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

AL’objectif de la thèse est le développement d’une méthode de caractérisation des crises d’épilepsie du lobe temporal à partir des EEG de surface et plus particulièrement de la zone épileptogène (ZE) à l’origine des crises. Des travaux récents ont démontré une évolution des synchronisations entre structures cérébrales permettant une caractérisation de la dynamique des crises du lobe temporal. La comparaison de différentes méthodes de mesure de relation a permis la mise en évidence des avantages du coefficient de corrélation non-linéaire dans l’étude de l’épilepsie par les EEG de surface. L’exploitation de l’évolution de ce coefficient est à la base de trois applications de traitement automatique du signal EEG : -détermination de la latéralisation de la ZE au départ d’une crise, -recherche d’une signature épileptique, -classification des crises du lobe temporal en deux groupes / The objective of this work was the development of a temporal lobe epilepsy seizures characterization methodology realized through scalp EEG analysis. Recent researches showed an evolution of the synchronizations between cerebral structures, allowing a characterization of dynamic of the seizures. The comparison, between different methods of relation measurement, proved the advantages of the non-linear correlation coefficient in the study of epileptic seizures from scalp EEGs. The characterization of the evolution of this coefficient was used as the base of the development of three signal processing applications : -determination of the side of the Epileptic Zone at the onset of a seizure -research of an epileptic pattern at the seizure onset -classification of the temporal lobe seizures into two groups.

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

Les informations visuelles sont prépondérantes pour guider le comportement. Malgré une bonne connaissance du système visuel, un phénomène représentant une latéralisation de celui-ci, le phénomène de dominance oculaire (DO), reste mal compris et finalement peu étudié. Nos travaux de thèse ont permis de démontrer que cette DO exerce une large influence sur différentes étapes de la transformation des informations visuelles en mouvements manuels ou oculaires et que celle-ci s’exprime en interaction avec d’autres latéralisations du système nerveux telles que les latéralisations manuelle et des réseaux attentionnels. Nous montrons également son influence sur les processus de transfert d'information entre les deux hémisphères du cerveau. Enfin, nos travaux comportent des retombées cliniques directes : ils introduisent une méthode de quantification plus précise de la DO utilisable par les cliniciens pour une meilleure réussite de certaines techniques chirurgicales. En conclusion, nous montrons que la DO constitue un aspect important de la latéralisation du cerveau humain, relativement négligé jusqu’à présent. / Processing of visual information from the environment is preponderant for the successful performance of many motor behaviors. Despite a good knowledge of the visual system, a phenomenon corresponding to a lateralization of this system, called eye dominance (ED), remains not well understood and poorly studied. Our thesis demonstrated that ED has a widespread influence on different levels of the transformation of visual information into manual or ocular movements and interacts with other lateralizations of the central nervous system such as the manual and attentional networks. We also show the influence of ED on the process of information transfer between the two hemispheres of the brain. Finally, our work has direct clinical implications: it introduces a more accurate method of quantifying ED which is usable by clinicians for better success of some surgical techniques. In sum, we show that ED is an important aspect of the human brain lateralization which has been overlooked until now.

L'électroencéphalogramme (EEG) est un examen incontournable pour le diagnostic, la définition des structures cérébrales responsables de l'origine de crises et la classification des épilepsies. Cependant les enregistrements recueillis à la surface du scalp sont très perturbés par des artefacts et du bruit, ce qui complique considérablement l'interprétation clinique ou l'analyse automatique. Ce travail a pour objectif d'extraire des descripteurs des signaux d'EEG de surface qui peuvent conduire à la caractérisation de la dynamique spatio-temporelle des crises partielles du lobe temporal. Les estimateurs de relations inter-voies appliqués sont les méthodes linéaires paramétriques symétriques et non symétriques telles que l'inter-spectre (S), la cohérence (C), la Directed Transfert Function (DTF) ou la Partial Directed Coherence (PDC). Les relations sont estimées sur des EEG réels contenant une crise. La détection de fortes relations inter-voies est exploitée pour latéraliser puis caractériser la crise. Toutes les méthodes sont appliquées sur des signaux EEG bruts et prétraités. Une étape de prétraitement basée sur la séparation et classification de sources et le débruitage est mise en oeuvre afin d'éliminer les artefacts et le bruit avec une perte minimale d'information en diminuant le risque de fausses détections de relations de connectivité inter-signaux. Les résultats obtenus sur 51 crises montrent que le prétraitement améliore la détection et le taux de bonnes latéralisations. Une méthode de couplage entre l'IS et les méthodes paramétriques directives (PDC et DTF) permet d'améliorer la caractérisation des crises.

