L'apnée obstructive du sommeil (AOS) est un problème de santé important, affectant jusqu’à 38% de la population générale et augmentant en prévalence avec l’âge. L'AOS mène à une hypoxémie intermittente, une fragmentation du sommeil et des changements de flot sanguin qui peuvent provoquer des dommages vasculaires et neuronaux. Récemment, des anomalies de flot sanguin cérébral (FSC) mesurées à l’éveil ont été observées chez les adultes présentant de l’AOS sévère. On ne sait toutefois pas si ces anomalies s’accentuent avec le temps et si le traitement de l'AOS (généralement la pression positive continue - PPC) peut diminuer ces anomalies chez les personnes âgées. Ainsi, ce projet de maîtrise vise à déterminer si le traitement par PPC d’une durée de 18 mois chez les personnes apnéiques de plus de 55 ans normalise le FSC mesuré en tomographie d'émission monophotonique. De plus, ce projet vise à investiguer les effets à moyen-terme de l'AOS non traitée relativement à un groupe contrôle. Nous avons émis l’hypothèse que les sujets avec de l'AOS traitée par PPC auront des augmentations de FSC dans des régions précédemment hypoperfusées alors que les individus avec l'AOS non traitée auront des diminutions de FSC à travers le temps dans des régions sensibles à l’AOS. Nous avons évalué 12 participants contrôles et 23 participants nouvellement diagnostiqués avec de l’AOS. Ces-derniers ont été référés à une clinique d’AOS et 13 d’entre eux ont suivi un traitement par PPC. Pour l’analyse de l’imagerie par émission monophotonique, nous avons utilisé une méthode basée sur le voxel ainsi qu’une méthode d’extraction pour mesurer les changements à travers le temps dans chacun des groupes. Nous avons observé une augmentation du FSC chez le groupe traité au niveau du gyrus temporal inférieur gauche. De plus, nous avons observé des diminutions de FSC chez le groupe non traité au niveau de l’hippocampe gauche, du gyrus parahippocampal droit et du pôle temporal supérieur gauche. Aucun changement n’a été observé chez le groupe contrôle. Les diminutions de FSC observées dans le groupe non traité pourraient être causées par les conséquences de l’AOS, notamment par une combinaison de diminution du calibre vasculaire et une perte cellulaire. En éliminant ces mécanismes pathologiques, le traitement par PPC permettrait une revascularisation et une prolifération cellulaire. Puisque les régions cérébrales affectées par l’AOS dans ce projet sont associées au déclin cognitif, d’autres études sont nécessaires pour clarifier le lien entre l’AOS, son traitement et la démence. / Obstructive sleep apnea (OSA) is an important health problem, affecting up to 38% of the general population and increasing in prevalence with age. OSA causes blood flow changes leading to vascular and neuronal damage. Indeed, decreases in regional cerebral blood flow (rCBF) have been observed in OSA. The treatment of OSA is continuous positive airway pressure (CPAP). CPAP treatment has been associated with increases in rCBF. However, studies evaluating rCBF in OSA were predominantly composed of middle-aged people. Therefore, we don’t know if these results could be generalized to the aging population. Thus, this master's project aims to determine whether an 18-month CPAP treatment for apneic individuals older than 55 years normalizes the rCBF measured in single-photon emission computed tomography. In addition, this project aims to investigate the longitudinal effects of untreated OSA relative to a control group. We hypothesized that treated subjects will have rCBF increases in previously hypoperfused regions while individuals with untreated OSA will have decreased rCBF over time in OSA-sensible regions. We evaluated 12 control participants and 23 newly diagnosed participants with OSA. The latter were referred to an OSA clinic and 13 of them followed a CPAP treatment. For the analysis of single photon emission imaging, we used a voxel-based method and an extraction method to measure changes over time in each of the groups. We observed an increased rCBF in the treated group in the left inferior temporal gyrus. In addition, we observed decreased rCBF in the untreated group in the left hippocampus, the right parahippocampal gyrus, and left superior temporal pole. No change was observed in the control group. The decreased rCBF seen in the untreated group could be caused by the consequences of OSA, including a combination of decreased blood vessels caliber and cell loss. By eliminating these pathological mechanisms, CPAP treatment would allow revascularization and cell proliferation. Since brain regions affected by OSA in this project are associated with cognitive decline, further studies are needed to clarify the link between OSA, its treatment, and dementia.

