Se déplacer selon un but déterminé est une activité courante de la vie quotidienne. Des capacités cognitives variées sont associées aux déplacements, comme la navigation, la mémoire ou encore l’orientation spatiale. De nombreux patients cérébro-lésés ou atteints par une maladie neuro-dégénérative présentent des difficultés topographiques qui retentissent sur leur autonomie en vie quotidienne. Les outils de réalité virtuelle permettent d’évaluer la navigation et la mémoire spatiale à grande échelle, avec une bonne corrélation entre cette évaluation et celle qui serait réalisée dans un environnement réel. La réalité virtuelle permet également d’ajouter des stimuli à la tâche proposée. Ces stimuli additionnels peuvent être contextuels, c’est à dire reliés à la tâche à réaliser dans l’environnement virtuel, ou noncontextuels, soit sans lien avec la tâche à accomplir. Ce travail de thèse s’est attaché à évaluer l’impact de stimuli auditifs et visuels sur la navigation et la mémoire spatiale de patients cérébro-lésés ou présentant une maladie neuro-dégénérative, dans des expériences de réalité virtuelle. Les deux premiers volets de cette thèse ont étudié l’effet de stimuli auditifs contextuels ou non-contextuels lors d’une tâche de courses au sein du supermarché virtuel VAP-S. Le premier volet a montré que des stimuli auditifs contextuels de type effet sonar et énoncé du nom du produit facilitaient la navigation spatiale de patients cérébro-lésés impliqués dans cette tâche de courses. Le second volet a mis en évidence que des sons non-contextuels avec une importante saillance cognitive ou perceptuelle péjoraient la performance de navigation de patients ayant présenté un accident vasculaire cérébral. Les deux volets suivants de cette thèse ont étudié l’effet d’indiçages visuels ou auditifs dans une tâche de navigation spatialedans un quartier virtuel. Ainsi, le troisième volet de la thèse a démontré que des indices visuels comme des flèches directionnelles ou des points de repère sursignifiés facilitaient la navigation spatiale et certains aspects de mémoire spatiale de patients avec des troubles cognitifs légers (MCI) ou présentant une Maladie d’Alzheimer. Enfin, le quatrième volet a mis en évidence qu’un indiçage auditif par des bips indiquant la direction à chaque intersection améliorait la navigation spatiale de patients cérébro-lésés droits présentant une héminégligence visuelle et auditive controlatérale. Ces résultats suggèrent que des stimuli auditifs et visuels pourraient être utilisés lors de prises en charge rééducatives et réadaptatives de patients présentant des difficultés topographiques, ainsi qu’en vie quotidienne par le biais de la réalité augmentée afin de faciliter leurs déplacements. L’impact des stimuli chez les sujets sains et chez les cérébrolésés est différent et justifie une analyse spécifique de processus probablement distincts impliqués lors des déficits cognitifs. / Navigating in a familiar or unfamiliar environment is a frequent challenge for human beings. Many patients with brain injury suffer from topographical difficulties, which influences their autonomy in daily life. Virtual Reality Tools enable the evaluation of largescale spatial navigation and spatial memory, resembling a real environment. Virtual reality also permits to add stimuli to the software. These stimuli can be contextual, that is to say linked to the task that participants have to accomplish in the Virtual Environment, or non-contextual, i.e. with no link with the require task. This thesis investigates whether visual or auditory stimuli influence spatial navigation and memory in Virtual Environments of patients with brain injury or with a neurodegenerative disease. The first part of the thesis showed contextual auditory stimuli type a sonar effect and the names of products of the shopping list improved spatial navigation of brain-injured patients during a shopping task in the virtual supermarket VAP-S. The second part of this thesis highlighted that non-contextual auditory stimuli with a high perceptual or cognitive salience decreased spatial navigation performance of brain-injured patients during a shopping task in the VAP-S. The third part of this thesis showed that visual cues like directional arrows and salient landmarks improved spatial navigation and some aspects of spatial memory of patients with Alzheimer’s disease or Mild Cognitive Impairments during a navigation task in a virtual district. The last part of this thesis demonstrated that auditory cues, i.e. beeping sounds indicating the directions, increased spatial navigation in a virtual district of patients who have had a stroke with contra-lesional visual and auditory neglect. These results suggest that some visual and auditory stimuli could be helpful for spatial navigation and memory tasks in patients with brain injury of neuro-degenerative disease. It further offers new research avenues for neuro-rehabilitation, such as the use of augmented reality in real-life settings to support the navigational capabilities of these patients.

