L'une des capacités humaines fondamentales est la capacité d'interpréter des symboles. Malgré plusieurs décennies de travaux en neuropsychologique et neuroimagerie sur le substrat cognitif et neuronal des représentations sémantiques, de nombreuses questions restent sans réponse. Les présents travaux de thèse tentent de démêler l'un de ces mystères: les substrats neuronaux des différentes composantes du mot sont-ils dissociables? Ce travail comporte deux composantes principales : l'une théorique et l'autre empirique. Dans la première partie, nous passons en revue les différentes positions théoriques concernant les corrélats cognitifs et neuraux des représentations sémantiques. De plus, nous proposons une distinction opérationnelle entre les dimensions moto-perceptives (c'est-à-dire les attributs des objets auxquels les mots se réfèrent perçus par les sens) et conceptuelles (c'est-à-dire l'information construite par l'intégration des multiples caractéristiques perceptives). Dans la deuxième partie, nous présentons les résultats des études menées afin d'étudier l'automaticité de la récupération, l'organisation topographique et la dynamique temporelle des dimensions moto-perceptives et conceptuelles de la signification des mots. Tout en contribuant à notre compréhension de la manière dont le sens des mots est codé dans le cerveau, les travaux présentés dans cette thèse ont des implications méthodologiques et théoriques importantes. En particulier, ils soulignent l'importance d'une intégration fructueuse entre les théories cognitives et les méthodes statistiques avancées afin d'éclairer les mystères entourant les représentations sémantiques. / One of the core human abilities is that of interpreting symbols. Notwithstanding decades of neuropsychological and neuroimaging work on the cognitive and neural substrate of semantic representations, many questions are left unanswered. The research in this dissertation attempts to unravel one of them: are the neural substrates of different components of concrete word meaning dissociated? In the first part, I review the different theoretical positions and empirical findings on the cognitive and neural correlates of semantic representations. Crucially, I propose an operational distinction between motor-perceptual dimensions (i.e., those attributes of the objects referred to by the words that are perceived through the senses) and conceptual ones (i.e., the information that is built via a complex integration of multiple perceptual features). In the second part, I present the results of the studies I conducted in order to investigate the automaticity of retrieval, topographical organization, and temporal dynamics of motor-perceptual and conceptual dimensions of word meaning. The results suggest that the neural substrates of different components of symbol meaning can be dissociated in terms of localization and of the feature of the signal encoding them, while sharing a similar temporal evolution.

Les situations de contact interpersonnel participeraient à la construction d’un sens basique du soi durant l’enfance, et de nos représentations de soi tout au long de la vie. Bien que l’on retrouve cette hypothèse de manière répandue dans la littérature, elle n’a été que très peu investigué expérimentalement. Cette thèse teste cet effet potentiel chez l’adulte. Deux études combinant mesures électrophysiologiques et comportementales montrent une augmentation d’une forme minimale de conscience de soi –des informations afférentes provenant du corps– suite à un contact social. Cet effet est reproduit dans 3 modalités sensorielles (contact social visuel, auditif et tactile). Une 3ème étude en magnétoencéphalographie teste l’effet d’un contexte de contact interpersonnel multisensoriel accru (vs réduit), entre un expérimentateur et des participants, sur la connectivité fonctionnelle des réseaux cérébraux dits de repos, et sur le contenu des pensées des participants. Nos résultats mettent en évidence une augmentation des processus cérébraux et cognitifs orientés sur le soi sous une forme hautement intégrée, associée à une diminution des processus sensoriels orientés sur l’environnement extérieur, à la suite d’un contact social accru. Dans l’ensemble, nos résultats suggèrent que le contact social améliore plusieurs facettes de la représentation de soi, aussi bien des aspects corporels, que des aspects plus haut-niveau et intégrés du soi narratif. Nos interactions sociales tout au long de la vie pourraient ainsi induire un contexte cérébral et cognitif centré sur un soi multifacette qui favoriserait la conscience de soi, et la construction d’un sens de l’identité incarné et situé. / Situations of interpersonal contact could contribute to the construction of a basic sense of self during childhood and to self-representations through lifespan. Although this hypothesis is widespread in the literature, the effect of social contact on self-awareness has been rarely been investigated experimentally. The aim of this PhD thesis is to investigate such an effect in human adults. In two studies combining electrophysiological measurements and behavioural responses, we show an enhancement of a minimal form of self-awareness – i.e. of the afferent information arising from the body – following social contact. This is reproduced across three sensory modalities (visual, auditory and tactile social contact). In a third study, we use magnetoencephalography to test the effect of an increased (vs reduced) multisensory interpersonal contact context between an experimenter and participants, on the functional connectivity of resting-state networks and on the participants’ thought contents. Our results revealed an enhancement of self-oriented cognitive and brain processes in a highly integrated form, associated to a decrease in externally oriented sensory processes, as a result of the social context of increased interpersonal contact. Together, our results suggest that social contact enhances multiple facets of self-representation, including basic bodily aspects of a minimal self, as well as higher level and integrated aspects of a narrative self. Our social interactions throughout lifespan may thus induce a cerebral and cognitive context centred on a multifaceted self, which would foster self-awareness and the construction of an embodied and embedded sense of identity.

