observed at each level of processing in short-term memory tasks, that is for encoding, retention, and retrieval of the melodic information. In contrast, for verbal material, amusic participants recruited similar brain regions as those observed for controls, thus suggesting that separate neural resources support tonal and verbal memory. Based on the conclusions made on these first three studies, we explored two approaches aiming to boost pitch processing abilities in amusia; 1) by investigating whether implicit knowledge of the western tonal musical system could influence their short-term memory abilities, and 2) by exploring whether amusic individuals’ altered encoding of short tones could be improved by audio-visual interactions These investigations were encouraging and provide the first steps toward designing tools of rehabilitation in this musical disorder. To conclude, it is worth underlining that these studies also improve our understanding of music processing in general, which is the subject of an increasing research domain that is often making the parallel to language processing

L’ingénierie du tissu osseux vise à concevoir un substitut tissulaire associant des cellules ostéoprogénitrices à une matrice tridimensionnelle capable de promouvoir la reconstruction osseuse, ouvrant la voie au développement de thérapeutiques substitutives à la pratique de la greffe dont les limitations sont bien connues.Le but de ce travail a été de développer un nouveau produit d’ingénierie tissulaire (PIT) destiné à la régénération osseuse constitué i) d’une matrice tridimensionnelle poreuse constituée de polysaccharides naturels biodégradables, ii) de cellules souches adultes issues du tissu adipeux humain (ADSCs) et d’identifier les conditions de culture optimales permettant le développement d’un produit fonctionnel pour une utilisation clinique. Nos résultats montrent que l’architecture et la composition de la matrice macroporeuse polysaccharidique permet de guider la différenciation ostéoblastique des ADSCs, en l’absence de facteurs ostéogéniques, et notamment en conditions de culture dynamique, grâce à l’organisation cellulaire en agrégats promouvant les interactions cellulaires. Les ADSCs peuvent être marquées à l’aide de nanoparticules superparamagnétiques et suivies in vivo de façon non invasive par imagerie par résonnance magnétique (IRM) au sein des matrices après leur implantation en site sous-cutané chez la souris. Les images IRM montrent que le matériau permet de délivrer une partie des cellules au niveau du site d’implantation participant probablement à un processus de réparation tissulaire. Enfin, en vue d’applications cliniques, un milieu de culture sans sérum répondant aux conditions GMP (Good Manufacturing Practices) pour la différenciation ostéoblastique a été développé par un industriel et validé au cours de ce travail de thèse.En conclusion de ces travaux, l’association d’une matrice macroporeuse composée de polysaccharides avec des ADSCs dans des conditions de culture spécifiques, en conditions dynamiques, semble pertinente et prometteuse pour des applications cliniques en ingénierie du tissu osseux. / Bone tissue engineering may associate osteoprogenitor cells to a tridimensional scaffold that can promote tissue reconstruction in order to replace bone grafting strategies whose limitations are well known. This study aims to develop a new tissue-engineered construct for bone regeneration constituted by i) a tridimensional polysaccharide-based scaffold, ii) adult stem cells extracted from human adipose tissue and identify the best culture conditions needed to develop a functional construct for clinical use. Our results show that this macroporous scaffold offers, without any osteoinductive factors, a suitable architecture and composition for driving osteoblastic differentiation of ADSCs especially when placing the tissue-engineered construct in dynamic conditions, thanks to cell aggregate conformation promoting cell-to-cell interactions. Thanks to ADSCs labeling, the tissue-engineered construct can be tracked in vivo in a non invasive way by magnetic resonance imaging (MRI), after their subcutaneous implantation. Results evidenced that this scaffold behaves as a cell carrier for of holding in its own cell fraction and delivering another fraction to the site of implantation for inducing a better tissue regeneration process. Finally, a serum free medium meeting standards GMPs (Good Manufacturing Practices) has been developed for inducing ADSCs osteoblastic differentiation as a first step towards clinical application.In conclusion, this polysaccharide-based scaffold associated with ADSCs, cultured under low fluid flow in a new bioreactor device, could be a relevant and promising tissue engineered construct for bone tissue engineering applications.