La maladie d’Alzheimer (MA) se caractérise par une perte des fonctions cognitives liée à une dégénérescence neuronale induite par l’accumulation de peptides amyloïdes-β (Aβs) dans des régions vulnérables du cerveau comme l’hippocampe. Au niveau moléculaire, les peptides Aβs se lient préférentiellement à la densité post-synaptique des synapses excitatrices, espace au niveau duquel la protéine d’échafaudage PSD-95 organise l’ancrage des récepteurs NMDA (RNMDAs) et régule leur mobilité membranaire. A l’aide d’une stratégie intégrative qui favorise des niveaux d’analyse verticaux (du phénotype aux événements moléculaires) et qui combine un ensemble d’approches corrélatives et invasives chez des souris double transgéniques APPswe/PS1dE9 modèles de la MA, nous avons mis en évidence que les peptides Aβs déstabilisent l’organisation synaptique (altération de l’expression de la PSD-95) et augmentent le pool extrasynaptique de sous-unités GluN2B des RNMDAs dans l’hippocampe. Cette réorganisation se traduit par une perturbation des fonctions mnésiques. Par ailleurs, il a été montré que certaines oscillations de l’activité hippocampique, comme les « sharp-wave ripples » (SWRs) générées pendant les périodes de sommeil, jouent un rôle crucial dans la formation de la mémoire. De façon surprenante, l’accumulation des peptides Aβs semble épargner la dynamique d’expression des SWRs durant les comportements de routine. Afin d’examiner l’effet potentiel des Aβs sur les SWRs chez des animaux confrontés à des challenges cognitifs, nous avons soumis des souris adultes injectées intracérébralement avec une solution d’Aβs à un test de reconnaissance spatiale. Alors qu’elles sont capables de former une mémoire à court terme, les souris Aβs montrent un oubli plus rapide, suggérant qu’elles encodent avec succès, mais qu’elles sont incapables de stabiliser et de rappeler une information acquise antérieurement. En l’absence d’une demande cognitive préalable, les propriétés des SWRs ne sont pas altérées par les Aβs. En revanche, lorsqu’elles doivent résoudre un test cognitif, les pics de SWRs normalement observés après encodage ou reconnaissance chez les souris témoins sont abolis chez les souris Aβs, indiquant une perturbation du traitement hippocampique de l’information spatiale. Pris dans leur ensemble, ces résultats identifient deux nouveaux mécanismes délétères sous-tendant les déficits de mémoire spatiale associés à la MA. / Cognitive impairments in Alzheimer’s disease (AD) are thought to be related to degenerative synaptic changes caused by the accumulation of amyloid-β peptides (Aβs) in vulnerable brain regions such as the hippocampus. At the molecular level, Aβs bind preferentially to the postsynaptic density of neuronal excitatory synapses, where the scaffolding post-synaptic protein-95 (PSD-95) organizes NMDA receptor (NMDAR) location as well as its downstream signaling. By using an integrative strategy which favoured vertical levels of analyses (from phenotype to molecular events) and combined a set of interrelated correlative and invasive approaches in a double transgenic mouse model of AD (APPswe/PS1dE9 mice), we were successful in establishing that Aβs destabilize the synaptic organization (reduction of expression of PSD-95) and increase the extrasynaptic pool of GluN2B-containing NMDAR in the hippocampus, a reorganization which translates into impaired memory functions. It is also well-known that hippocampal sharp wave-ripples (SWRs) generated during sleep periods are crucial for memory formation but accumulation of soluble Aβs, surprisingly seems to spare SWR dynamics during routine behavior. To unravel a potential effect of Aβs on SWRs in cognitively-challenged animals, we submitted vehicle- and Aβ-injected mice to spatial recognition memory testing. While capable of forming short-term memory, Aβ mice exhibited faster forgetting, suggesting successful encoding but an inability to adequately stabilize and/or retrieve previously acquired information. Without prior cognitive requirements, similar properties of SWRs were observed in both groups. In contrast, when cognitively challenged, the post-encoding and -recognition peaks in SWR occurrence observed in controls were abolished in Aβ mice, indicating impaired hippocampal processing of spatial information. Altogether these results identify two new disruptive mechanisms for the spatial memory deficits associated with AD.