L'arithmétique est une des inventions majeures de l'humanité, mais il nous manque encore une compréhension globale de la façon dont le cerveau calcule les additions et soustractions. J'ai utilisé une nouvelle méthode comportementale basée sur un suivi de trajectoire capable de disséquer la succession des étapes de traitement impliquées dans les calculs arithmétiques. Les résultats sont compatibles avec un modèle de déplacement pas à pas sur une ligne numérique mentale, en commençant par l'opérande le plus grand et en ajoutant ou soustrayant de manière incrémentielle l'opérande le plus petit. Ensuite, j'ai analysé les signaux électrophysiologiques enregistrés à partir du cortex humain pendant que les sujets résolvaient des additions. L'activité globale dans le sillon intrapariétal augmentait au fur et à mesure que les opérandes grossissaient, prouvant son implication dans le calcul et la prise de décision. Étonnamment, les sites dans le gyrus temporal inférieur postérieur ont montré que l’activation initiale diminuait en fonction de la taille du problème, suggérant un engagement dans l'identification précoce de la difficulté de calcul. Enfin, j'ai enregistré des signaux de magnétoencéphalographie pendant que les sujets vérifiaient les additions et soustractions. En appliquant des techniques d'apprentissage automatique, j'ai étudié l'évolution temporelle des codes de représentation des opérandes et fourni une première image complète d'une cascade d'étapes de traitement en cours sous-jacentes au calcul arithmétique. Ainsi, cette dissertation fournit-elle plusieurs contributions sur la façon dont les concepts mathématiques élémentaires sont mis en œuvre dans le cerveau. / Arithmetic is one of the most important cultural inventions of humanity, however we still lack a comprehensive understanding of how the brain computes additions and subtractions. In the first study, I used a novel behavioral method based on trajectory tracking capable of dissecting the succession of processing stages involved in arithmetic computations. Results supported a model whereby single-digit arithmetic is computed by a stepwise displacement on a spatially organized mental number line, starting with the larger operand and incrementally adding or subtracting the smaller operand. In a second study, I analyzed electrophysiological signals recorded from the human cortex while subjects solved addition problems. I found that the overall activity in the intraparietal sulcus increased as the operands got larger, providing evidence for its involvement in arithmetic computation and decision-making. Surprisingly, sites within the posterior inferior temporal gyrus showed an initial burst of activity that decreased as a function of problem-size, suggesting an engagement in the early identification of the calculation difficulty. Lastly, I recorded magnetoencephalography signals while subjects verified additions and subtractions. By applying machine learning techniques, I investigated the temporal evolution of the representational codes of the operands and provided a first comprehensive picture of a cascade of unfolding processing stages underlying arithmetic calculation. Overall, this dissertation provides several contributions to our knowledge about how elementary mathematical concepts are implemented in the brain.