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une modalité qui offre de bons contrastes et une bonne résolution spatiale, mais qui souffre d'un important problème de sensibilité. Pour répondre à cette problématique, le paradigme actuel est d'accroitre le champ magnétique des aimants d'IRM. Ceci mène toutefois à une explosion des coûts et à des contraintes accrues vis-à-vis des patients. L'approche que nous présentons est radicalement différente~: il s'agit de travailler à champ faible. Les antennes classiques n'étant pas assez sensibles pour recueillir le signal, l'idée est d'utiliser des SQIF. Ces derniers sont une nouvelle technologie d'antennes supraconductrices ultra-sensibles basées sur les réseaux de SQUID. Le projet vise à optimiser les capteurs SQIF et à les adapter pour la première fois à la RMN afin de mesurer un signal sur un aimant à 0.2~T.Pour ce faire, nous avons développé et étudié les performances de nouvelles architectures d'antennes SQIF afin de définir la géométrie la plus adaptée à la RMN. Nous avons également cherché à mieux comprendre comment le contexte d'utilisation de ces nouvelles antennes pouvait influencer leurs performances. Le jeu d'antennes le plus performant réalisé avait un facteur de transfert de 8.4~kVperT et un seuil de détection de 190~fTperHz. Il fut également observé que la présence d'un champ magnétique pendant le refroidissement de ces capteurs supraconducteurs dégradait leur réponse, phénomène à prendre en compte en RMN.Un Démonstrateur Super-QIF intégrant un SQIF dans l'IRM à 0.2~T fut conçu en tenant compte des contraintes géométriques et de l'environnement magnétique. Après sa fabrication, la température du cryostat était de 50~K, donc suffisante pour le bon fonctionnement des SQIF. Les premiers tests ont montrés que la présence du système ne perturbait pas le signal de RMN.Le démonstrateur est toujours en cours de développement et devrait permettre de mesurer un de RMN dans les mois à venir. À long terme, ces travaux pavent la voie à des applications des SQIF en IRM à champ terrestre. / Magnetic resonance imaging (MRI) is a modality that offers good contrasts and good spatial resolution, but suffers from a significant sensitivity problem. To address this issue, the current paradigm is to increase the magnetic field of MRI magnets. However, this leads to an explosion of costs and to increased constraints on patients. The approach we present is radically different: it involves working in a weak field. As conventional antennas are not sensitive enough to collect the signal, the idea is to use SQIF. These are a new ultra sensitive superconducting antenna technology based on SQUID networks. The project aims to optimize SQIF technology and adapt it to measure an NMR signal in a 0.2~T magnet.To do this, we developed and studied the performance of new SQIF antenna architectures in order to define the geometry most suitable for NMR. We also sought to better understand how the context of use of these new antennas could influence their performance. The best performing antennas set had a transfer factor of 8.4~kVperT and a detection threshold of 190~fTperHz. It was also observed that the presence of a magnetic field during the cooling of these superconducting sensors degraded their response, a phenomenon to be accounted for in NMR.The Super-QIF Demonstrator incorporating a SQIF in the 0.2~T MRI was designed considering the geometric constraints and the magnetic environment. After its assembly, the temperature of the cryostat was 50~K, therefore sufficient for the proper operation of SQIF. The first tests showed that the system presence did not disturb the NMR signal.The demonstrator is still under development and is expected to measure an NMR signal in the forthcoming months. In the long term, this work paves the way for applications of SQIF in Earth's field MRI.

Dans ce travail, les s´séquences Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) radiales à temps d’écho ultra-court (UTE) sont analysées pour évaluer leur potentiel dans l’étude non-invasive de différents modèles expérimentaux de maladies pulmonaires chez la souris. Chez le petit animal, les séquences radiales UTE peuvent efficacement limiter l’impact négatif sur la qualité de l’image dû au déphasage rapide des spins causé par les nombreuses interfaces air/tissu. En plus, les séquences radiales UTE sont moins sensibles aux artefacts de mouvement par rapport aux séquences Cartésiennes classiques. En conséquence, chez le petit animal, les séquences radiales UTE peuvent permettre d’obtenir des images du poumon avec une résolution bien inférieure au millimètre avec des rapports signal/bruit importants dans le parenchyme pulmonaire, tout en travaillant en conditions physiologiques (animaux en respiration spontanée). Dans cette thèse, il sera démontré que les séquences d’IRM protonique UTE sont outils efficaces dans l’étude quantitative et non-invasive de différents marqueurs distinctifs de certaines pathologies pulmonaires d’intérêt général. Les protocoles développés serontsimples, rapides et non-invasifs, faciles à implémenter, avec une interférence minimale sur la pathologie pulmonaire étudiée et, en définitive, potentiellement applicables chez l’homme. Il sera ainsi démontré que l’emploi des agents de contraste, administrés via les voies aériennes, permet d’augmenter la sensibilité des protocoles développés. Parallèlement, dans cette thèse des protocoles suffisamment flexibles seront implémentés afin de permettre l’étude d’un agent de contraste paramagnétique générique pour des applications aux poumons. / In this work, ultra-short echo time (UTE) Magnetic Resonance Imaging (MRI) sequences are investigated as flexible tools for the noninvasive study of experimental models of lung diseases in mice. In small animals radial UTE sequences can indeed efficiently limit the negative impact on lung image quality due to the fast spin dephasing caused by the multiple air/tissue interfaces. In addition, radial UTE sequences are less sensitive to motion artifacts compared to standard Cartesian acquisitions. As a result, radial UTE acquisitions can provide lung images in small animals at sub-millimetric resolution with significant signal to noise ratio in the lung parenchyma, while working with physiological conditions (freely-breathing animals). In this thesis, UTE proton MRI sequences were shown to be efficient instruments to quantitatively investigate a number of hallmarks in longitudinal models of relevant lung diseases with minimal interference with the lung pathophysiology, employing easilyimplementable fast protocols. The synergic use of positive contrast agents, along with anadvantageous administration modality, was shown to be a valuable help in the increase of sensitivity of UTE MRI. At the same time, UTE MRI was shown to be an extremely useful and efficacious sequence for studying positive contrast agents in lungs