L'objectif de mon travail a été d'étudier les bases génétiques de deux maladies du mouvement, les mouvements miroirs congénitaux (CMM) et les dyskinésies paroxystiques kinésigéniques (PKD). Nous avons tout d'abord mis en évidence le deuxième gène impliqué dans les CMM, RAD51, et commencé à explorer quelques hypothèses physiopathologiques. Nous avons ensuite recueilli les ADN de 26 cas index de CMM isolés, et montré que près de 50% d'entre eux avaient un variant possiblement pathogène dans RAD51 ou dans le premier gène de CMM décrit, DCC. Nous avons ensuite écarté l'implication d'un troisième gène possiblement causal, DNAL4, dans 17 cas index. Enfin, nous avons collaboré avec une équipe néo-zélandaise et mis en évidence par séquençage de l'exome un nouveau gène, NTN1, codant pour le ligand de DCC, dans deux familles et un cas sporadique. En ce qui concerne les PKD, nous avons analysé le premier gène impliqué dans cette pathologie, PRRT2, dans une cohorte de 42 cas index. Nous avons ainsi montré que PRRT2 est un gène majeur de PKD dans la population européenne, impliqué dans 65% des cas typiques. Nous avons ensuite contribué à mettre en évidence l'implication de PRRT2 dans la migraine hémiplégique, et effectué une revue de la littérature montrant que les mutations de PRRT2 peuvent être responsables de phénotypes multiples de mouvements anormaux paroxystiques. Nous avons ensuite réalisé un séquençage d'exomes chez une famille et 10 trios, malheureusement sans résultat probant. Enfin, chez deux patients avec PKD atypiques, nous avons mis en évidence des mutations du gène ADCY5, récemment impliqué dans des formes complexes de dyskinésies paroxystiques. / The objective of my work was to study the genetic bases of two movement disorders, congenital mirror movements (CMM) and paroxysmal kinesigenic dyskinesia (PKD). First we uncovered the second gene implicated in CMM, RAD51, and started to explore pathophysiological hypotheses. Then we collected DNA of 26 index cases of isolated CMM, and showed that almost 50% of them had a possibly pathogenic variant in RAD51 or in the first described gene of CMM, DCC. We subsequently ruled out the implication of a possible third gene, DNAL4, in 17 cases. Finally, we collaborated with a team from New Zealand to implicate a novel gene, NTN1, coding for the ligand of DCC, in two families and one sporadic case. Concerning PKD, we analyzed the first causative gene described, PRRT2, in a cohort of 42 index cases. We showed that PRRT2 is a major gene of PKD in the European population, involved in 65% of typical cases. We then contributed to show the implication of PRRT2 mutations in hemiplegic migraine, and conducted a review of the literature concluding that PRRT2 mutations can induce multiple types of paroxysmal disorders. We sequenced the exomes of one family and 10 trios negative for PRRT2, but were unable to uncover another causative gene. Finally, in two patients with atypical PKD, we found mutations in ADCY5, a gene recently implicated in complex forms of paroxysmal dyskinesia.