Devant l’importance de la lecture dans notre société actuelle, il importe de se questionner sur les façons qui peuvent être mises en œuvre, dès le début du primaire, afin d’aider les élèves à apprendre à lire et à surmonter leurs difficultés en lecture. Lorsque l’on considère les effets bénéfiques que peut avoir l’apprentissage musical sur un ensemble d’habiletés non musicales, dont la mémoire, il devient pertinent de se questionner sur les effets possibles de la musique sur les habiletés en lecture. Alors qu’un lien semble présent dans l’ensemble des études consultées, la nature de ce lien, à savoir s’il s’agit d’une relation causale, reste indéterminée. Devant les résultats parfois contradictoires observés dans la littérature scientifique et considérant l’absence de recherches menées en contexte majoritairement francophone, le but de notre étude était d’évaluer les effets de deux programmes d’entraînement (lecture seulement et lecture-musique) sur le développement des habiletés de lecture, de musique et de mémoire d’élèves de 2e année du primaire au Québec. Un design quasi expérimental avec prétest et post-test a été employé. Les sujets (n=94) ont été divisés en trois groupes : lecture seulement (LS, n=44), lecture-musique (LM, n=34) et contrôle (n=16). Les programmes expérimentaux ont pris place pendant quatre mois à raison de trois périodes par cycle de dix jours. Selon l’analyse des résultats, il semblerait que les programme LS et LM aient pu avoir un effet favorable sur la précision en lecture, le vocabulaire réceptif, la morphosyntaxe et la mémoire spatiale. Toutefois, cet effet n’est pas significatif sur le plan statistique puisque tous les groupes étaient considérés comme équivalents non seulement au prétest, mais également au post-test, pour l’ensemble des variables. Par ailleurs, les trois groupes se sont significativement améliorés en compréhension, en déchiffrement et en vitesse de lecture. L’ensemble des résultats a été mis en relation avec les études antérieures menées sur le sujet et le contexte précis de l’étude afin de dégager des pistes pertinentes de recherches ultérieures.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La navigation et les modes de déplacement intéressent la communauté scientifique depuis maintenant près d'un demi siècle. Cependant, l’augmentation de l’incidence des troubles dégénératifs du système nerveux central chez l’homme rend plus prégnante la nécessité de compréhension de la navigation et de l’influence du temps sur celle-ci. S'il est connu chez l'homme comme chez le rongeur que l'avancée en âge affecte les capacités à se déplacer dans de vastes environnements, peu de données sont disponibles quant aux processus cognitifs impliqués dans ce type de comportement et leurs éventuelles modulations avec l'âge. La définition des stratégies utilisées, l’incidence respective des mécanismes allocentriques et égocentriques, la capacité de mise en œuvre d’une stratégie au moment demandé, lors d’un rappel à court ou à long délai, l’influence du temps qui passe sont autant de questions que nous avons abordées dans ce travail de thèse. Afin d’effectuer ces études, nous avons développé des tâches en environnements virtuels modélisés sur ordinateur et utilisé des tests neuropsychologiques nécessitant la mobilisation des compétences visuo-spatiales. Dans une première étude utilisant une épreuve de localisation spatiale, les résultats obtenus mettent en évidence chez les personnes âgées, une altération des aptitudes lors de la mise en œuvre d’une stratégie allocentrique, sans atteinte des performances égocentriques. La deuxième étude utilisant une version virtuelle du test de la piscine de Morris reconnu comme une tâche allocentrique chez le rongeur, conforte ces données. De façon similaire dans les deux études, les personnes âgées présentent une altération de la sélection et de l’exécution de la stratégie de déplacement qui s’avère optimale pour résoudre la tâche spatiale. Nous avons également mis en évidence une difficulté, chez ces mêmes participants, à utiliser une représentation mentale globale de l’espace, sans toutefois qu’il soit possible de distinguer si l’origine de cette difficulté vient d’une altération de la formation ou de la récupération de cette « carte cognitive ». Le temps pourrait également jouer son rôle de par le délai entre l'acquisition d'une information spatiale et le moment où il est nécessaire de l’utiliser à nouveau. En étudiant l’effet du délai sur la trace mnésique spatiale, nous avons observé que les sujets jeunes utilisant de façon prédominante une stratégie allocentrique voyaient leurs performances diminuer lors d’un rappel après quatre semaines alors que celles des sujets âgés restaient inchangées. Ceci soulève bien entendu la question de la différence d’encodage des informations entre les sujets jeunes