Tout ce qui vit, naît, se nourrit, se reproduit et meurt. Pour le cerveau, la question se complexifie car à la survie des neurones s'ajoute le coût de l'activité cérébrale. La question de la gestion énergétique pour les neurones est particulière car les cellules de notre cerveau évoluent de manière concertée et non par compétition. On sait avec l'imagerie médicale que l'usine neuronale ne fonctionne pas uniquement grâce au glucose ; elle utilise d'autres apports énergétiques tels que le lactate ou le glutamate pour soutenir sa production. Lorsqu'une tumeur apparaît, elle change le métabolisme énergétique pour survivre et soutenir sa propre croissance. En particulier, les cellules cancéreuses se fournissent en lactate et choisissent leur substrat préféré en fonction de l'oxygène disponible. La modélisation mathématique des substrats énergétiques est un outil de choix pour décrire et prédire de tels flux. Coupler ces modèles à des données issues de l'IRM et de la SRM permet d'améliorer la prise en charge du patient présentant un gliome.Cette thèse propose l'approche de plusieurs dynamiques en substrat dans le cerveau sain et gliomateux en se basant sur des systèmes d'équations : échanges locaux en lactate (EDO, système lent-rapide), échanges globaux en substrats (EDO), cycle glutamate/glutamine (EDR) et échanges en lactate en dimensions supérieures (EDP). Ces modèles sont expliqués, décrits grâce aux mathématiques et permettent l'élaboration de simulations ajustées selon des données patient ou issues de la littérature.L'énergie est nécessaire au maintien de la vie. Mais si votre voisin consomme une partie de vos ressources, pouvez-vous encore espérer survivre ? / Everything that lives is born, eats, reproduces and dies. For the brain, the question is more complex because neurons have to survive and to support brain activity. Energy management is also particular because brain cells evolve together with no competition. Thanks to medical imaging, we know that neurons do not consume only glucose. They can use others energetic substrates such as lactate and glutamate as a power source.When a tumor appears, it changes the energetic metabolism to survive and support its own growth. In particular, cancer cells like to consume lactate. They also choose their favorite substrate based on the available oxygen. Modeling of energy substrates is useful to describe and predict energetic kinetics and changes. Mathematical models could get with clinical and medical results to describe, explain or predict low grade glioma dynamics. They can help to characterize and quantify a tumor evolution, then leading to improve their therapeutical management. Exchanges between mathematics and MRI (and MRS) enable to get accurate data and to build suitable mathematical models.This thesis deals with several approaches of substrates dynamics in healthy and gliomatous brains. These researches are based on systems of equations. We model local lactate exchanges (ODE, fast-slow systems), global substrates exchanges (ODE), glutamate/glutamine cycle (RDE) and local lactate exchanges in higher dimensions (PDE). We describe, analyze and give simulations of these models. Simulations are fitted on patient MRI data or literature data. Energy is necessary to live. But if your neighbor consumes a part of your resources, can you still survive ? / Tutto ciò che vive nasce, si nutre, si riproduce e muore. Per il cervello, la questione è più complessa perché i neuroni devono sopravvivere e sostenere l'attività cerebrale. La gestione energetica cerebrale è particolare anche perché le cellule cerebrali evolvono insieme, senza concorrenza. Inoltre, grazie alle immagini mediche, sappiamo che i neuroni non consumano solo del glucosio ma usano altri substrati energetici come il lattato o il glutammato.Quando un tumore si stabilisce, cambia il metabolismo energetico del cervello per sopravvivere e sostenere la propria crescita. In particolare, cellule tumorali consumano del lattato e scelgono il loro substrato preferito basandosi all'ossigeno disponibile.La matematica, e in particolare l'elaborazione di modelli matematici può aiutarci a ottimizzare i dati disponibili, che possono essere, di volta in volta, delle proprietà cellulare o delle lastre MRI o MRS. La modellizzazione dei substrati energetici potrebbe descrivere, spiegare o prevedere le dinamiche energetiche nel cervello.Questa tesi tratta di diversi approcci della dinamica dei substrati nei cervelli sani e gliomatosi. Queste ricerche si basano su sistemi di equazioni. Modellizziamo scambi locali di lattato (ODE, sistemi fast-slow), scambi globali di substrati (ODE), ciclo glutammato/glutammina (RDE) e scambi locali di lattato in dimensioni superiori (PDE). Descriviamo, analizziamo e diamo simulazioni di questi modelli. Le simulazioni sono adeguate su dati MRI paziente o dati di letteratura.Per vivere, l’energia è una necessità. Ma se i Suoi vicini consumassero le Sue risorse, riuscirebbe ancora a sopravvivere ?