La perception de mouvements est associée à une augmentation de l’excitabilité du cortex moteur humain. Ce système appelé « miroir » sous-tendrait notre habileté à comprendre les gestes posés par une tierce personne puisqu’il est impliqué dans la reconnaissance, la compréhension et l’imitation de ces gestes. Dans cette étude, nous examinons de quelle façon ce système miroir s’implique et se latéralise dans la perception du chant et de la parole. Une stimulation magnétique transcrânienne (TMS) à impulsion unique a été appliquée sur la représentation de la bouche du cortex moteur de 11 participants. La réponse motrice engendrée a été mesurée sous la forme de potentiels évoqués moteurs (PÉMs), enregistrés à partir du muscle de la bouche. Ceux-ci ont été comparés lors de la perception de chant et de parole, dans chaque hémisphère cérébral. Afin d’examiner l’activation de ce système moteur dans le temps, les impulsions de la TMS ont été envoyées aléatoirement à l’intérieur de 7 fenêtres temporelles (500-3500 ms). Les stimuli pour la tâche de perception du chant correspondaient à des vidéos de 4 secondes dans lesquelles une chanteuse produisait un intervalle ascendant de deux notes que les participants devaient juger comme correspondant ou non à un intervalle écrit. Pour la tâche de perception de la parole, les participants regardaient des vidéos de 4 secondes montrant une personne expliquant un proverbe et devaient juger si cette explication correspondait bien à un proverbe écrit. Les résultats de cette étude montrent que les amplitudes des PÉMs recueillis dans la tâche de perception de chant étaient plus grandes après stimulation de l’hémisphère droit que de l’hémisphère gauche, surtout lorsque l’impulsion était envoyée entre 1000 et 1500 ms. Aucun effet significatif n’est ressorti de la condition de perception de la parole. Ces résultats suggèrent que le système miroir de l’hémisphère droit s’active davantage après une présentation motrice audio-visuelle, en comparaison de l’hémisphère gauche. / The perception of movements is associated with increased activity in the human motor cortex. This system underlies our ability to understand one’s actions, as it is implicated in the recognition, understanding and imitation of actions. In this study, we investigated the involvement and lateralization of this “mirror neuron” system (MNS) in the perception of singing and speech. Transcranial magnetic stimulation (TMS) was applied over the mouth representation of the motor cortex in 11 participants. The generated motor response was measured in the form of motor evoked potentials (MEPs), recorded from the mouth muscle. The MEPs were compared for the singing and speech conditions in each cerebral hemisphere. Furthermore, to investigate the time course of the MNS activation, TMS pulses were randomly emitted in 7 time windows (ranging from 500 to 3500 milliseconds after stimulus onset). The stimuli for the singing condition consisted in 4-second videos of singers producing a 2-note ascending interval. Participants had to judge whether the sung interval matched a written interval, previously presented on the screen. For the speech condition, 4-second videos of a person explaining a proverb were shown. Participants had to decide whether this explanation matched a written proverb previously displayed on the screen. Results show that the MEP amplitudes were higher after stimulation of the right hemisphere in the singing condition. More specifically, sending TMS pulses between 1000 and 1500 milliseconds over the right hemisphere yielded higher MEPs as compared to the left hemisphere. No effect was found in the speech condition. These results suggest that the right MNS is more activated after an audiovisual motor presentation compared to the left hemisphere.