Les théories sur le soi ont postulé que celui-ci serait ancré dans le suivi des signaux viscéraux par le cerveau. Cependant, peu de preuves expérimentales soutiennent ce postulat. L’objectif de cette thèse était de tester si on peut trouver un lien entre couplage cœur-cerveau et soi. Nous avons opérationnalisé le concept de soi en définissant deux dimensions: le «Je», expérientiel, et le «Moi», introspectif.Nous avons d’abord montré, en magnétoencéphalographie, que le rapport au soi des pensées spontanées est encodé dans l’amplitude des réponses évoquées aux battements cardiaques (heartbeat-evoked responses, HERs), dans les régions médiales du réseau du mode par défaut. Les HERs dans le cortex cingulaire postérieur et precuneus ventral encodent le «Je», alors que la dimension «Moi» est associée à des HERs dans le cortex préfrontal ventromédian. De plus, ces résultats sont spécifiques de chacune des dimensions du soi.Nous avons ensuite étendu ces résultats à l’aide d’enregistrements intracérébraux. Nous avons montré une covariation entre l’amplitude des HERs et le rapport au soi des pensées, essai par essai. Une analyse de l’insula antérieure droite a démontré que les HERs dans cette région sont modulés par la dimension «Je».Dans une tâche d’imagination, nous avons trouvé que dans les régions motrices médiales et le cortex préfrontal ventromédian, l’amplitude des HERs varie en fonction de la personne imaginée, soi-même ou un ami.Les signaux cardiaques pourraient donc contribuer à l’établissement d’un référentiel centré sur le corps, utilisé par le cerveau pour attribuer un «label soi» aux pensées. Ceci pourrait constituer un mécanisme pour l’implémentation du soi. / The self has been hypothesized to be anchored in the neural monitoring of visceral signals; yet experimental evidence is scarce. The goal of this thesis was to address this question, by testing whether we could find a link between heart-brain coupling and the self. We operationalized the concept of self by defining two self-dimensions: the experiential “I” and the introspective “Me”. We showed in a first magnetoencephalography (MEG) experiment, that the self-relatedness of spontaneous thoughts was encoded in the amplitude of heartbeat-evoked responses (HERs), in midline regions of the default-network. HERs in the posterior cingulate cortex / ventral precuneus encoded the “I” dimension, whereas the “Me” dimension was associated with HERs in the ventromedial prefrontal cortex (vmPFC). In addition, these results were specific to each self-dimension.In a second study, we extended these results using intracranial recordings and new analyses of the MEG data. Here, HER amplitude co-varied with the self-relatedness of spontaneous thoughts, at the single trial level. Moreover, an analysis of the right anterior insula showed that HERs in this region were also associated with the “I”. A third study aimed at testing these results in the context of oriented thoughts, in an imagination task. We found that HER amplitude in medial motor regions (anterior precuneus, mid-cingulate and supplementary motor area), and vmPFC, varied depending on whether the self or a friend was being imagined. Cardiac signals could contribute to a body-centered reference frame, to which the brain would refer to in order to tag thoughts as being self-related. This could be a mechanism for implementing the self.

L’expression faciale de peur constitue un important vecteur d’information sociale mais aussi environnementale. En condition naturelle, les visages apeurés apparaissent principalement dans notre champ visuel périphérique. Cependant, les mécanismes cérébraux qui sous-tendent la perception de l’expression faciale de peur en périphérie restent largement méconnus. Nous avons démontré, grâce à des études comportementales, des enregistrements magnétoencéphalographiques et intracrâniens, que la perception de l’expression faciale de peur est efficace en grande périphérie. La perception de la peur en périphérie génère une réponse rapide de l’amygdale et du cortex frontal, mais également une réponse plus tardive dans les aires visuelles occipitales et temporales ventrales. Le contrôle attentionnel est capable d’inhiber la réponse précoce à l’expression de peur, mais également d’augmenter les activités postérieures plus tardives liées à la perception des visages. Nos résultats montrent non seulement que les réseaux impliqués dans la perception de la peur sont adaptés à la vision périphérique, mais ils mettent également en avant une nouvelle forme d’investigation des mécanismes de traitement de l’expression faciale, pouvant conduire à une meilleure compréhension des mécanismes de traitement des messages sociaux dans des situations plus écologiques. / Facial expression of fear is an important vector of social and environmental information. In natural conditions, the frightened faces appear mainly in our peripheral visual field. However, the brain mechanisms underlying perception of fear in the periphery remain largely unknown. We have demonstrated, through behavioral, magnetoencephalographic and intracranial studies that the perception of fear facial expression is efficient in large peripheral visual field. Fear perception in the periphery produces an early response in the amygdala and the frontal cortex, and a later response in the occipital and infero-temporal visual areas. Attentional control is able to inhibit the early response to fear expression and to increase the later temporo-occipital activities linked to face perception. Our results show that networks involved in fear perception are adapted to the peripheral vision. Moreover, they validate a new form of investigation of facial expression processing, which may lead to a better understanding of how we process social messages in more ecological situations.