Maintenant que les effets délétères des commotions cérébrales sur l’intégrité cérébrale sont mieux compris, la question se pose quant à savoir si la pratique d'un sport de contact, par l’exposition répétée à des coups à la tête en l'absence de commotion cérébrale, pourrait être associée à des effets similaires. Grâce à l’examen neuropsychologique et aux méthodes d’imagerie par résonance magnétique, l’objectif principal de cette thèse était de déterminer les impacts cognitifs, métaboliques et microstructurels de l’exposition répétée à des coups à la tête chez des joueurs universitaires de soccer et de rugby, sans historique de commotion cérébrale. Un deuxième objectif était de déterminer si la réponse aux impacts dits « sous-cliniques » (de l'anglais subconcussive) pouvait être modulée par les effets plastiques de la pratique d'un sport aérobique sur le cerveau. Pour ce faire, trois groupes ont été comparés: des athlètes pratiquant un sport de contact (soccer, rugby, A-SC), des athlètes pratiquant un sport sans contact (nage, A-SSC) et des non-athlètes (NA). La présente thèse est constituée de trois articles. Le premier présente une revue de la littérature sur les effets des commotions cérébrales sur l'excitabilité corticospinale et intracorticale du cortex moteur primaire (M1), tels que mesuré par la stimulation magnétique transcrânienne. Cette description des études antérieures a permis de proposer l'existence de mécanismes neuronaux spécifiques, notamment au niveau neurochimique, et orienter les hypothèses de l'étude 2. Le deuxième article compare les trois groupes de participants sur des mesures neurométaboliques (spectroscopie par résonance magnétique; SRM), neurologiques (imagerie de susceptibilité; SWI) et cognitives. La SRM a révélé des niveaux significativement élevés de myo-inositol dans le M1 des A-SC comparativement aux A-SSC et aux NA. Toujours chez les A-SC, une diminution préfrontale de glutamate+glutamine (Glx) et de GABA a été observée comparativement aux A-SSC seulement. Aucune différence significative n’a été observée entre les groupes pour la présence de microhémorragies et pour les mesures de fonctionnement attentionnel, exécutif et mnésique. Cependant, une corrélation positive a été observée entre la concentration de Glx et la performance en mémoire incidentielle chez les A-SC. Le troisième article porte sur la microstructure de la matière blanche en imagerie de diffusion (ITD). Globalement, les A-SSC présentaient des valeurs d’anisotropie fractionnelle (FA) significativement plus élevées comparativement aux A-SC dans le corps calleux et la voie corticospinale, et comparativement aux deux groupes dans les régions antérieures du corps calleux. Aucune corrélation significative n’a été observée entre les mesures de FA et les tâches cognitives. Au chapitre 5, des données additionnelles, non incluses dans les articles expérimentaux, sont rapportées. Premièrement, des données d'épaisseur de matière grise montrent l'absence de différence significative entre les trois groupes. Deuxièmement, des comparaisons intersexes exploratoires en SRM ont montré des concentrations de NAA moins élevées chez les femmes A-SC comparativement aux femmes A-SSC. En ITD, des différences significatives intergroupes ont été observées seulement chez les hommes, dans divers segments du corps calleux. En somme, l’exposition répétée à des coups sous-cliniques, dans un contexte de sport de contact universitaire, est liée à des changements métaboliques et microstructurels de la matière blanche comparativement à des A-SSC. Cependant, l'absence globale de différence métabolique et structurelle entre les A-SC et les NA, ainsi que l'absence de différence dans le profil cognitif des groupes, suggère une signification clinique limitée à court terme de l'exposition répétée à des coups à la tête en l'absence d'un historique de commotion cérébrale. / Now that the deleterious effects of sport-related concussions on brain integrity are better understood, the question arises as to whether the practice of a contact sport, through repeated exposure to head blows, could be associated with similar effects even in the absence of a concussion. With neuropsychological assessment and magnetic resonance imaging methods, the main objective of this thesis was to assess the cognitive, metabolic and microstructural effects of repetitive head impact exposure in university-level soccer and rugby players without a history of concussion. A second objective was to determine whether the response to so-called subconcussive impacts could be modulated by the effects of physical fitness on the brain. To do so, three groups were compared: athletes practicing a contact sport (soccer and rugby, A-CS), athletes practicing a noncontact sport (swimming, A-NCS), and non-athletes (NA). Three papers are presented in this thesis. The first one is a systematic review of the literature reporting the effects of concussions on the corticospinal and intracortical excitability of the primary motor cortex (M1), measured with transcranial magnetic stimulation. The description of previous studies highlighted the existence of specific neuronal mechanisms at the neurochemical level, and helped guide hypotheses for study 2. The second paper compares the three groups of participants on neurometabolic (magnetic resonance spectroscopy; MRS), neurological (susceptibility-weighted imaging; SWI), and cognitive measures. MRS revealed significantly elevated levels of myo-inositol in the M1 of the A-CS group compared to A-NCS and NA. Furthermore, in the A-CS group, decreased levels of prefrontal glutamate+glutamine (Glx) and GABA were observed compared to A-NSC only. No significant differences were found between groups for microhemorrhages and for attentional, executive and memory function. However, a positive correlation was observed between Glx concentration and performance at a memory task in A-CS. The third paper focuses on white matter microstructure as measured by diffusion weighted imaging (DWI). Overall, the A-NCS group exhibited significantly higher fractional anisotropy (FA) values than the A-CS group in the corpus callosum and the corticospinal tract, and in the anterior section of the corpus callosum compared to the other two groups. No significant correlation was found between FA values and cognitive tasks. In chapter 5, additional data that was not included in the experimental papers are presented. First, cortical thickness data showed no significant differences between the three groups. Second, exploratory intersex analyses were performed. MRS data showed lower NAA concentrations in female A-CS compared to female A-NCS. DWI data showed significant intergroup differences in men only for various segments of the corpus callosum. In sum, exposure to repetitive subconcussive hits to the head in university-level contact sports is associated with metabolic and white matter microstructural alterations. However, the overall lack of metabolic and structural difference between the A-CS and NA groups, as well as the lack of differences in the cognitive profile of the three groups suggest limited short term clinical significance of repeated exposure to head blows in the absence of a history of concussion.

