La technique d’acquisition comprimée ou compressed sensing (CS) exploite la compressibilité de différents types d’images pour reconstruire des données sous-échantillonnées sans perte d’informations. Cette technique peut être appliquée à l’IRM pour réduire les temps d’acquisition. CS est basée sur trois composantes majeures : (1) la représentation parcimonieuse du signal dans un domaine de transformation, (2) des mesures incohérentes et (3) une méthode de reconstruction non-linéaire avec une contrainte de parcimonie. Dans la première résultats partie de cette thèse, nous proposons un nouveau modèle de sous-échantillonnage basé sur la théorie de l’agrégation limitée par la diffusion (DLA) et montrons qu’il est plus performant que la méthode de sous-échantillonnage aléatoire. Le modèle de sous-échantillonnage DLA a été utilisé pour implémenter la technique de CS pour l’imagerie haute résolution pondérée T2 et T1 sur un champ magnétique très intense (17.2T). Pour chacune des pondérations, le temps d’acquisition a été réduit de 50% tout en conservant la qualité des images en termes de résolution spatiale, rapport contraste sur bruit et quantification de l’intensité du signal. Les deux nouvelles séquences d’impulsions CS (csRARE et csFLASH) ont été implémentées sur le logiciel commercial ParaVision 5.1. La seconde résultats partie de la thèse est centrée sur l’étude de la dépendance en temps de la diffusivité dans le ganglion abdominal de l’Aplysia Californica. Le ganglion abdominal de l’aplysie a été choisi pour cette étude d’imagerie car l’IRM à haute résolution permet la description anatomique fine du réseau cellulaire (taille des neurones individuels et orientation des axones). Utiliser les tissus neuronaux de l’aplysie pour étudier la relation entre la structure cellulaire et le signal d’IRM de diffusion peut permettre de comprendre cette relation pour des organismes plus complexes. Le signal d’IRM de diffusion (IRMd) a été mesuré à différents temps de diffusion dans le ganglion abdominal et des simulations de la diffusion de l’eau dans des géométries obtenues à partir de la segmentation d’images haute résolution pondérées T2 et l’incorporation d’informations sur la structure cellulaire trouvées dans la littérature ont été réalisées. Pour comparer le signal d’IRMd dans des neurones composés d’une seule cellule avec le signal des simulations numériques, des cellules de grande taille ont été segmentées à partir d’images anatomiques pondérées T2. A l’intérieur des cellules, un noyau à forme irrégulière a été généré manuellement (environ 25-30% en fraction volumique). Les petites cellules ont été modélisées comme des petites sphères avec un petit noyau sphérique concentrique (environ 25% en fraction volumique). Le nerf a été modélisé en combinant des axones (cylindres) de différents diamètres en cohérence avec la littérature. Le signal numérique d’IRMd a été simulé en résolvant l’équation de Bloch-Torrey pour les domaines géométriques décris ci-dessus. En fittant le signal expérimental avec le signal simulé pour différents types de cellules comme les grandes cellules neuronales (diamètre entre 150 et 420 µm), des agrégats de petites cellules neuronales ayant la forme d’un sac (jusqu’à 400 cellule chez l’aplysie adulte dans chaque sac avec une taille cellulaire entre 40 et 100 µm de diamètre), des nerfs (groupes d’axones de forme cylindrique avec un diamètre de moins de 1 à 25 µm) pour une grande gamme de temps de diffusions, nous avons obtenu des estimations du coefficient de diffusion intrinsèque dans le noyau et le cytoplasme (pour les neurones) et le coefficient de diffusion intrinsèque dans les axones (pour les nerfs). Nous avons aussi évalué la pertinence d’utiliser une formule préexistante décrivant la dépendance en temps du coefficient de diffusion pour estimer la taille des cellules. / Compressed sensing (CS) exploits the compressibility of different types of images to reconstruct undersampled data without loss of information. The technique can be applied to MRI to reduce the acquisition times. The CS is based on three major components: (1) sparsity representation of the signal in some transform domain, (2) incoherent measurements, and (3) sparsity-constrained nonlinear reconstruction method. If the total number of points in the image is larger than four times the number of sparse coefficients, then the reconstruction of under sampled data is feasible. In the first results part of this thesis, we propose a new under sampling model based on the diffusion limited aggregation (DLA) theory and show that it performs better than the random variable under sampling method. The DLA under sampling model was used to implement the CS for T2-weighted and T1-weighted high resolution imaging at the ultra-high magnetic field (17.2T). In both cases, the acquisition time was reduced by 50% while maintaining the quality of the images in terms of spatial resolution, contrast to noise ratio, and signal intensity quantification. Both new CS pulse sequences (csRARE and csFLASH) were implemented in ParaVision 5.1 commercial software. The second results part of the thesis is focused on the study of the time-dependent diffusivity in the abdominal ganglion of Aplysia California. The Aplysia abdominal ganglion was chosen in this imaging study because high resolution MR imaging allows the fine anatomical description of the cellular network (size of individual neurons and orientation of axons). Using the Aplysia ganglia to study the relationship between the cellular structure and the diffusion MRI signal can shed light on this relationship for more complex organisms. We measured the dMRI signal at several diffusion times in the abdominal ganglion and performed simulations of water diffusion in geometries obtained after segmenting high resolution T2-weighted images and incorporating known information about the cellular structure from the literature. To match the dMRI signal in the single cell neurons with numerical simulations signal, the large cell outline was segmented from the anatomical T2 weighted image. Inside this cell shape, an irregularly shaped nucleus was manually generated (around 25-30% volume fraction). The small cells were modeled as small spheres with a smaller concentric spherical nucleus (around 25% volume fraction). The nerve was modeled by combining axons (cylinders) of different diameters consistent with the literature. The numerical dMRI signal can be simulated by solving Bloch-Torrey equation under the geometries domain described above. By fitting the experimental signal to the simulated signal for several types of cells such as: large cell neurons (diameter between 150 µm and 420 µm); cluster of small neuron cells gathered in the shape of a bag (up to 400 cells in adult Aplysia in each bag with cell size between 40 µm to 100 µm in diameter); and nerves (group of axons cylindrical shape diameter from less than 1 µm to 25 µm) at a wide range of diffusion times, we obtained estimates of the intrinsic diffusion coefficient in the nucleus and the cytoplasm (for cell neurons) and the intrinsic diffusion coefficient in the axons (for the nerves). We also evaluated the reliability of using an existing formula for the time-dependent diffusion coefficient to estimate cell size.