et âgés, avec un versant plus détaillé chez les sujets jeunes, mais surtout s’intègre au sein du débat actuel sur l’existence d’une modification de la trace mnésique qui pourrait selon la théorie des traces multiples de la consolidation, évoluer vers un souvenir plus schématisé avec le délai. Les résultats d’une dernière étude dans laquelle nous manipulons le contexte environnemental de la piscine virtuelle de Morris, amène des arguments en faveur d’une « schématisation » du souvenir au cours de la consolidation, en mettant en évidence une absence de discrimination par les participants, d’un changement des repères spatiaux lors d’un rappel de l’information après six semaines de délai. Toutes ces données sont discutées dans le cadre du débat actuel de la consolidation, notamment sur la contribution de l’hippocampe dans le stockage et le rappel des informations anciennes. A la lumière de nos données, nous proposons une vue intégrative du fonctionnement de l’interface hippocampo-corticale lors des rappels après un court et long délai, en fonction de l’âge. / While the detrimental effects of human aging on cognitive functions are well documented, how normal aging affects spatial memory processing and the organization of recent and long-term memories remains unclear. What are the cognitive strategies used when confronted to spatial navigation in large environments? How are the selection and use of these strategies affected by aging? How are recent and long-term remote memories organized as a function of aging during systems-level consolidation? These are the questions we sought to address during the course of this Ph.D. thesis by developing a series of virtual environments aimed at assessing spatial navigation and memory performance in young adults and aged participants. In a first series of experiments, participants were tested for object location memory in a virtual environment (a medieval castle) that enabled shifts in spatial viewpoints between study and test. Aged participants exhibited poor performance relative to young adults only in the shifted view conditions, thus providing strong evidence for a decline in allocentric, but not egocentric, spatial memory. In contrast to young adults, aged participants exhibited difficulties in processing efficiently distal cues of the environment and were less prone to adopt allocentric strategies. Manipulations of the spatial layout of the environment led us to the conclusion that aging seems to preferentially interfere with the capacity to form or use mental representations built upon all pieces of the environmental features which typically, are never in full view in real world large-scale environments. In a second set of experiments, participants were tested in an ecologically-relevant virtual version of the Morris water maze which mimics that classically used in rodents. Aged participants performed more poorly compared to middle-aged and young adults and formed a more schematic spatial memory. They favoured a directional single cue-based strategy to locate the hidden platform contrasting with young adults who formed complex geometrical relationships between distal cues of the environment. A neuropsychological test battery confirmed that binding of unrelated items and abilities to mentally manipulate information were two processes involved in solving the water maze task. Thus, upon acquisition, aged participants had difficulties in forming experientially detailed cognitive maps and in binding unrelated features of the environment into a cohesive spatial memory, possibly indicative of altered hippocampal-frontal circuitry. We next proceeded to examine the organization of spatial memory as a function of time. Long-term memory assessed 4 weeks after acquisition revealed that performance decreased more rapidly in young adults compared to elderly participants, suggesting that the passage of time differentially affects the content of spatial memory, richly detailed spatial memories being more vulnerable to decay than schematic ones. This concept of memory transformation (i.e. memories are not stored in the cortex in their original form) was supported by findings of a last experiment in which we provide evidence that participants failed in detecting changes in the spatial layout of the pool as memories matured over time. All these findings are discussed in the context of the current debate about the concept of memory consolidation which opposes the standard model of memory consolidation to the multiple trace theory, two views which make different predictions about the contribution of the hippocampus to remote memory storage and retrieval. In light of our own findings, we attempt to propose an integrative view of the functioning of the hippocampal-cortical interface during recent and remote memory retrieval as a function of normal aging.