La maladie d’Alzheimer (MA) est à l’origine de la majorité des cas de démence chez les personnes âgées. Son diagnostic précoce est essentiel pour mieux comprendre les mécanismes cérébraux sous-tendant la manifestation phénotypique de la maladie et développer des interventions conséquentes. Le fait d’étudier des individus à risque de développer la MA, par exemple ceux présentant un déclin cognitif subjectif (DCS) ou un trouble cognitif léger (TCL), offre l’opportunité d’examiner les processus neuropathophysiologiques qui précèdent le stade démentiel. Cela permettrait, entre autres, d’identifier des biomarqueurs avant-coureurs de la maladie. Cette thèse avait pour but d’investiguer la présence d’hyperactivation cérébrale chez des individus à risque de développer la MA, et d’examiner les réseaux cérébraux fonctionnels associés à l’hyperactivation. L’hyperactivation se définit par la présence de niveaux supérieurs d’activation cérébrale chez des personnes faisant partie de groupes à risque pour la MA (p.ex. DCS ou TCL), comparativement à des participants contrôles cognitivement sains. L’hyperactivation est le plus souvent mesurée par l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) en condition de réalisation de tâche. Dans cette thèse, le lecteur ou la lectrice sera d’abord exposée aux études ayant utilisé l’IRMf pour examiner les patrons d’activation cérébrale et de connectivité fonctionnelle chez les individus ayant reçu un diagnostic clinique de MA, de TCL ou présentant un DCS. Les modèles théoriques découlant de ces études seront ensuite présentés. Afin de mieux comprendre le phénomène d’hyperactivation et sa relation avec les patrons de connectivité fonctionnelle, les divers enjeux scientifiques qui demeurent à être abordés seront ensuite décrits (Chapitre 1). Trois articles exposant les études empiriques formant le corps de la thèse seront ensuite présentés. La première étude avait pour but de documenter la présence, la localisation et l’évolution longitudinale de l’hyperactivation iv associée à une tâche de mémoire épisodique chez des individus qui rencontrent les critères de TCL et qui ont ultérieurement progressé vers une démence (Chapitre 2). La deuxième étude visait à déterminer la trajectoire de l’activation cérébrale associée à une tâche de mémoire associative en fonction du degré de sévérité de la maladie chez un groupe d’individus à risque de développer la MA. Elle avait également pour but de déterminer la présence d’hyperactivation chez des personnes rencontrant les critères de DCS plus (ou DCS+), qui sont des individus présentant une plainte de mémoire ainsi que des marqueurs génétiques et/ou de neurodégénérescence pour la MA (Chapitre 3). La troisième étude avait pour but d’examiner les réseaux cérébraux fonctionnels associés aux régions montrant de l’hyperactivation chez des individus à risque de développer la MA. Elle avait également pour objectif d’évaluer comment l’hyperactivation et ces réseaux cérébraux fonctionnels sont reliés aux performances en mémoire (Chapitre 4). Les résultats découlant de l’étude 1 ont permis de mettre en évidence la présence d’hyperactivation chez des individus présentant un TCL et ayant ultérieurement progressé vers le stade de démence. Les trouvailles de l’étude 2 indiquent qu’une fonction quadratique décrit la relation entre des indices de sévérité de la maladie et l’activation pariétale supérieure gauche chez un groupe d’individus à risque de développer la MA (DCS+ et TCL). Par ailleurs, des niveaux supérieurs d’activation, c’est-à-dire de l’hyperactivation, étaient retrouvés dans les hippocampes + et plusieurs régions temporo-pariétales dans le groupe d’individus DCS . Une hypoactivation pariétale supérieure gauche était plutôt retrouvée chez les individus TCL. Enfin, les résultats de l’étude 3 indiquent que l’hyperactivation de régions prédéterminées est associée à la dysfonction de réseaux cérébraux fonctionnels impliqués dans les processus de mémoire associative dans le DCS+ et le TCL. De plus, ces interactions hyperactivation-réseaux étaient associées à une symptomatologie cognitive croissante. Les implications de cette thèse et ses limites sont abordées dans la discussion (Chapitre 5). / Alzheimer's disease (AD) is the most common cause of dementia in older adults. Its early diagnosis is essential to better understand the brain mechanisms underlying the phenotypical manifestation of the disease and develop consequent interventions. The study of individuals at risk of AD, for example those presenting with subjective cognitive decline (SCD) or mild cognitive impairment (MCI), offers the opportunity to examine the neuropathophysiological processes preceding the dementia stage. This would allow, among other things, to identify early biomarkers of the disease. The general aim of this thesis was to determine the presence of cerebral hyperactivation and to assess functional brain networks associated with hyperactivation. Hyperactivation is defined by the presence of higher levels of brain activation in individuals at risk of AD (i.e. SCD, MCI) in comparison to cognitively healthy controls. Hyperactivation is most often measured with functional magnetic resonance imaging (fMRI) while participants perform