La recherche de prédicteurs d’habilités langagières en aphasie post-accident vasculaire cérébral (AVC) basés sur la matière blanche a récemment vu un élan. Cela a été motivé par l’émergence du modèle à double-voie où des faisceaux de matière blanche dorsaux et ventraux jouent un rôle important dans le langage, ainsi que par l’avènement de la tractographie basée sur l’imagerie par résonance magnétique (IRM) de diffusion permettant l’étude in-vivo des faisceaux de matière blanche et de leurs propriétés structurelles. Les caractéristiques structurelles et la charge lésionnelle des faisceaux de matière blanche ont permis de prédire les troubles langagiers dans la phase chronique dans quelques études. Cependant, les prédicteurs aigus de matière blanche des habilités syntaxiques en aphasie post-AVC chronique sont méconnus. L’exploitation de la tractographie dans l’étude des faisceaux langagiers de matière blanche a été limitée par plusieurs défis méthodologiques, dont la difficulté de reconstruire des faisceaux ayant une architecture complexe. Des progrès méthodologiques ont été récemment introduits afin d’adresser ces limites, dont le plus important est la tractographie basée sur l’imagerie à haute résolution angulaire (« HARDI »). Cependant, la fiabilité test-retest de la reconstruction et des propriétés structurelles d’une approche de tractographie HARDI de pointe n’a pas encore été évaluée. Le premier article de cette thèse visait à évaluer la fiabilité test-retest de la reconstruction et des propriétés structurelles (anisotropie fractionnelle, FA; diffusivité moyenne, axiale et radiale, MD, AD, RD; nombre d’orientations de fibres, NuFO; volume du faisceau; longueur moyenne des « streamlines ») de faisceaux langagiers majeurs (arqué, inférieur fronto-occipital, inférieur longitudinal, unciné, AF, IFOF, ILF, UF) obtenus avec une approche de tractographie HARDI de pointe. La majorité des mesures de propriétés structurelles ont montré une bonne ou excellente fiabilité. Ces résultats ont des implications importantes pour l’utilisation d’une telle approche pour l’étude des faisceaux langagiers de matière blanche, car ils renforcent la confiance dans la stabilité des reconstructions et les propriétés structurelles obtenus avec la tractographie HARDI. Le second article de cette thèse visait à déterminer si et quelles propriétés structurelles (FA, AD, volume du faisceau), et la charge lésionnelle, de l’AF et l’UF gauches dans la phase aigüe (≤ 3 jours), obtenus avec l’approche de tractographie HARDI utilisée dans le premier article, prédisent les habilités syntaxiques dans le discours spontané en aphasie post-AVC chronique (≥ 6 mois). Des régressions multiples ascendantes ont révélé que le volume de l’AF prédit la production des verbes, la complexité des phrases et la complexité de la structure argumentale du verbe. Le volume de l’UF a amélioré la prédiction de cette dernière. Ces résultats indiquent que le volume semble être un bon prédicteur précoce des habilités syntaxiques dans le discours spontané en aphasie post-AVC chronique. Mis ensemble, les résultats de cette thèse soulignent l’utilité d’une approche de tractographie HARDI de pointe et son potentiel pour le développement futur de biomarqueurs précoces pouvant améliorer le pronostic de patients ayant une aphasie post-AVC chronique. Cela pourrait promouvoir l’optimisation des soins et le développement de thérapies pour le bienfait des patients et leurs familles. / The search for white matter predictors of language abilities in post-stroke aphasia has gained momentum in recent years. This growing interest has been driven by the emergence of the dual-stream framework where dorsal and ventral white matter bundles play an important functional role in language, as well as the advent of diffusion magnetic resonance imaging (MRI)-based tractography which allows the in-vivo investigation of white matter bundles and their structural properties. Structural characteristics, as well as the lesion load, of white matter bundles have been previously found to predict language impairments in the chronic phase. However, little is known about acute white matter predictors of syntactic abilities in chronic post-stroke aphasia. Leveraging tractography to study white matter language bundles has been limited by several methodological challenges, such as the difficulty of reconstructing white matter bundles with a complex fiber architecture. A number of methodological advances have been introduced fairly recently to address these limitations, the most important of which is the advent of tractography based on High Angular Resolution Imaging (HARDI). However, the test-retest reliability of the reconstruction and structural properties of a state-of-the-art HARDI-based tractography pipeline has not been previously assessed. The first article of the present thesis aimed to assess the test-retest reliability of the reconstruction and structural properties (fractional anisotropy, FA; mean, axial, radial diffusivity, MD, AD, RD; number of fiber orientations, NuFO; bundle volume; mean length of streamlines) of major white matter language bundles (arcuate, inferior fronto-occipital, inferior longitudinal, and uncinate fasciculi, AF, IFOF, ILF, UF) obtained using a state-of-the-art HARDI-based tractography pipeline. Most measures of structural properties showed good to excellent test-retest reliability. These findings have important implications for the use of such a pipeline for the study of white matter language bundles, as they increase our confidence that the reconstructions and structural properties obtained from the tractography pipeline are stable and not due to random variations in measurement. The second article of the thesis aimed to determine whether and which structural properties (FA, AD, bundle volume), as well as the lesion load, of the left AF and UF in the acute phase post-stroke (≤ 3 days), obtained with the same state-of-the-art HARDI-based tractography pipeline used in the first article, predict syntactic abilities in connected speech in chronic post-stroke aphasia (≥ 6 months). Forward multiple regressions revealed that the left AF’s volume predicted the percentage of verbs produced, the structural complexity of sentences, as well as verb-argument structure complexity. The left UF’s volume improved the prediction of verbs with a complex argument structure. These findings indicate that the bundle volume may be a good early predictor of syntactic ability in connected speech in chronic post-stroke aphasia. Overall, the findings of this thesis highlight the usefulness of a state-of-the-art HARDI-based tractography approach and its potential for the future development of early biomarkers that could improve the prognosis and personalized care of patients with chronic post-stroke aphasia. This would promote the optimization of patient care and the development of therapies for the benefit of patients and their families.