Malgré la multiplicité des études démontrant le comportement fascinant des animaux dans leur milieu naturel, quelques domaines de recherches demeurent difficiles à aborder. Ainsi, l’étude de certains aspects cognitifs nécessite un certain contrôle sur l’environnement afin de dissocier les influences écologiques et sociales de l’implication cognitive ; par exemple la cognition spatiale incluant la mémoire spatiale, les mécanismes d’orientation spatiale, ainsi que leur implication dans la navigation, tel que par la planification. L’étude de la cognition spatiale des chimpanzés sauvages s’est déroulée dans le Parc national de Taï, une forêt tropicale dense où les ressources potentielles sont abondantes et réparties sur un territoire de 25 km², avec une visibilité d’environ 30 mètres. De plus, les chimpanzés vivent dans une société du type fission-fusion, impliquant de multiples relations sociales. Toutefois, l’enregistrement précis de la position et des activités des chimpanzés, ainsi qu’une carte botanique précise, nous a permis de dissocier les effets écologiques, sociaux et cognitifs afin de mieux comprendre les relations entre ces différents facteurs. Par cette étude, nous montrons que les chimpanzés ont développé un mécanisme permettant une navigation précise grâce à une carte Euclidienne contenant des informations sur la direction et la distances vers des ressources connues. Ce mécanisme est extrêmement adapté et efficace par la connaissance précise de la localisation de milliers de ressources dans leur habitat. Ces capacités permettent d’augmenter leur efficacité en sélectionnant les ressources les plus productives, en les planifiant à l’avance et, de manière plus avancée, en planifiant le parcours le plus court à travers ces différentes ressources durant la journée lorsque la pression sociale requière une meilleure précision dans le choix des ressources. Ces découvertes illustrent d’abord les capacités extraordinaires des chimpanzés, et deuxièmement que les aspects cognitifs peuvent être expliqués dans le milieu naturel des animaux. / Whereas numerous studies demonstrated fascinating behaviour of animals in their natural habitat, some important areas of research were difficult to tackle in the field. This is the case of many studies on cognitive aspects that required controlled environment to dissociate ecological and social influence from cognition. One of these important areas of research is the spatial cognition including spatial memory, spatial orientation mechanisms and the practical use of these abilities to travel efficiently, such as planning skills. This study on spatial cognition in wild chimpanzees took place in Taï National Park, a tropical dense forest where potential food resources are highly abundant in their 25 km² territory, and the visibility is approximately 30 meters. Adding to this complexity, chimpanzees live in a fission-fusion society, maintaining relationships with each other. Nevertheless, with a precise recording of chimpanzee’s location and activities and a precise botanic map of the territory, we were able to dissociate the ecological, social and cognitive effects and understand some relationships between these factors. Here, we showed that wild chimpanzees developed a precise mechanism to navigate efficiently in their large area using a Euclidean map containing accurate information about direction and distance to the known resources. This mechanism is highly adapted and efficient as the chimpanzees have a precise knowledge of the resources location in their area, remembering the location of thousand trees location. These highly developed abilities allowed them to increase their efficiency by selecting the most productive resources, planning them in advanced and on a higher level to plan the shortest path through these major resources during the day when the social pressure induce a higher precision in resource selection. These findings highlight first the outstanding spatial abilities of wild chimpanzees and second that cognition can be better explained in animals’ natural complex environment. / Trotz zahlreicher Studien, die das faszinierende Verhalten von Wildtieren in ihrer natürlichen Umwelt dokumentieren, bleiben einige Studienfelder schwer erfassbar. So ist zum Beispiel bei der Erforschung von bestimmten kognitiven Aspekten die Rücksichtnahme auf den Umweltfaktor erforderlich, damit Umwelt- und Sozialeinfluss von den kognitiven Faktoren unterschieden werden können. Zu diesen Untersuchungsfeldern gehört die