a cognitive task. In this thesis, the reader will first be exposed to the studies which used fMRI to examine patterns of brain activation and connectivity in individuals with a clinical diagnosis of AD, MCI or presenting with SCD. Theoretical models resulting from these studies will then be presented. The scientific issues remaining to be addressed to better understand the phenomenon of hyperactivation and its relation to functional brain networks will then be described (Chapter 1). Three empirical studies forming the core of this thesis will be presented. The first study aimed to assess the presence, localization and longitudinal evolution of hyperactivation associated with an episodic memory task in individuals meeting criteria for MCI and having subsequently progressed towards dementia (Chapter 2). The second study aimed to determine the trajectory of brain activation associated with an associative memory task as a function of disease severity in a group of individuals at risk of AD. It also aimed to determine if hyperactivation is present in viii participants meeting criteria for SCD plus (or SCD+), who are individuals presenting with memory complaint in addition to genetic and/or neurodegeneresence markers of AD (Chapter 3). The third and last study aimed to examine patterns of functional connectivity related to regions of hyperactivation, and to assess how hyperactivation and its associated functional networks relate to memory performance in individuals at risk of AD (Chapter 4). Results from the first study highlighted the presence of hyperactivation in individuals with MCI who subsequently progressed to the dementia stage. Findings from the second study revealed a quadratic function describing the relationship between proxies of disease severity (neurodegeneration, memory performance) and left superior parietal activation in a group of individuals at risk of AD (SCD+ and MCI). Moreover, higher levels of activation, i.e. hyperactivation, were found in hippocampal and temporo-parietal regions in the SCD+ group. Hypoactivation was rather found in the left superior parietal area in the MCI group. Finally, results from the third study revealed that hyperactivation of predetermined regions was associated with dysfunction of functional brain networks underlying associative memory in SCD+ and MCI. Moreover, these hyperactivation-network interactions were associated with increasing symptomatology. The implications of this thesis and its limits are addressed in the discussion section (Chapter 5).

Les parcellations cérébrales sont appliquées en neuroimagerie pour aider les chercheurs à ré- duire la haute dimensionnalité des données d’IRM fonctionnelle. L’objectif principal est une meilleure compréhension de l’organisation fonctionnelle du cerveau tant chez les sujets sains que chez les sujets souffrant de troubles neurologiques, dont la maladie d’Alzheimer. Malgré la vague d’approches de parcellations précédentes, les mesures de performance doivent en- core être améliorées pour générer des parcellations fiables, même avec de longues acquisitions. Autrement dit, une reproductibilité plus élevée qui permet aux chercheurs de reproduire des parcellations et de comparer leurs études. Il est également important de minimiser la perte d’informations entre les données compressées et les données brutes pour représenter avec précision l’organisation d’un cerveau individuel. Dans cette thèse, j’ai développé une nou- velle approche pour parcellaire le cerveau en reconfigurations spatiales distinctes appelées «états dynamiques de parcellations». J’ai utilisé une méthode d’agrégation de cluster simple DYPAC1.0 de parcelles basées sur des semences sur plusieurs fenêtres de temps. J’ai émis l’hypothèse que cette nouvelle façon de formaliser le problème de parcellisation améliorera les mesures de performance par rapport aux parcellations statiques. Le premier chapitre de ce document est une introduction générale au contexte des réseaux à grande échelle du cerveau humain. Je montre également l’importance des parcellations pour une meilleure compréhension du cerveau humain à l’aide de connectomes fonctionnels afin de prédire les schémas de progression de la maladie. Ensuite, j’explique pourquoi le problème de parcelli- sation cérébrale est difficile et les différentes questions de recherche ouvertes associées à ce domaine. Mes contributions à la recherche sont subdivisées en deux articles. Les deuxième et troisième chapitres sont consacrés au premier article principal et à son supplément publié dans Network Neuroscience Journal. Le quatrième chapitre représente le deuxième document en préparation. Le cinquième chapitre conclut mes contributions et ses implications dans le domaine de la neuroimagerie, ainsi que des orientations de recherche ouvertes. En un mot, la principale conclusion de ce travail est l’existence de reconfigurations spatiales distinctes dans tout le cerveau avec des scores de reproductibilité presque parfaits sur les données de test-retest (jusqu’à 0,9 coefficient de corrélation de Pearson). Un algorithme d’agrégation de cluster simple et évolutif appelé DYPAC 1.0 est expliqué pour identifier ces reconfigu- rations ou «états dynamiques de parcellations» pour des