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

Les personnes non-voyantes montrent dans les différents aspects de leurs vies qu’elles sont capables de s’adapter à la privation visuelle en utilisant les capacités intactes comme l’ouï ou le toucher. Elles montrent qu’elles peuvent bien évoluer dans leur environnement en absence de vision et démontrent même des fois des habiletés supérieures à celles des personnes voyantes. La recherche de ces dernières décennies s’est beaucoup intéressée aux capacités adaptatives des non-voyants surtout avec l’avènement des nouvelles techniques d’imagerie qui ont permis d’investiguer des domaines qui ne l’étaient pas ou l’étaient difficilement avant. Les capacités supérieures des non voyants dans l’utilisation plus efficace des informations auditives et tactiles semblent avoir leur base neuronale dans le dans le cortex visuel désafférenté, qui continu à être fonctionnel après la privation sensorielle et s’en trouve recruté pour le traitement de stimulations dites intermodales : auditives, tactiles et même montre une implication dans des processus de plus haut niveau, comme la mémoire ou le langage. Cette implication fonctionnelle intermodale résulte de la plasticité du cortex visuel c'est-à-dire sa capacité à changer sa structure, sa fonction et d’adapter ses interactions avec les autres systèmes en l’absence de vision. La plasticité corticale n’est pas exclusive au cortex visuel mais est un état permanent de tout le cerveau. Pour mesurer l’activité du cortex visuel des non voyants, une mesure d’excitabilité de ses neurones consiste à mesurer le temps de recouvrement de l’onde N1 en potentiels évoqués, qui est plus rapide chez les non voyants dans la modalité auditive. En effet, les réponses en potentiels et champs évoqués ont été utilisés en EEG/MEG pour mettre en évidence des changements plastiques dans le cortex visuel des non-voyants pour le traitement de stimuli dans les modalités auditives et tactiles. Ces réponses étaient localisées dans les régions postérieures chez les non voyants contrairement aux contrôles voyants. Un autre type de réponse auditive a reçu moins d’intérêt dans la recherche concernant la réorganisation fonctionnelle en relation avec la privation sensorielle, il s’agit de la réponse auditive oscillatoire (Auditory Steady-State Response ASSR). C’est une réponse qui a l’avantage d’osciller au rythme de stimulation et d’être caractérisé par une réponse des aires auditives étiquetée à la fréquence de stimulation. Cette étiquette se présente sous la forme qu’un pic d’énergie spectrale important qui culmine aux fréquences présentes dans la stimulation. Elle a également l’avantage d’être localisée dans les régions auditives primaires, de là tout changement de localisation de cette réponse chez des non voyants en faveur des régions visuelles pourrait être considéré comme une évidence de la réorganisation fonctionnelle qui s’opère après une privation sensorielle précoce. Le but de cette thèse est donc d’utiliser la réponse oscillatoire à l’écoute des sons modulés en amplitude (MA) pour mettre en évidence les corrélats de la réorganisation fonctionnelle dans le cortex visuel des non-voyants précoces. La modulation de la réponse auditive dans les régions visuelles nous permettra de montrer qu’une réorganisation est possible chez les non-voyants pour ce traitement intermodal. La première étude est une validation du paradigme expérimental «frequency tagged sounds». Il s’agit de montrer qu’une tâche de détection de changement dans la stimulation, permet de moduler la réponse ASSR aux sons modulés en amplitude en vue de l’utiliser dans les études chez les non voyants et dans les conditions d’une privation visuelle transitoire (avec les yeux bandés). Un groupe de sujets voyants ont réalisé une tâche de détection de changement dans la stimulation les yeux ouverts dans deux conditions : écoute active qui consiste à détecter un changement dans la fréquence porteuse de la modulation en appuyant avec l’index droit sur un bouton de réponse et une condition d’écoute passive. Les sons étaient présentés en écoute monaurale et dichotique. Les résultats ont montré une différence significative à l’occurrence du changement dans la stimulation en écoute dichotique seulement. Les schémas de plus grande réponse controlatérale et de suppression binaurale décrit dans la littérature ont été confirmés. La deuxième étude avait pour but de mettre en évidence une réorganisation rapide de la réponse ASSR chez un groupe de sujets voyants dans les conditions de privation visuelle transitoire de courte durée, par bandage des yeux pendant six heures. Le même protocole expérimental que la première étude a été utilisé en écoute active seulement. Les résultats montrent que dans ces conditions une modulation de la réponse corticale en écoute dichotique dans les régions visuelles est possible. Ces sources d’activité occipitale adoptent une propriété du cortex auditif qui est le battement binaural, c'est-à-dire l’oscillation de la réponse ASSR à la différence des fréquences présentées dans chaque oreille. Cet effet est présent chez la moitié des sujets testés. La représentation corticale des sources occipitales évolue durant la période