Raumkognition, welche das Raumgedächtnis, die Mechanismen der Raumorientierung sowie deren effizientes Nutzen durch die Schimpansen, z.B. durch ihre Fähigkeit zum Planen, einschließt. Die vorgestellte Studie über Raumkognition bei wild lebenden Schimpansen wurde im Nationalpark von Tai durchgeführt, das heißt, in einem dichten tropischen Wald, wo potentielle Ressourcen bei einer Sichtweite von ungefähr 30 Metern auf einem 25 qm großen Areal reichlich verteilt sind. Hinzu kommt, dass Schimpansen in einer Fission-Fusion Gesellschaftsstruktur leben, die vielfache soziale Beziehungen fördern. Jedoch, mit einer genauen Registrierung der räumlichen Lage und der Aktivitäten der Schimpansen und anhand einer präzisen botanischen Karte des Gebiets, konnten wir die Umwelt-, Sozial- und kognitiven Effekte gegeneinander abgrenzen und somit die zwischen diesen unterschiedlichen Faktoren bestehenden Beziehungen erfassen. In dieser Studie zeigen wir, dass Schimpansen einen besonderen Mechanismus zur Raumorientierung auf ihrem Gebiet entwickelt haben. Dabei verfügen sie über eine euklidische Mind-Karte mit präzisen Informationen über Richtungen und Entfernungen zu den bekannten Ressourcen. Durch ein genaues Wissen über die Verteilung der Nahrungsressourcen auf ihrem Gebiet ist dieser Mechanismus hoch effizient. Dank dieser Fähigkeiten werden Schimpansen immer effizienter, indem sie die ergiebigsten Ressourcen auswählen, dabei planende Fähigkeiten einsetzen und weiterhin indem sie an einem Tag die kürzeste Strecke zu den verschiedenen Ressourcen ausmachen, wenn der soziale Druck höchste Präzision in der Wahl der Nahrungsressourcen erfordert. Diese Erkenntnisse erhellen zuallererst die außergewöhnlichen Fähigkeiten der wild lebenden Schimpansen und beweisen, dass sich kognitive Mechanismen bei wild lebenden Tieren in ihrer natürlichen Umwelt besser erklären lassen.

L'objectif de ce travail a été d'étudier deux aspects de la flexibilité du système des cellules de lieu de l'hippocampe : la réponse adaptative des cellules de lieu à des changements environnementaux, et les aspects moléculaires impliqués dans cette flexibilité. Dans une première étude, nous avons évalué la capacité de ces cellules à maintenir une représentation spatiale stable malgré des changements des repères de l'environnement. Nous avons pour cela produit un conflit en tournant deux types d'indices dans des directions opposées : des indices proches et des indices distants. La majorité des cellules montre une réorganisation de la représentation (remapping), ce qui suggère qu'elles sont contrôlées par la configuration d'ensemble des indices. Moins souvent, les cellules sont contrôlées par les indices proches, et encore moins souvent par les indices distants. En retirant un des ensemble d'indices, nous observons la compétition entre les processus de pattern completion et pattern separation. Dans un deuxième ensemble d'études, nous avons cherché à comprendre l'implication du gène zif268 dans la mémoire spatiale à court terme et à long terme. Ce gène, membre de la famille des facteurs de transcription Egr, jouerait le rôle de « commutateur moléculaire » permettant le remodelage durable des réseaux neuronaux à la base de la formation de traces mnésiques stables, qui a lieu lors des processus de potentialisation à long terme (PLT). Nous avons testé une souche de souris mutantes chez laquelle le gène zif268 (Krox24) est invalidé dans l'ensemble du cerveau. D'abord, nous avons voulu identifier comment ce gène contrôle la stabilité des champs d'activité des cellules de lieu de CA1 hippocampiques. Nos résultats montrent que les souris mutantes zif268 ont des cellules de lieu fonctionnelles, avec des paramètres de décharges comparables aux souris contrôles. Nous avons trouvé que la délétion de ce gène n'interfère pas avec la formation, ni avec le maintien à court terme (1h) d'une nouvelle représentation, mais affecte seulement son maintien à long terme (24h). Zif268 est donc nécessaire pour le maintien à long terme de la représentation spatiale. Ensuite, dans une tâche d'exploration d'objets, nous avons montré que les souris mutantes zif268 présentaient des déficits dans la détection d'un changement spatial, après la réactivation du contexte initial, ce qui suggère un rôle de zif268 dans la re-consolidation. Ensemble, ces résultats indiquent que zif268 est un élément clef de la voie de signalisation moléculaire responsable de la formation de souvenirs à long terme.

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