sous-réseaux de départ spécifiques (deuxième chapitre). L’analyse de ces états a montré l’existence d’un répertoire plus riche «d’états dynamiques» dans le cas des cortex hétéromodaux (ex: cortex cingulaire posté- rieur et cortex cingulaire antérieur dorsal) par rapport aux cortex unimodaux (ex: cortex visuel). En outre, les résultats de l’analyse de reproductibilité ont montré que DYPAC 1.0 a de meilleurs résultats de reproductibilité (en termes de corrélation de Pearson) par rapport aux parcelles statiques (deuxième chapitre). Plusieurs analyses démontrent que DYPAC 1.0 est robuste au choix de ses paramètres (troisième chapitre). Ces résultats et l’évolutivité de DYPAC 1.0 ont motivé une analyse complète du niveau cérébral. Je présente DYPAC 2.0 comme une approche au niveau cérébral complet pour fragmenter le cerveau en «états dynamiques de parcellations». Des reconfigurations spatiales distinctes et se chevauchant ou «états dynamiques» sont identifiées pour différentes régions du cerveau (quatrième chapitre). Ces états ont des scores de compression prometteurs qui montrent une faible perte d’infor- mations entre les cartes de stabilité d’état réduit et les données d’origine dans les cortex cérébraux, c’est-à-dire jusqu’à seulement 20% de perte de la variance expliquée. Cette thèse présente ainsi de nouvelles contributions dans le domaine de la parcellisation fonctionnelle qui pourraient avoir un impact sur la manière dont les chercheurs modélisent les interactions riches et dynamiques entre les réseaux cérébraux dans la santé et la maladie. / Brain parcellations are applied in neuroimaging to help researchers reduce the high dimen- sionality of the functional MRI data. The main objective is a better understanding of the brain functional organization in both healthy subjects and subjects having neurological dis- orders, including Alzheimer disease. Despite the flurry of previous parcellation approaches, the performance measures still need improvement to generate reliable parcellations even with long acquisitions. That is, a higher reproducibility that allows researchers to replicate par- cellations and compare their studies. It is also important to minimize the information loss between the compressed data and the raw data to accurately represent the organization of an individual brain. In this thesis, I developed a new approach to parcellate the brain into distinct spatial reconfigurations called “dynamic states of parcellations”. I used a simple cluster aggregation method DYPAC1.0 of seed based parcels over multiple time windows. I hypothesized this new way to formalize the parcellation problem will improve performance measures over static parcellations. The first chapter of this document is a general context introduction to the human brain large scale networks. I also show the importance of par- cellations for a better understanding of the human brain using functional connectomes in order to predict patterns of disease progression. Then, I explain why the brain parcellation problem is hard and the different open research questions associated with this field. My research contributions are subdivided into two papers. The second and the third chapters are dedicated to the first main paper and its supplementary published in Network Neuro- science Journal. The fourth chapter represents the second paper under preparation. The fifth chapter concludes my contributions and its implications in the neuroimaging field, along with open research directions. In a nutshell, the main finding of this work is the existence of distinct spatial reconfigurations throughout the brain with near perfect reproducibility scores across test-retest data (up to .9 Pearson correlation coefficient). A simple and scalable clus- ter aggregation algorithm called DYPAC 1.0 is explained to identify these reconfigurations or “dynamic states of parcellations” for specific seed subnetworks (second chapter). The analysis of these states showed the existence of a richer repertoire of “dynamic states” in the case of heteromodal cortices (e.g., posterior cingulate cortex and the dorsal anterior cingulate cortex) compared to unimodal cortices (e.g., visual cortex). Also, the reproducibility analysis results showed that DYPAC 1.0 has better reproducibility results (in terms of Pearson corre- lation) compared to static parcels (second chapter). Several analyses demonstrate DYPAC 1.0 is robust to the choice of its parameters (third chapter). These findings and the scalabil- ity of DYPAC 1.0 motivated a full brain level analysis. I present DYPAC 2.0 as the full brain level approach to parcellate the brain into “dynamic states of parcellations”. Distinct and overlapping spatial reconfigurations or “dynamic states” are identified for different regions throughout the brain (fourth chapter). These states have promising compression scores that show low information loss between the reduced state stability maps and the original data throughout the cerebral cortices, i.e. up to only 20% loss in explained variance. This thesis thus presents new contributions in the functional parcellation field that may impact how researchers model the rich and dynamic interactions between brain networks in health and disease.