de privation et montre un déplacement des sources d’activité dans la direction antéropostérieure à la fin de la période de privation. La troisième étude a permis de comparer le traitement de la réponse ASSR dans un groupe de non-voyants congénitaux à un groupe de voyants contrôles, pour investiguer les corrélats de la réorganisation fonctionnelle de cette réponse après une privation sensorielle de longue durée c'est-à-dire chez des non voyants congénitaux. Les résultats montrent des différences significatives dans la représentation spectrale de la réponse entre les deux groupes avec néanmoins des activations temporales importantes aussi bien chez les non voyants que chez les contrôles voyants. Des sources distribuées ont été localisées dans les régions associatives auditives dans les deux groupes à la différence des non voyants où il y avait en plus l’implication des régions temporales inférieures, connues comme étant activées par la vision des objets chez les voyants et font partie de la voie visuelle du quoi. Les résultats présentés dans le cadre de cette thèse vont dans le sens d’une réorganisation rapide de la réponse auditive oscillatoire après une privation visuelle transitoire de courte durée par l’implication des régions visuelles dans le traitement de la réponse ASSR par l’intermédiaire du démasquage de connections existantes entre le cortex visuel et le cortex auditif. La privation visuelle de longue durée, elle conduit à des changements plastiques, d’une part intra modaux par l’extension de l’activité aux régions temporales supérieures et médianes. D’autre part, elle induit des changements inter modaux par l’implication fonctionnelle des régions temporales inférieures visuelles dans le traitement des sons modulés en amplitude comme objets auditifs alors qu’elles sont normalement dédiées au traitement des objets visuels. Cette réorganisation passe probablement par les connections cortico-corticales. / Blind persons show in their everyday life that they can efficiently adapt to visual deprivation by relying on their spared senses like touch or the sense of hearing. They also show they can challenge their environment without vision and sometimes even demonstrate superior abilities compared to sighted counterparts. In the last decades, research got more interested in adaptive capabilities of the blinds especially with the advent of new imaging techniques which made it possible to make giant steps investigating new avenues in the field of brain plasticity after sensory loss. The superior abilities of blind individuals take the form of a more efficient use of auditory and tactile information and find their neuronal correlates in the deafferented visual cortex. The visual cortex of the blind is still highly functional after visual deprivation and is recruited for the processing of cross modal auditory and tactile stimulations. It can even show implication in higher level memory or language processes. This functional involvement results from the plasticity of the visual cortex which is its ability to change its structure, its function and to adapt its interactions with the other systems in the absence of vision. Cortical plasticity is not exclusive to the visual cortex of the blind but is a permanent state of the brain. To appreciate cortical activity in the visual cortex of blind individuals, a measure of excitability of its neurons is used. This measure is represented by the recovery of the N1 component in ERPs to target detection, which is shorter in the auditory modality for the blind. Evoked potentials and evoked fields components in EEG and MEG have been shown to be reorganized in favour of the visual cortex of blind individuals compared to sighted ones for the auditory and tactile modalities. Posterior location for such components was found in the blind. The auditory steady-state response is another brain response that received less interest in the study of cortical reorganization after sensory loss. The ASSR has the advantage of oscillating at the stimulation rhythm and is characterized by a response in the auditory cortices tagged to the stimulation frequencies. The tag takes the form of an important spectral energy peak at the frequencies of stimulation in auditory areas. The ASSR is localized in left and right primary auditory areas, with this regard any posterior shift in the location of source activity in blind individuals also tagged to stimulation frequencies would be considered as an evidence of functional reorganization following sensory deprivation. The objectives of this work are to make use of the characteristics of the ASSR to amplitude modulated tones (AM) to investigate neural correlates of cross modal functional reorganization in the visual cortex of the blind for the processing of AM tones. The first study is a validation of the frequency tagging paradigm. A change detection auditory task can modulate the envelope amplitude of the ASSR response. The same paradigm is used to investigate cross modal reorganisation after long and short term visual deprivation. In this first study a group of healthy sighted individuals detected a change in the carrier frequency of AM tones, with eyes opened during monaural and dichotic listening. Two