Les femmes diabétiques de type 2 présentent un risque cardiovasculaire (CV) plus élevé que les hommes diabétiques de type 2, mais peu d’études s’intéressent au sexe féminin dans ce contexte. L’objectif de ce doctorat était i) d’étudier les altérations CV induites par le prédiabète/diabète de type 2 dans le sexe féminin ; ii) de proposer une approche thérapeutique par le Resvératrol (RSV) chez des rates diabétiques de type 2 ; et iii) d’étudier l’effet du sexe sur les modifications physiologiques induites lors d’un prédiabète et sur la tolérance myocardique à un épisode d’ischémie-reperfusion (IR). Nous avons utilisé le rat prédiabétique induit par un régime riche en graisse et en sucre (HFS), et le rat Goto-Kakizaki (GK) diabétique de type 2. Nous avons réalisé des expériences d’imagerie, de spectroscopie par résonance magnétique in vivo et ex vivo et des analyses biochimiques. Nous avons mis en évidence un épaississement et une augmentation de la perfusion myocardiques chez les femelles HFS, ainsi qu’une forte sensibilité myocardique à un épisode d’IR, impliquant un stress oxydant exacerbé. Le RSV a induit chez les femelles GK une cardioprotection en augmentant les composés riches en énergie et les protéines de la voie du monoxyde d’azote lors d’un épisode d’IR. Enfin, il n’y a pas de dimorphisme sexuel dans la tolérance myocardique à un épisode d’IR lors d’un prédiabète, bien que le régime HFS ait induit des modifications physiologiques différentes selon le sexe. En conclusion, nous avons montré que les dysfonctions endothéliale et mitochondriale jouent un rôle important dans les complications CV associées au diabète de type 2 dans le sexe féminin. / Type 2 diabetic women have a higher cardiovascular (CV) risk than type 2 diabetic men, but few studies focus on the female sex in this context. The objective of this PhD was i) to study CV alterations induced by prediabetes/type 2 diabetes in female; ii) to propose a therapeutic approach by Resveratrol (RSV) in type 2 diabetic female; and iii) to study the effect of sex on the prediabetes-induced physiological modifications and on the myocardial tolerance to ischemia-reperfusion (IR) injury. We used the prediabetic rat induced by a high-fat high-sucrose diet (HFS), and the type 2 diabetic Goto-Kakizaki rat (GK). We performed in vivo and ex vivo cardiovascular magnetic resonance imaging and spectroscopy experiments and biochemical analyses. We highlighted myocardial thickening and increased perfusion in female HFS, as well as high myocardial sensitivity to IR involving exacerbated oxidative stress. RSV treatment of female GK induced cardioprotection by increasing the high-energy compounds and the proteins of the nitric oxide pathway during IR injury. Finally, there was no sexual dimorphism in myocardial tolerance to IR injury in prediabetes, although the HFS diet induced sex-specific physiological changes. In conclusion, we have shown that endothelial and mitochondrial dysfunctions play an important role in CV complications associated to type 2 diabetes in the female sex.

Cette thèse est dédiée à améliorer la compréhension neuro-scientifique à l'aide d'imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd). Nous nous concentrons sur la modélisation du signal de diffusion et l'estimation par IRMd des biomarqueurs liés à la microstructure, appelé «Microstructure Imaging». Cette thèse est organisée en trois parties. Dans partie I nous commençons par la base de l'IRMd et un aperçu de l'anisotropie en diffusion. Puis nous examinons la plupart des modèles de microstructure utilisant PGSE, en mettant l'accent sur leurs hypothèses et limites, suivi par une validation par l'histologie de la moelle épinière de leur estimation. La partie II présente nos contributions à l'imagerie en 3D et à l’estimation de microstructure. Nous proposons une régularisation laplacienne de la base fonctionnelle MAP, ce qui nous permet d'estimer de façon robuste les indices d'espace q liés au tissu. Nous appliquons cette approche aux données du Human Connectome Project, où nous l'utilisons comme prétraitement pour d'autres modèles de microstructure. Enfin, nous comparons les biomarqueurs dans une étude ex-vivo de rats Alzheimer à différents âges. La partie III présente nos contributions au représentation de l’espace qt - variant sur l'espace q 3D et le temps de diffusion. Nous présentons une approche initiale qui se concentre sur l'estimation du diamètre de l'axone depuis l'espace qt. Nous terminons avec notre approche finale, où nous proposons une nouvelle base fonctionnelle régularisée pour représenter de façon robuste le signal qt, appelé qt-IRMd. Ce qui permet l'estimation des indices d’espace q dépendants du temps, quantifiant la dépendance temporelle du signal IRMd. / This thesis is dedicated to furthering neuroscientific understanding of the human brain using diffusion-sensitized Magnetic Resonance Imaging (dMRI). Within dMRI, we focus on the estimation and interpretation of microstructure-related markers, often referred to as ``Microstructure Imaging''. This thesis is organized in three parts. Part I focuses on understanding the state-of-the-art in Microstructure Imaging. We start with the basic of diffusion MRI and a brief overview of diffusion anisotropy. We then review and compare most state-of-the-art microstructure models in PGSE-based Microstructure Imaging, emphasizing model assumptions and limitations, as well as validating them using spinal cord data with registered ground truth histology. In Part II we present our contributions to 3D q-space imaging and microstructure recovery. We propose closed-form Laplacian regularization for the recent MAP functional basis, allowing robust estimation of tissue-related q-space indices. We also apply this approach to Human Connectome Project data, where we use it as a preprocessing for other microstructure models. Finally, we compare tissue biomarkers in a ex-vivo study of Alzheimer rats at different ages. In Part III, we present our contributions to representing the qt-space - varying over 3D q-space and diffusion time. We present an initial approach that focuses on 3D axon diameter estimation from the qt-space. We end with our final approach, where we propose a novel, regularized functional basis to represent the qt-signal, which we call qt-dMRI. Our approach allows for the estimation of time-dependent q-space indices, which quantify the time-dependence of the diffusion signal.