Les affects, émotions et humeurs sont des processus complexes dont le fonctionnement précis échappe toujours à la neuroscience affective. Un récent mouvement des études IRMf s’est tourné vers la recherche d’effets aux niveaux inter- et intra-individuels en raison du manque d’applicabilité individuelle des résultats provenant de moyennes de groupes basées sur des données transversales. En particulier, la recherche intra-individuelle permet l’étude de liens directs entre l’affectivité et la connectivité chez de mêmes individus à travers le temps. De précédentes études en IRMf rapportent ce type associations chez un unique participant, notre objectif a été d’étudier les effets intra-individuels communs pour un groupe d’individus. Nous avons utilisé le jeu de données Day2day, composé de 40 à 50 sessions pour 6 participants, chaque session incluant des données d’IRMf au repos ainsi que d’auto-évaluations des états affectifs. Nous avons analysé la relation entre l’affectivité et la connectivité fonctionnelle entre des régions cérébrales précédemment liées aux émotions et affects à l’aide de régressions linéaires mixtes multivariées. Nos modèles ont isolé des patrons de connectivité communs et généralisables liés aux variations intra-individuelles de l’affectivité observées au cours de plusieurs semaines et mois. Ces modèles impliquaient particulièrement l’amygdale et l’insula. Nos résultats ouvrent la possibilité de reproduire de tels modèles sur des jeux de données plus larges ainsi qu’à évaluer l’hétérogénéité entre sujets au-delà des effets moyens. La caractérisation de tels processus neurobiologiques pourrait être d’une grande utilité en clinique comme biomarqueur transdiagnostique de l’état affectif ou potentielle cible thérapeutique. / Affects, emotions and moods are complex processes, the precise functioning of which still eludes affective neuroscience. A recent movement in fMRI has turned to research of effects at the inter- and intra-individual level in response to the lack of individual-level applicability of results from cross-sectional group mean studies. In particular, intra-individual research enables the study of direct links between affective states and underlying connectivity in individuals across time. Previous fMRI studies have described these associations in a single participant, our objective was to find shared intraindividual effects across multiple subjects. We have used the Day2day dataset, comprising 40 to 50 sessions for six participants, each session including data from resting-state fMRI scans and self-report measures of state affectivity. We have investigated the relationship between affectivity and connectivity in brain regions linked to emotions and affects using multivariate mixed linear analysis. Our models have isolated common and generalizable patterns of connectivity linked to variations in affectivity observed over multiple weeks and months. These models involved mainly the amygdala and insula. Our results incentivize the re-creation of such modelsin larger datasets, and to assess heterogeneity beyond group mean effects. The characterization of such neurobiological processes could be of great use in a clinical setting as a transdiagnostic biomarker or as a potential therapeutic target.

Dans ce travail, la dosimétrie par gel de Fricke est proposée comme méthode pour mesurer avec précision la distribution de dose tridimensionnelle des plans de radiothérapie. Ce mémoire examine la faisabilité d’utiliser cette méthode pour la dosimétrie des faisceaux de photons d’un accélérateur linéaire avec lecture du gel par IRM. Cette étude comprend le développement des dosimètres de Fricke à base de gel, le développement de méthodes d’étalonnage et leur utilisation pour la dosimétrie de plans de radiation complexes tel que l’arcthérapie volumétrique modulée utilisé en radiothérapie du cerveau entier avec préservation de l’hippocampe. Les propriétés dosimétriques du gel de Fricke, y compris la réponse des taux de relaxation R1 et R2 à la dose, la linéarité de la réponse, la diffusion des ions ferriques et un effet gravitationnel d’inhomogénéité des composantes du gel sont décrits dans ce mémoire. De plus, les aspects pratiques de la mise en œuvre de la dosimétrie par gel de Fricke dans un flux de travail d’assurance qualité des traitements cliniques ont été étudiés, ce qui inclut la préparation du gel, le recalage des données de planification de traitement avec ceux d'imagerie du gel et les séquences de lecture IRM. Les résultats de cette recherche démontrent le potentiel de la dosimétrie par gel de Fricke comme outil fiable pour mesurer avec précision la distribution de dose tridimensionnelle des plans cliniques en radio- oncologie. / In this work, Fricke gel dosimetry is proposed as a method to accurately measure the three- dimensional dose distribution of radiotherapy plans. This thesis examines the feasibility of using this method for the dosimetry of photon beams from a linear accelerator with reading of the gel by MRI. This study includes the development of gel-based Fricke dosimeters, the development of calibration methods and their use for the dosimetry of complex radiation planes such as volumetric modulated arc therapy used in whole-brain radiotherapy with preservation of hippocampus. The dosimetric properties of the Fricke gel, including the response of the relaxation rates R1 and R2 to the dose, the linearity of the response, the diffusion of ferric ions and a gravitational effect of inhomogeneity of the components of the gel are described in this dissertation. Additionally, the practical aspects of implementing Fricke gel dosimetry into a clinical delivery quality assurance workflow were investigated, which includes gel preparation, the registration of treatment planning data with those of gel imaging and MRI reading sequences. The results of this research demonstrate the potential of Fricke gel dosimetry as a reliable tool to accurately measure the three-dimensional dose distribution of clinical plans in radiation oncology.