Il apparaît, suite aux résultats de plusieurs études comportementales et d’imagerie cérébrale, que les hormones gonadiques peuvent moduler le fonctionnement cérébral chez la femme. Les asymétries cérébrales fonctionnelles (ACFs), en particulier, changeraient en fonction du niveau de progestérone et d’œstrogène. On a également observé que lorsque le taux d’œstrogène est bas, les performances aux tâches impliquant l’hémisphère droit sont améliorées. Par contre, les preuves de l’action physiologique de ces deux hormones sur le cerveau ne sont pas très nombreuses. Le peu d’études d’électrophysiologie cognitive qui ont porté sur les effets du cycle menstruel ont rapporté que la composante P300 y serait sensible. Aucune n’a cependant utilisé une tâche d’habileté spatiale ou de rotation mentale qui sont connues pour impliquer davantage l’hémisphère droit. Le but de la présente étude est de documenter les changements électrocorticaux reliés aux variations hormonales lors d’une tâche de rotation mentale. Notre hypothèse de départ est que le taux d’œstrogène influencera l’activité électrocorticale et la latéralisation. Les potentiels évoqués cognitifs ont été comparés chez les mêmes femmes (n=12) lors d’une tâche de rotation mentale, répétée à deux périodes du cycle menstruel. Nos résultats démontrent que la condition de rotation induit une latéralisation de l’activité pariétale, vers l’hémisphère gauche, quand le niveau d’œstrogène est bas. Par contre, lorsque le niveau d’œstrogène est élevé, il n’y a aucune latéralisation. Par ailleurs, nous avons observé une augmentation de l’amplitude de la P300 lors du niveau oestrogénique élevé. En conclusion, les fluctuations oestrogéniques du cycle menstruel ont un impact sur la latéralisation de l’activité électrocorticale, lors d’un effort de rotation mentale. / After many behavioral and some neuroimaging studies, it appears that the gonadic hormones can modulate the neuronal function of women's brain. In particular, the functional cerebral asymmetries can be affected by the level of progesterone and estrogens. It has been observed that when the level of estrogen is low, the performance at task that engages more the right hemisphere is enhanced. However, there is a lack of evidence for the physiological actions of these two hormones on the brain. The few event-related potential studies taking into account the menstrual cycle effects, had noticed that the component P300 can be affected. No electrophysiological study has used a mental rotation task or spatial ability tests which are known for their right hemisphere dominance. The aim of the present research is to document the effect of hormonal variations on the electrocortical activity, using a mental rotation task. Our hypothesis is that estrogen levels affect electrocortical activity and lateralization. The ERPs were compared in the same women (n = 12) during a mental rotation task, repeated over two periods of the menstrual cycle. Our results show a lateralization of the left parietal activity when estrogen levels are low and during the rotation. Whereas when the estrogen level is high, there is no lateralization. In addition, we observed an increase in the amplitude of P300 for this same high level. In conclusion, estrogens fluctuations associated with the menstrual cycle have an impact on the lateralization of electrocortical activity, when a mental rotation is needed.

L'objectif de la thèse est le développement d'une méthode de caractérisation des crises d'épilepsie du lobe temporal à partir des EEG de surface et plus particulièrement de la zone épileptogène (ZE) à l'origine des crises.<br />Des travaux récents validés en stéréoélectroencéphalographie (SEEG) ont démontré une évolution des synchronisations entre structures cérébrales permettant une caractérisation de la dynamique des crises du lobe temporal.<br />L'originalité des travaux consiste à étendre les méthodes développées en SEEG, à l'étude des signaux EEG de surface. Du point de vue médical, ce travail s'inscrit dans le cadre de l'aide au diagnostic préchirugical.<br />Des méthodes de mesure de relation, telles que la cohérence, la Directed Transfer Function (DTF), la corrélation linéaire (r²) ou la corrélation non-linéaire (h²), ont été adaptées pour répondre à cette problématique. Différents critères, définis à partir d'indications cliniques, ont permis la mise en évidence des avantages du coefficient de corrélation non-linéaire dans l'étude de l'épilepsie par les EEG de surface.<br />L'exploitation de l'évolution du coefficient de corrélation non-linéaire est à la base de trois applications de traitement automatique du signal EEG :<br />– La première est la détermination de la latéralisation de la ZE au départ d'une crise. Cette information constitue l'étape préliminaire lors de la recherche de la localisation de la ZE.<br />– La recherche d'une signature épileptique constitue la seconde application. La signature est extraite par un algorithme de mise en correspondance et de mesure de similarités en intra-patients.<br />– Une classification des crises du lobe temporal constitue la troisième application. Elle est réalisée en extrayant un ensemble de caractéristiques des signatures trouvées par l'algorithme de l'étape 2.<br />La base de données qui contient quarante-trois patients et quatre-vingt-sept crises (deux crises par patient, trois pour l'un d'entre eux) garantit une certaine significativité statistique.<br />En ce qui concerne les résultats, un taux de bonne latéralisation de l'ordre de 88% est obtenu. Ce taux est très intéressant, car dans la littérature, il peut être quelques fois atteint, mais en exploitant des données multimodalités et avec des méthodes non-automatiques. A l'issue de la classification, 85% des crises mésiales ont été correctement classifiées ainsi que 58% des crises mésio-latérales.