INTRODUCTION Les anévrismes cérébraux représentent une condition potentiellement mortelle. Ils sont traités par voie chirurgicale (« clipping ») ou endovasculaire (dont le « coiling »), et plusieurs essais cliniques randomisés comparant ces traitements utilisent les résultats angiographiques comme mesure du succès du traitement. Le développement d'une classification standardisée et applicable aux deux traitements et aux trois modalités angiographiques (conventionnelle, angioscan et angio-IRM) est nécessaire. Nos objectifs furent de revoir systématiquement les classifications existantes, d’évaluer la fiabilité inter/intra-observateur d’une nouvelle classification angiographique commune, et d’en vérifier la pertinence clinique. MÉTHODES Deux revues systématiques furent effectuées dans 5 bases de données pour recenser les classifications (et leur fiabilité, lorsque rapportée) pour chaque traitement. Les résultats d’angiographie conventionnelle post-clipping (n=30) ou coiling (n=30) de 60 patients furent évalués de manière indépendante, à l’aide d’une nouvelle classification à 3 catégories, par 19 cliniciens ayant diverses pratiques et expériences. Les observateurs devaient également indiquer la prise en charge clinique appropriée pour chaque cas: un suivi espacé, étroit, ou un retraitement. Quinze lecteurs ont procédé à une 2e évaluation des cas (présentée selon un ordre permuté) à 1 mois d’écart. Le même travail fut reconduit, dans un deuxième temps, par 24 observateurs avec 60 cas évalués par angioscan (n=30) ou angio-IRM (n=30). Les accords inter/intra-observateurs furent estimés avec la statistique Alpha de Krippendorff (aK); la corrélation entre le choix de classe et la prise en charge fut calculée avec un test V de Cramer. RÉSULTATS Soixante-dix classifications (44 post-clipping, 26 post-coiling) furent recensées dans la littérature. La fiabilité variait de 0.12 à 1.00, avec une hétérogénéité significative en termes d’observateurs et de patients. L’accord inter-observateur pour la classification retenue était substantiel pour les résultats d’angiographie conventionnelle (aK=0.76; 0.67–0.83) et des autres modalités (aK=0.63; 0.55–0.70); peu importe le traitement, la spécialité ou l’expérience des évaluateurs. La classe est fortement corrélée à la prise en charge (V de Cramer de 0,77 à 0,80 selon la modalité angiographique; p<0,001). CONCLUSION La classification proposée est fiable et pertinente cliniquement. Elle servira d’outil valide pour évaluer les résultats angiographiques d’anévrismes dans les futurs essais cliniques comparant les deux traitements, peu importe la modalité d’imagerie utilisée. / INTRODUCTION Intracranial aneurysms are a medical condition associated with serious morbidity and mortality when ruptured. They are mainly treated with surgical clipping or endovascular coiling, and randomized clinical trials comparing both treatments often use angiographic results as a surrogate outcome of treatment success. The development of a standardized, reliable method to report angiographic results, applicable to both treatments using any angiographic modality (Conventional [CA], Computed tomography [CTA], or magnetic resonance [MRA] angiography) is needed. We sought to systematically review existing methods of classifying treated aneurysms and to assess the inter-/intra-rater reliability of a new angiographic grading scale, as well as its clinical relevance. METHODS We conducted two separate systematic reviews in 5 databases to collect post-clipping and post-coiling grading scales, along with their reliability when reported. The CA of 60 cases of clipped (n=30) and coiled (n=30) aneurysms were independently evaluated by 19 raters of various backgrounds and experiences using a new 3-grade scale. Raters were also asked how they would manage each case (delayed, close follow-up, or retreatment). Fifteen raters performed a 2nd evaluation of the same cases (in a permuted order) at least one month apart. The same methodology was used to study the reliability of the scale when 60 noninvasive angiography cases of clipped (30 CTA) or coiled (30 MRA) aneurysms were evaluated by 24 raters. Inter and intra-rater agreements were assessed using Krippendorff’s Alpha statistics (aK), and the relationship between occlusion grade and clinical management using Cramer’s V test. RESULTS The systematic reviews found 70 grading scales (44 post-clipping, 26 post-coiling) with significant heterogeneity in terms of reliability (kappa values from 0.12 to 1.00), raters, and patients. Overall inter-rater agreement for the grading scale was substantial for CA results (aK=0.76; 0.67–0.83) as well as for noninvasive results (aK=0.63; 0.55–0.70); regardless of background, experience, or treatment used. A strong relationship was found between angiographic grades and management decisions (V=0.80±0.12 for CA; V=0.77±0.14 for CTA/MRA [p<0.001]). CONCLUSION A standardized 3-grade scale was found to be a reliable and clinically meaningful tool to compare the results of clipping and coiling of aneurysms using any angiographic modality. It could be used as a valid tool to adjudicate results of comparative randomized trials, and to standardize the reporting of aneurysm treatments.