conditions were tested an active condition where they had to press a button each time they hear the change and a passive condition. Results show a significant increase in the envelope amplitude of the ASSR to the onset of the carrier frequency change, only for dichotic presentation. Patterns of activations of the ASSR were maintained, with larger responses in the hemisphere contralateral to the stimulated ear and binaural suppression for the ipsilateral inputs for the dichotic presentation. The second study was aimed to show that rapid changes in the ASSR to amplitude modulated tones (MA) are possible after short term sensory deprivation, by blindfolding sighted individuals for six hours. The same detection task was used but not the passive condition. Results show a modulation of the dichotic response in visual areas. The occipital source activity found, showed an auditory property as a binaural beat, which means an oscillating ASSR at a frequency equal to the difference of the frequencies presented to each ear. This effect was present in half of the participants and took place at the end of the blindfolding time. Cortical representation of the occipital sources showed a displacement of source activities in the antero-posterior direction at the end of transitory deprivation period. In the third study we compared the ASSR processing between early blind individuals (congenitally blind) group and healthy sighted controls group, to investigate the neural correlates of functional reorganization of this response after long term visual deprivation. Results show significant differences in the spectral representation of the response between the two groups. Important auditory temporal activations were found in the two groups. Distributed sources were localized in primary and secondary auditory areas for the two groups. A difference was found in blind individuals who showed additional activations of inferior temporal areas, known to be activated by objects vision in sighted individuals and being part of the what visual pathway. The results presented here are in line with a rapid reorganization of the ASSR after short term visual deprivation, and the implication of visual areas in the processing of AM tones for long term sensory deprivation in the congenitally blind. This was made possible by the unmasking of existing connections between auditory and visual cortices. Long term deprivation leads to plastic changes, in the auditory modality as a first step by the extension of activity to superior and middle temporal areas, then to cross modal changes with the functional involvement of inferior temporal areas in the processing of AM tones, considered as visual objects. This reorganization is likely to be mediated through lateral cortico-cortical connections.

Bien que l’on ait longtemps considéré que les substrats cérébraux de la mémoire sémantique (MS) demeuraient intacts au cours du vieillissement normal (VN), en raison d’une préservation de la performance des personnes âgées à des épreuves sémantiques, plusieurs études récentes suggèrent que des modifications cérébrales sous-tendant le traitement sémantique opèrent au cours du vieillissement. Celles-ci toucheraient principalement les régions responsables des aspects exécutifs du traitement sémantique, impliqués dans les processus de recherche, de sélection et de manipulation stratégique de l’information sémantique. Cependant, les mécanismes spécifiques régissant la réorganisation cérébrale du traitement sémantique au cours du VN demeurent méconnus, notamment en raison de divergences méthodologiques entre les études. De plus, des données de la littérature suggèrent que des modifications cérébrales associées au vieillissement pourraient également avoir lieu en relation avec les aspects perceptifs visuels du traitement des mots. Puisque le processus de lecture des mots représente un processus interactif et dynamique entre les fonctions perceptuelles de bas niveau et les fonctions de plus haut niveau tel que la MS, il pourrait exister des modifications liées à l’âge au plan des interactions cérébrales entre les aspects perceptifs et sémantiques du traitement des mots. Dans son ensemble, l’objectif de la présente thèse était de caractériser les modifications cérébrales ainsi que le décours temporel du signal cérébral qui sont associés au traitement sémantique ainsi qu’au traitement perceptif des mots en lien avec le VN, ainsi que les relations et les modulations entre les processus sémantiques et perceptifs au cours du VN, en utilisant la magnétoencéphalographie (MEG) comme technique d’investigation. Dans un premier temps (chapitre 2), les patrons d’activation cérébrale d’un groupe de participants jeunes et d’un groupe de participants âgés sains ont été comparés alors qu’ils effectuaient une tâche de jugement sémantique sur des mots en MEG, en se concentrant sur le signal autour de la N400, une composante associée au traitement sémantique. Les résultats démontrent que des modifications cérébrales liées à l’âge touchent principalement les structures impliquées dans les aspects exécutifs du traitement sémantique. Une activation plus importante du cortex préfrontal inférieur (IPC) a été observée chez les participants