Il apparaît, suite aux résultats de plusieurs études comportementales et d’imagerie cérébrale, que les hormones gonadiques peuvent moduler le fonctionnement cérébral chez la femme. Les asymétries cérébrales fonctionnelles (ACFs), en particulier, changeraient en fonction du niveau de progestérone et d’œstrogène. On a également observé que lorsque le taux d’œstrogène est bas, les performances aux tâches impliquant l’hémisphère droit sont améliorées. Par contre, les preuves de l’action physiologique de ces deux hormones sur le cerveau ne sont pas très nombreuses. Le peu d’études d’électrophysiologie cognitive qui ont porté sur les effets du cycle menstruel ont rapporté que la composante P300 y serait sensible. Aucune n’a cependant utilisé une tâche d’habileté spatiale ou de rotation mentale qui sont connues pour impliquer davantage l’hémisphère droit. Le but de la présente étude est de documenter les changements électrocorticaux reliés aux variations hormonales lors d’une tâche de rotation mentale. Notre hypothèse de départ est que le taux d’œstrogène influencera l’activité électrocorticale et la latéralisation. Les potentiels évoqués cognitifs ont été comparés chez les mêmes femmes (n=12) lors d’une tâche de rotation mentale, répétée à deux périodes du cycle menstruel. Nos résultats démontrent que la condition de rotation induit une latéralisation de l’activité pariétale, vers l’hémisphère gauche, quand le niveau d’œstrogène est bas. Par contre, lorsque le niveau d’œstrogène est élevé, il n’y a aucune latéralisation. Par ailleurs, nous avons observé une augmentation de l’amplitude de la P300 lors du niveau oestrogénique élevé. En conclusion, les fluctuations oestrogéniques du cycle menstruel ont un impact sur la latéralisation de l’activité électrocorticale, lors d’un effort de rotation mentale. / After many behavioral and some neuroimaging studies, it appears that the gonadic hormones can modulate the neuronal function of women's brain. In particular, the functional cerebral asymmetries can be affected by the level of progesterone and estrogens. It has been observed that when the level of estrogen is low, the performance at task that engages more the right hemisphere is enhanced. However, there is a lack of evidence for the physiological actions of these two hormones on the brain. The few event-related potential studies taking into account the menstrual cycle effects, had noticed that the component P300 can be affected. No electrophysiological study has used a mental rotation task or spatial ability tests which are known for their right hemisphere dominance. The aim of the present research is to document the effect of hormonal variations on the electrocortical activity, using a mental rotation task. Our hypothesis is that estrogen levels affect electrocortical activity and lateralization. The ERPs were compared in the same women (n = 12) during a mental rotation task, repeated over two periods of the menstrual cycle. Our results show a lateralization of the left parietal activity when estrogen levels are low and during the rotation. Whereas when the estrogen level is high, there is no lateralization. In addition, we observed an increase in the amplitude of P300 for this same high level. In conclusion, estrogens fluctuations associated with the menstrual cycle have an impact on the lateralization of electrocortical activity, when a mental rotation is needed.