Bien que les individus atteints de schizophrénie présentent un risque élevé de manifester des comportements agressifs par rapport à la population générale, peu d'efforts ont été consacrés à élucider les mécanismes neurocognitifs sous-jacents à cette augmentation. L'objectif de cette thèse était d'étudier les processus susceptibles d'être perturbés dans cette population spécifique de patients, notamment le traitement des émotions, le contrôle cognitif et le traitement de la récompense. À cette fin, nous avons eu recours à l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle basée sur des tâches, à de grands échantillons et à des groupes de contrôle appropriés de patients et de non-patients. Dans le premier échantillon de participants, nous avons évalué les altérations neurofonctionnelles chez des hommes souffrant de schizophrénie et ayant des antécédents de comportements agressifs en utilisant une tâche de traitement des émotions basée sur des images émotionnelles standardisées. Dans la première étude, les hommes violents atteints de schizophrénie ont montré une augmentation de la réponse du cortex cingulaire antérieur (ACC) aux images négatives, contrairement aux sujets sains et schizophrènes non-violents. La deuxième étude a approfondi ces résultats en identifiant une topologie perturbée de connectivité fonctionnelle basée sur la tâche au sein du réseau de la saillance émotionnelle pendant le traitement des émotions negatives. Ceci suggère une intégration inefficace des informations par l'ACC entre les régions frontales et limbiques. Ensemble, ces résultats soulignent l'importance de l'ACC dans la neurobiologie des comportements agressifs dans la schizophrénie. Dans le deuxième échantillon de participants, nous avons évalué le contrôle cognitif et le traitement de la récompense dans l'agression. Dans la troisième étude, nous avons examiné l'interaction entre le traitement des émotions négatives et le contrôle cognitif chez les hommes atteints de schizophrénie et ayant des antécédents de violence en emplyant une tâche Go-NoGo émotionnelle utilisant des stimuli de visages neutres et en colère. Nous avons constaté une activation réduite dans le cortex préfrontal dorsolatéral chez les hommes violents atteints de schizophrénie, en particulier lorsqu'ils inhibaient une réponse en regardant des visages en colère. Ces résultats indiquent une incapacité à recruter une région centrale du réseau de contrôle cognitif dans le contexte de la colère. Dans la quatrième étude, nous avons cherché à investiguer l'altération de la prise de décision liée à la récompense et son association avec l'agressivité dans la schizophrénie en utilisant le Balloon Analogue Risk Task. La tâche n'a pas fait ressortir de différences entre les hommes violents et non violents atteints de schizophrénie. Néanmoins, nous avons observé des activations plus élevées dans le striatum et l'insula en réponse à des événements de récompense, suggérant potentiellement que la surévaluation des stimuli de récompense peut être à la base des capacités de prise de décision altérées des individus atteints de schizophrénie. Cette thèse est la première à identifier des altérations de l'activité cérébrale fonctionnelle et de la connectivité pendant le traitement des émotions négatives chez des hommes agressifs atteints de schizophrénie. C'est également la première à observer des mécanismes neuronaux altérés impliqués dans l'interaction entre le contrôle cognitif et le traitement de la colère chez des hommes violents atteints de schizophrénie. / Despite individuals with schizophrenia being at an elevated risk for aggressive behaviors compared to the general population, limited efforts have been devoted to understanding the neurocognitive mechanisms underlying the increase. The objective of this dissertation was to investigate processes thought to be disrupted in this specific patient population including emotion processing, cognitive control, and reward processing. To this end, we utilized task-based functional magnetic resonance imaging, large samples, and appropriate patient and non-patient control groups. In the first sample of participants, we assessed neurofunctional alterations in men with schizophrenia and a history of aggressive behaviors using an emotional processing task based on standardized affective photographs. In the first study, violent men with schizophrenia displayed increased anterior cingular cortex (ACC) response to negative images as opposed to non-violent healthy individuals and individuals with schizophrenia. The second study expanded on these results by identifying disrupted task-based functional connectivity topology within the emotional-salience network during negative emotion processing suggestive of inefficient information integration by the ACC between frontal and limbic regions. Together, these highlight the importance of the ACC in the neurobiology of aggressive behaviors in schizophrenia. In the second sample of participants, we assessed cognitive control and reward processing in aggression. In the third study, we investigated the interaction between negative emotion processing and inhibitory control among men with schizophrenia and a history of violence by employing an affective Go-NoGo task utilizing angry and neutral face stimuli. We found a reduced activation in the dorsolateral prefrontal cortex in violent men with schizophrenia specifically when inhibiting a response while viewing angry faces. These results are indicative of an inability to recruit a core region of the cognitive control network in the context of anger. In the fourth study, we aimed to investigate impaired reward-related decision-making and its association with aggression in schizophrenia using the Balloon Analogue Risk Task. The task did not elicit differences between violent and non-violent men with schizophrenia. Nevertheless, we observed increased activations in the striatum and insula in response to reward events potentially suggesting that overvaluation of outcome stimuli may underlie the impaired decision-making abilities of individuals with schizophrenia. This dissertation is the first to identify alterations in functional brain activity and connectivity during the processing of negative emotions among aggressive men with schizophrenia. This is also the first to observe impaired neural mechanisms involved in the interaction between cognitive control and anger processing among violent men with schizophrenia.