jeunes que chez les participants âgés, alors que ces derniers activaient davantage les régions temporo-pariétales que les jeunes adultes. Par ailleurs, le lobe temporal antérieur (ATL) gauche, considéré comme une région centrale et amodale du traitement sémantique, était également davantage activé par les participants âgés que par les jeunes adultes. Dans un deuxième temps (chapitre 3), les patrons d’activation cérébrale d’un groupe de participants jeunes et d’un groupe de participants âgés sains ont été comparés en se concentrant sur le signal associé au traitement perceptif visuel, soit dans les 200 premières millisecondes du traitement des mots. Les résultats montrent que des modifications cérébrales liées à l’âge touchent le gyrus fusiforme mais aussi le réseau sémantique, avec une plus grande activation pour le groupe de participants âgés, malgré une absence de différence d’activation dans le cortex visuel extrastrié entre les deux groupes. Les implications théoriques des résultats de ces deux études sont ensuite discutées, et les limites et perspectives futures sont finalement adressées (chapitre 4). / While it has long been assumed that the organization of the brain network underlying semantic processing remains intact in normal aging, mainly due to older adults’ intact behavioral performance on semantic tasks, several recent studies suggest that brain changes underlying semantic processing operate during aging. These changes appear to affect mainly the brain regions responsible for the executive aspects of semantic memory (SM), involved in semantic search and selection processes, as well as the strategic manipulation of semantic knowledge. However, the specific mechanisms underlying cerebral reorganization of semantic processing in normal aging are not well understood, partly because of methodological differences among studies. Recent literature also suggests that brain changes may be observed in relation to visual perceptual aspects of word processing in older adults. Since reading words is a dynamic interactive process between low-level perceptual functions and higher-order processes such as semantic processing, there may be age-related changes in terms of brain interactions between perceptual and semantic aspects of word processing. The general aim of this thesis was to characterize the cortical changes and the time course of brain signal associated with semantic and perceptual processing of words, as well as the modulations between semantic and perceptual processes in normal aging, using magnetoencephalography (MEG) as the investigative method. Firstly (Chapter 2), the patterns of brain activation of two groups of healthy younger and older adults were compared relative to a semantic task participants carried out during MEG acquisition, by focusing on the signal around the N400, a component associated with semantic processing. The results indicate that brain changes associated with normal aging mainly affect structures involved in the executive aspects of semantic processing. Greater activation was observed in prefrontal cortex for younger relative to older adults, while the latter group of participants activated the temporoparietal region to a greater extent than young adults. Moreover, the left anterior temporal lobe (ATL), considered to be a central and amodal region of semantic processing, was also more activated by older than younger participants. Secondly (Chapter 3), specific patterns of brain activation of younger and healthy older adults were compared in relation to visual perceptual processing, by focusing on the 200 first milliseconds of cortical signal during word processing. The results show that the age-related brain changes affect the fusiform gyrus, as well as the semantic network, with greater activation found in these regions in the group of older participants relative to younger participants, while no difference in activation of the visual extrastriate cortex was found between groups. The theoretical implications of the results of these two studies are discussed. Finally, limitations of this thesis and future perspectives are addressed (Chapter 4).

Cette thèse est consacrée à l'étude des signaux mesurés par Electroencéphalographie (EEG) et Magnétoencéphalographie (MEG) afin d'améliorer notre compréhension du cerveau humain. La MEG et l'EEG sont des modalités d'imagerie cérébrale non invasives. Elles permettent de mesurer, hors de la tête, respectivement le potentiel électrique et le champ magnétique induits par l'activité neuronale. Le principal objectif lié à l'exploitation de ces données est la localisation dans l'espace et dans le temps des sources de courant ayant généré les mesures. Pour ce faire, il est nécessaire de résoudre un certain nombre de problèmes mathématiques et informatiques difficiles. La première partie de cette thèse part de la présentation des fondements biologiques à l'origine des données M/EEG, jusqu'à la résolution du problème direct. Le problème direct permet de prédire les mesures générées pour une configuration de sources de courant donnée. La résolution de ce problème à l'aide des équations de Maxwell dans l'approximation quasi-statique passe par la modélisation des générateurs de