Les symptômes neuropsychiatriques (SNP), des perturbations comportementales et psychologiques, surviennent fréquemment dans la démence de la maladie d’Alzheimer. En plus d’être un facteur de risque d’institutionnalisation précoce et de constituer une charge pour les aidants, ils peuvent aussi être associés à un déclin cognitif accéléré ou à des troubles cognitifs plus importants lorsqu’ils surviennent dans les stades pré-démentiels des maladies (avant ou pendant le trouble cognitif léger). Considérant la diversité des résultats d’études antérieures, la relation entre ces SNP, le déclin cognitif et la survenue/évolution des maladies neurodégénératives est encore pleine de mystères. En effet, il a pu être mis en évidence que la dépression, l’apathie, ou encore l’anxiété étaient des facteurs de risques de conversion en maladie d’Alzheimer, ou de déclin cognitif accéléré chez des individus ayant un trouble cognitif léger ou une cognition normale. Ils ont aussi pu être associés à des changements des structures ou du métabolisme cérébraux, limbiques et associatifs. Cependant, le rôle et la position exacte des SNP dans le décours temporel des maladies restent incertains : conséquences de la neurodégénérescence ? Conséquence psychologique de la survenue de troubles cognitifs ? Cause de troubles cognitifs par réorientation des ressources exécutives et comportementales ? Stade prodromal des maladies ? Conséquence d’une structure de personnalité antérieure ? Ce travail propose d’aborder différentes problématiques de recherches liées aux SNP, notamment leurs associations cognitives en fonction de facteurs démographiques, psychologiques ou psychiatriques dans différents stades de déclins cognitifs ; leurs associations neurostructurelles ou métaboliques cérébrales, en devis transversal, rétrospectif ou longitudinal. L’objectif étant de conforter certaines données de la littérature sur l’impact des SNP sur les performances cognitives et leur évolution dans le vieillissement normal et pathologique, et comprendre l’apport de certaines analyses prédictives et de facteurs de risques afin d’en dégager des pistes d’applications cliniques dans une visée d’anticipation du déclin cognitif. Pour cela, différentes bases de données sont traitées afin d’extraire différents types de variables d’intérêt (démographiques, neuropsychiatriques, neuropsychologiques, neuroimagerie, statuts génétiques et diagnostiques, facteurs psychologiques…). Au total, c’est près de 5000 participants qui ont été extraits et analysés au travers des différentes bases de données. Les principaux résultats ont permis de montrer : 1) des associations SNP/performances cognitives différentes entre les femmes et les hommes ; 2) des relations neurostructurelles différentes entre les SNP et les différents stades de déclin cognitif de la maladie d’Alzheimer ; 3) le rôle prédictif des SNP dans la conversion du trouble cognitif léger en maladie d’Alzheimer expliqué par l’altération des habiletés fonctionnelles des individus ; 4) des implications de traits de personnalité dans le déclin cognitif et cérébral chez des individus développant ou non démence de type Alzheimer. Ces données consolident les résultats de la littérature et soutiennent l’utilité de certains modèles statistiques et de prédictions dans l’établissement des facteurs de risques de déclin et l’estimation de l’importance du déclin basé sur ces facteurs, à la fois chez des individus cognitivement sains, et des individus à risque de développer une démence. / Neuropsychiatric symptoms (NPS), behavioral and psychological disturbances, occur frequently in Alzheimer's dementia. In addition to being a risk factor for early institutionalization and a burden to caregivers, they may also be associated with accelerated cognitive decline or greater cognitive impairment when they occur in the pre-dementia stages of the diseases (before or during mild cognitive impairment). Considering the diversity of results of previous studies, the relationship between these NPS, cognitive decline and the occurrence/evolution of neurodegenerative diseases is still full of mysteries. Indeed, it has been shown that depression, apathy, or anxiety were risk factors for conversion to Alzheimer's disease, or for accelerated cognitive decline in individuals with mild cognitive impairment or normal cognition. They could also be associated with changes in brain, limbic and associative structures or metabolism. However, the exact role and position of NPS in the temporal course of diseases remains uncertain: consequences of neurodegeneration? Psychological consequence of the onset of cognitive disorders? Cause of cognitive disorders by redirection of executive and behavioral resources? Prodromal stage of diseases ? Consequence of a previous personality structure? This work proposes to address different research issues related to NPS, in particular their cognitive associations according to demographic, psychological or psychiatric factors in different stages of cognitive decline; their neurostructural or cerebral metabolic associations, in crosssectional, retrospective or longitudinal specifications. The objective is to confirm certain data in the literature on the impact of NPS on cognitive performance and its evolution in normal and pathological aging, and to understand the contribution of certain predictive analyses and risk factors in order to identify avenues of clinical application with a view to anticipating cognitive decline. For this purpose, different databases are processed in order to extract different types of variables of interest (demographic, neuropsychiatric, neuropsychological, neuroimaging, genetic and diagnostic status, psychological factors...). In total, nearly 5000 participants were extracted and analyzed through the different databases. The main results showed: 1) different NPS/cognitive performance associations between women and men; 2) different neurostructural relationships between NPS and different stages of cognitive decline in Alzheimer's disease; 3) the predictive role of NPS in the conversion of mild cognitive impairment to Alzheimer's disease explained by the alteration of individuals' functional abilities; 4) implications of personality traits in cognitive and brain decline in individuals developing or not dementia of the Alzheimer’s type. These data consolidate the findings of the literature and support the utility of certain statistical and predictive models in establishing risk factors for decline and estimating the magnitude of decline based on these factors, both in cognitively healthy individuals, and individuals at risk of developing dementia.

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est l’une des techniques les plus utilisées en neurosciences. Malheureusement, elle implique une exposition à des niveaux de bruit importants. Cette exposition peut entraîner des effets temporaires ou permanents sur l’audition, surtout lorsqu’elle est prolongée ou répétée. Plusieurs inconnus subsistent au sujet des risques pour l’audition de sujets subissant des examens en IRM à répétition. L’objectif de ce projet était de suivre six participants de recherche subissant des examens IRM hebdomadaires et d’évaluer sur une base régulière l’évolution de leur audition. L’audition des participants a été testée périodiquement sur une période d’un an et demi. Des valeurs de référence ont été récoltées pour chacun des tests avant le début de ce projet. Des séances de tests auditifs ont ensuite été planifiées immédiatement avant et après un scan ainsi qu’à la suite d’un délai variant entre deux et sept jours après un scan. Un article scientifique présentant les résultats les plus importants de ce projet a été rédigé. Il comporte les résultats à deux des tests administrés aux participants: l’audiométrie par tons purs et les émissions otoacoustiques par produit de distorsion. Aucun effet de l’exposition au bruit du scanneur n’a été révélé par ces tests. / Magnetic resonance imaging (MRI) is one of the most commonly used tools in neuroscience. However, it implies exposure to high noise levels. It is well known that exposure to noise can lead to temporary or permanent hearing damages, especially when the exposure is long or repeated. Little is known about the hearing risks of people undergoing several MRI examinations, especially in the context of prolonged longitudinal studies. The goal of this research project was to follow six research participants undergoing weekly MRI scan sessions and test the evolution of their auditory health on a regular basis. The participants’ hearing was tested periodically, over a period of a year-and-a-half. First, baseline values were acquired for each of the hearing tests before the beginning of this research project. Hearing tests were then scheduled immediately before/after a scan and with a delay between two and seven days after a scan. A scientific publication was written outlying the main results regarding two of the administered tests: pure-tone audiometry and distortion product otoacoustic emissions. No consistent impacts of the scanner noise exposure were found for those two tests.

La perception visuelle implique une interaction complexe entre les yeux, le cerveau et les processus cognitifs, transformant les stimuli visuels en une représentation interne de l'environnement. Bien qu'une fraction limitée des informations parviennent à notre conscience visuelle, le cerveau traite une quantité considérable d'informations de manière inconsciente. Des recherches en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) ont visé à mieux discerner les corrélats neuronaux associés à la perception consciente et inconsciente. Cependant, l'identification précise des régions cérébrales impliquées dans la génération d'une perception consciente, et leur modulation par l'expérience ou par des lésions cérébrales, demeure un défi. Cette thèse examine le traitement conscient et inconscient de l'information visuelle à l'aide de tâches visuelles et de neuroimagerie, pour comprendre comment ces processus se reflètent dans l'activation cérébrale et l'impact de lésions du cortex visuel. L'article 1 vise à identifier de manière empirique les zones d'activation fonctionnelle associées au traitement visuel conscient et inconscient chez les individus neurotypiques, en menant deux méta-analyses quantitatives de données de neuroimagerie. Les résultats révèlent que le traitement conscient mobilise la jonction fronto-inférieure, le sillon intrapariétal, le cingulum antérieur dorsal, le gyrus angulaire, le cortex temporo-occipital et l'insula antérieure. Le traitement visuel inconscient sollicite davantage les régions postérieures, comme le complexe occipital latéral. L'article 2 traite des processus cognitifs associés à la modulation de l'activation fonctionnelle suite à une lésion du cortex visuel. La déficience visuelle cérébrale (DVC) est caractérisée par une perte des fonctions visuelles due à un dommage cérébral plutôt qu'à une atteinte des yeux. Bien que la majorité des individus ne regagnent pas une vision normale, dans certains cas fascinants une amélioration peut être notée avec le temps en raison de la capacité du cerveau à se réorganiser. La perte visuelle peut s'accompagner du blindsight, où les individus sont capables de traiter de l'information visuelle tout en niant l'avoir vue. Cet article novateur utilise un paradigme de détection de mouvement pour évaluer l'activation des structures corticales et sous-corticales lors d'une performance de blindsight chez un individu avec DVC. Cette contribution significative met en évidence des corrélats neuronaux indépendants des aires visuelles primaires, associés à des structures spécifiques pendant la détection de mouvement en blindsight. Le chapitre 4 présente une base de données d'IRM haute résolution pour la perception du mouvement visuel d'individus neurotypiques et atteints de DVC. Les données incluent des mesures d'IRM structurelles, fonctionnelles, et de diffusion, des évaluations comportementales et de suivi du regard, des mesures électrophysiologiques, en plus de données prétraitées, le code et des métriques de contrôle de la qualité. L'article 3 caractérise les conséquences neurologiques des lésions cérébrales chez les participants DVC, ainsi que l'impact sur leur capacité à traiter divers stimuli de mouvement, comparés à un groupe de contrôles neurotypiques, en utilisant des techniques comportementales et d'IRM fonctionnelle à haute résolution. La détection automatisée des lésions a permis de quantifier de manière fiable l'étendue des dommages cérébraux et les participants ont été catégorisés selon leur capacités visuelles résiduelles. Les résultats confirment que le cerveau peut traiter des informations visuelles malgré l'absence de zones visuelles primaires intactes. Les participants DVC ont présenté des altérations fonctionnelles étendues, contrairement aux participants neurotypiques, qui ont montré une activation focalisée dans des régions spécialisées pour le traitement visuel et de mouvement. L'hémisphère lésé présente une activation plus synergique dans l'aire temporale médiane et le complexe occipital latéral. Dans l'hémisphère intact, ce dernier peut répondre à une stimulation du champ visuel atteint. Le thalamus et le pulvinar ipsilésionnels ont montré une dominance ipsilatérale en réponse au mouvement, contrairement à la dominance controlatérale dans l'hémisphère intact et chez les participants DVC avec des capacités visuelles résiduelles comparables à celles des contrôles. Cette thèse, par une approche multimodale, étudie les mécanismes neuronaux du traitement visuel chez les individus neurotypiques et atteints de DVC. L'utilisation d'étapes empiriques séquentielles, notamment une étude de cas, des analyses de groupes et des méta-analyses, renforce la fiabilité et l'applicabilité de la recherche, et vise à cartographier l'adaptation cérébrale après une lésion du cortex visuel. / Visual perception involves the intricate interplay of the eyes, brain, and cognitive processes, enabling photons of visible light to be captured on the retina, processed through specific pathways in the brain and transformed into a rich internal representation of our surroundings. While only a fraction of information reaches conscious awareness, the brain can process the remaining unconsciously. Functional magnetic resonance imaging studies have sought to understand the neural signals associated with conscious versus unconscious perception. However, comprehensively understanding the core brain regions involved in generating a conscious perception and their modulation through experience or brain damage remains a challenge. In this thesis, we investigate the conscious and unconscious processing of visual information through a series of visual tasks. We aim to understand how these processes are reflected in brain activation and how they can be modulated by damage to the visual cortex. Article 1 aimed to empirically identify and characterize areas of reliable convergence in functional activation of regions engaged during either conscious or unconscious visual processing in neurotypical participants by conducting two distinct quantitative meta-analyses. The findings reveal that conscious visual processing readily engages a constellation of regions comprising the inferior frontal junction, intraparietal sulcus, dorsal anterior cingulate, angular gyrus, temporo-occipital cortex and anterior insula, whereas unconscious processing recruits posterior regions, mainly the lateral occipital complex. The aim of Article 2 was to provide a detailed understanding of cognitive constructs and functional alterations following visual cortex damage. Cerebral visual impairment (CVI) refers to a loss of visual function caused by damage to the brain rather than the eyes. While most individuals do not recover intact vision, some cases have demonstrated improvement over time due to the brain's ability to reorganize itself. In certain instances of visual loss, blindsight can occur, allowing