courants, ainsi que de la géométrie du milieu conducteur, dans notre cas la tête. Cette modélisation aboutit à un problème direct linéaire qui n'admet pas de solution analytique lorsque l'on considère des modèles de tête réalistes. Notre première contribution porte sur l'implémentation d'une résolution numérique à base d'éléments finis surfaciques dont nous montrons l'excellente précision comparativement aux autres implémentations disponibles. Une fois le problème direct calculé, l'étape suivante consiste à estimer les positions et les amplitudes des sources ayant généré les mesures. Il s'agit de résoudre le problème inverse. Pour ce faire, trois méthodes existent: les méthodes paramétriques, les méthodes dites de "scanning", et les méthodes distribuées. Cette dernière approche fournit un cadre rigoureux à la résolution de problème inverse tout en évitant de faire de trop importantes approximations dans la modélisation. Toutefois, elle impose de résoudre un problème fortement sous-contraint qui nécessite de fait d'imposer des a priori sur les solutions. Ainsi la deuxième partie de cette thèse est consacrée aux différents types d'a priori pouvant être utilisés dans le problème inverse. Leur présentation part des méthodes de résolution mathématiques jusqu'aux détails d'implémentation et à leur utilisation en pratique sur des tailles de problèmes réalistes. Un intérêt particulier est porté aux a priori induisant de la parcimonie et conduisant à l'optimisation de problèmes convexes non différentiables pour lesquels sont présentées des méthodes d'optimisation efficaces à base d'itérations proximales. La troisième partie porte sur l'utilisation des méthodes exposées précédemment afin d'estimer des cartes rétinotopiques dans le système visuel à l'aide de données MEG. La présentation porte à la fois sur les aspects expérimentaux liés au protocole d'acquisition jusqu'à la mise en oeuvre du problème inverse en exploitant des propriétés sur le spectre du signal mesuré. La contribution suivante ambitionne d'aller plus loin que la simple localisation d'activités par le problème inverse afin de donner accès à la dynamique de l'activité corticale. Partant des estimations de sources sur le maillage cortical, la méthode proposée utilise des méthodes d'optimisation combinatoires à base de coupes de graphes afin d'effectuer de façon robuste le suivi de l'activité au cours du temps. La dernière contribution de cette thèse porte sur l'estimation de paramètres sur des données M/EEG brutes non moyennées. Compte tenu du faible rapport signal à bruit, l'analyse de données M/EEG dites "simple essai" est un problème particulièrement difficile dont l'intérêt est fondamental afin d'aller plus loin que l'analyse de données moyennées en explorant la variabilité inter-essais. La méthode proposée utilise des outils récents à base de graphes. Elle garantit des optimisations globales et s'affranchit de problèmes classiques tels que l'initialisation des paramètres ou l'utilisation du signal moyenné dans l'estimation. L'ensemble des méthodes développées durant cette thèse ont été utilisées sur des données M/EEG réels afin de garantir leur pertinence dans le contexte expérimental parfois complexe des signaux réelles M/EEG. Les implémentations et les données nécessaires à la reproductibilité des résultats sont disponibles. Le projet de rétinotopie par l'exploitation de données de MEG a été mené en collaboration avec l'équipe du LENA au sein de l'hôpital de La Pitié-Salpêtrière (Paris).

Le contexte guide la perception de manière inconsciente. En vision, il est utilisé pour faciliter la reconnaissance et la recherche d'objets. Nous avons élaboré un protocole expérimental nouveau pour étudier l'influence du contexte sur la recherche visuelle en magnéto-encéphalographie (MEG). Une étude chez des sujets sains nous a permis d'observer les étapes de l'apprentissage et de l'exploitation des relations spatiales entre le contexte et la cible en recherche visuelle. Lorsque le contexte peut être utilisé pour prédire la position de la cible, une activité oscillatoire spécifique dans la bande de fréquence gamma (30-48 Hz) se développe dès qu'une image est vue pour la deuxième fois (Chaumon, Schwartz et Tallon-Baudry, En révision). Lorsque les sujets commencent à utiliser les régularités inconsciemment, ces oscillations gamma disparaissent et laissent place à un effet dans l'activité évoquée en MEG avant 100 ms (Chaumon, Drouet et Tallon-Baudry, 2008). Des enregistrements effectués dans la même tâche chez des patients épileptiques implantés d'électrodes intracrâniennes confirment les résultats MEG et montrent que les régions du lobe temporal antérieur sont impliquées dans l'exploitation des relations entre contexte et cible (Chaumon, Adam, Hasboun et Tallon-Baudry, En préparation).<br />Nous proposons que l'activité gamma permet la création et l'affûtage d'une représentation neuronale par des mécanismes de plasticité dépendante de la synchronie des potentiels d'action (spike timing dependent plasticity, STDP). Cette représentation une fois créée serait activée très rapidement pour biaiser le traitement cérébral, permettant la prise en compte de l'expérience vécue dès les étapes précoces du traitement sensoriel.