individuals to process visual information without conscious awareness. To our knowledge, this article was the first to propose the use of an event-related motion detection paradigm to assess functional activation in cortical and subcortical structures, independant of primary visual areas, during a CVI individual's blindsight performance. Chapter 4 aimed to conceptualize and acquire a unique high-resolution MRI dataset for studying visual motion perception in neurotypical and CVI individuals. This comprehensive dataset encompasses multiple modalities, including structural, functional task-based, resting-state and diffusion MRI, behavioral and evaluations, electrophysiological measures, and eyetracking data, in addition to preprocessed data, code and quality control metrics. Article 3 aimed to understand the functional consequences of brain damage in CVI individuals and the resulting impact on their ability to process diverse visual motion stimuli, including looming and biological motion, compared to a group of neurotypical controls, using behavioral and high-resolution neuroimaging techniques. Automatic lesion mapping enabled to reliably quantify the extent of brain damage and participants were categorized based on their residual visual ability. The findings demonstrate that the brain can process and represent visual information, without intact primary visual areas. CVI participants exhibited broad functional alterations, contrasting the focused activation in visual and motion processing regions for neurotypical controls. Specifically, the lesioned hemisphere displayed synergistic activation in the middle temporal area and lateral occipital complex, while the intact hemisphere's lateral occipital complex responded to impaired visual field stimulation. The ipsilesional thalamus and pulvinar demonstrated an ipsilateral dominance in response to looming motion, in contrast to the contralateral dominance in the intact hemisphere and among CVI participants with residual visual abilities akin to neurotypical controls. By employing a multi-modal approach integrating behavioral assessments, structural and functional neuroimaging methods, this thesis comprehensively investigates the neural mechanisms underlying visual processing in both neurotypical individuals and those with CVI. The use of sequential steps in empirical science, namely a case study, group analyses, and meta-analyses, enhances the reliability and applicability of the research, and effectively contributes to help map brain adaptation post visual cortex injury and further inform neurotypical visual information processing.

L'un des problèmes fondamentaux de l'imagerie cardiaque par résonance magnétique du tenseur de diffusion (IRM-TD) est sa faible résolution spatiale, à cause des limitations matérielles des scanners IRM actuels. L'objectif principal de ce travail de thèse est de développer de nouvelles approches pour améliorer la résolution des données d'IRM-TD afin de mieux représenter l'architecture myocardique du coeur humain et de la comparer avec des résultats issus d'autres techniques d'investigation telles que l'imagerie par lumière polarisée. Dans ce cadre, le travail porte sur trois parties principales. La première concerne le développement d'une nouvelle approche pour l'interpolation des champs de vecteurs propres principaux issus de l'IRM-TD cardiaque humaine. Cette approche consiste d'abord à supprimer les vecteurs corrompus par le bruit au lieu de débruiter de manière uniforme le champ entier de vecteurs, et ensuite à interpoler le champ de vecteurs en utilisant la modèle Thin-Plate-Spline (TPS) afin d'exploiter la corrélation entre les composantes du vecteur. La deuxième partie concerne une nouvelle famille de méthodes d'interpolation pour les champs de tenseurs, basée soit sur les angles d'Euler soit sur le quaternion. Ces méthodes exploitent les caractéristiques du tenseur et préservent les paramètres de tenseurs, tels que le déterminant du tenseur, l'anisotropie fractionnelle (FA) et la diffusivité moyenne (MD). En outre, cette partie compare les principales approches d'interpolation au niveau des images pondérées en diffusion et des champs de tenseurs, et les résultats montrent qu'il serait préférable d'effectuer l'interpolation des données d'IRM-TD au niveau des champs de tenseurs. La troisième partie étudie le changement des paramètres MD et FA après un infarctus du myocarde chez les cochons, et l'influence des méthodes d'interpolation sur ces paramètres dans la zone infarctus et la zone distante. Les résultats montrent que la zone infarctus présente une diminution significative de FA et une augmentation significative de MD, comparée avec la zone distante, et que les méthodes d'interpolations du tenseur ont plus d'influence sur FA que sur MD, ce qui suggère que l'interprétation de ces paramètres cliniques après l'interpolation doive être prise avec précaution. / One of fundamental problems in human cardiac diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI) is its poor spatial resolution, due to the hardware limitations of MRI scanners. The main purpose of this PhD work is to develop new approaches to improving the resolution of cardiac DT-MRI data in order to better understand the myocardial architecture of the heart and compare it with results issues from other investigation techniques such as polarized light imaging. Within this framework, the present work is composed of three main parts. The first part concerns a new approach to interpolating primary eigenvector fields from human cardiac DT-MRI using Thin Plate Spline (TPS) model. This approach removes the noise-corrupted vectors rather than denoising the whole vector field in a uniform manner, and uses TPS model in order to exploit the correlation between vector components during interpolation. The second part is dealt with a new category of feature-based methods for diffusion tensor field interpolation using either Euler angles or quaternion. These feature-based methods well preserve tensor parameters, such as tensor determinant, fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD) values. In this part are also compared the main interpolation approaches at the level of diffusion weighted images and tensor fields. The results show that the interpolation of DT-MRI data should be performed at the level of tensor fields. The last part investigates changes in MD and FA after myocardial infarction in porcine hearts, and the influence of diffusion tensor interpolation methods on FA and MD in both infarction and remote region. It is found that the infarction region showed significantly decreased FA and increased MD than the remote region, and that diffusion tensor interpolations have more significant influence on FA than on MD, which suggests that precaution should be taken when performing the clinical analysis based on the parameters after diffusion tensor interpolations.