<div>Adolescent collision-sport athletes may be exposed to repetitive head impacts over years of practices and competitions without immediately observable symptoms. Despite the growing concerns, these athletes often continue play while at risk. Concrete objective measurements are desired to inform prompt and effective preventative strategies for this vulnerable population. However, adolescent brains are rapidly developing and the accrual of brain injury is often subtle. Prospective screening with sensitive biomarkers is challenging and requires advanced technologies, rigorous data processing, and the interdisciplinary expertise of engineering, neurobiology, and cognitive sciences.</div><div><br></div><div>To address the challenge, we first developed population-specific brain atlases to facilitate reproducible and meaningful statistical analyses. The atlases better characterized the neuroanatomy of early-to-middle adolescent (ages 13-19) collision-sport athletes, reduced deformation introduced during spatial normalization, and exhibited higher sensitivity in image analysis compared to standardized adult or age-appropriate brain templates. The atlases can be further applied to monitor the neuroanatomical trajectory and can serve as a coordinate reference system to retrospectively harmonize data collected from different sites and imaging acquisition parameters, facilitating group analysis at large scale.</div><div><br></div><div>Next, to assess whether the changes of white matter microstructure can be attributed to repetitive head impacts and are reflected by cognitive performance, we analysed the diffusion tensor imaging (DTI) data of high school men’s football and women's soccer across a single season, with accompanying data from head impact sensors and neurocognitive assessments. Within multiple brain regions, we observed significantly altered DTI metrics, both transiently over a season and chronically with more years of high school experience. For the football players, hits with peak translational acceleration over 37 <i>g</i> were sufficient to alter the distributions of DTI changes, and deficits in white matter microstructure correlated with poorer performance of anti-saccade task at one month post-season, suggesting increased vulnerability for inhibitory control. Monitoring repetitive head impacts thus provides a temporal profile for identifying at-risk individuals during the competitive season, informing prompt interventional strategies, therefore protecting the brain and cognitive health of early-to-middle adolescent collision-sport athletes in the long run.</div>

<div>The innovations in Magnetic Resonance Imaging (MRI) in the recent decades have given rise to large open-source datasets. MRI affords researchers the ability to look at both structure and function of the human brain. This dissertation will make use of one of these large open-source datasets, the Human Connectome Project (HCP), to study the structural and functional connectivity in the brain.</div><div>Communication processes within the human brain at different cognitive states are neither well understood nor completely characterized. We assess communication processes in the human connectome using ant colony-inspired cooperative learning algorithm, starting from a source with no <i>a priori</i> information about the network topology, and cooperatively searching for the target through a pheromone-inspired model. This framework relies on two parameters, namely <i>pheromone</i> and <i>edge perception</i>, to define the cognizance and subsequent behaviour of the ants on the network and the communication processes happening between source and target. Simulations with different configurations allow the identification of path-ensembles that are involved in the communication between node pairs. In order to assess the different communication regimes displayed on the simulations and their associations with functional connectivity, we introduce two network measurements, effective path-length and arrival rate. These measurements are tested as individual and combined descriptors of functional connectivity during different tasks. Finally, different communication regimes are found in different specialized functional networks. This framework may be used as a test-bed for different communication regimes on top of an underlying topology.</div><div>The assessment of brain <i>fingerprints</i> has emerged in the recent years as an important tool to study individual differences. Studies so far have mainly focused on connectivity fingerprints between different brain scans of the same individual. We extend the concept of brain connectivity fingerprints beyond test/retest and assess <i>fingerprint gradients</i> in young adults by developing an extension of the differential identifiability framework. To do so, we look at the similarity between not only the multiple scans of an individual (<i>subject fingerprint</i>), but also between the scans of monozygotic and dizygotic twins (<i>twin fingerprint</i>). We have carried out this analysis on the 8 fMRI conditions present in the Human Connectome Project -- Young Adult dataset, which we processed into functional connectomes (FCs) and time series parcellated according to the Schaefer Atlas scheme, which has multiple levels of resolution. Our differential identifiability results show that the fingerprint gradients based on genetic and environmental similarities are indeed present when comparing FCs for all parcellations and fMRI conditions. Importantly, only when assessing optimally reconstructed FCs, we fully uncover fingerprints present in higher resolution atlases. We also study the effect of scanning length on subject fingerprint of resting-state FCs to analyze the effect of scanning length and parcellation. In the pursuit of open science, we have also made available the processed and parcellated FCs and time series for all conditions for ~1200 subjects part of the HCP-YA dataset to the scientific community.</div><div>Lastly, we have estimated the effect of genetics and environment on the original and optimally reconstructed FC with an ACE model.</div>

La prévalence de changements cérébraux pathologiques dans la population âgée est très élevée, même chez des individus en bonne santé et pleinement autonomes. L’accumulation anormale de la protéine bêta-amyloïde (A), un biomarqueur-clé de la maladie d’Alzheimer (MA), et les hypersignaux de la substance blanche (HSB), qui sont des lésions des petits vaisseaux cérébraux de la substance blanche, sont parmi les pathologies cérébrales liées à l’âge les plus répandues. Un ensemble de preuves scientifiques s’appuyant sur des données neuropathologiques, neuropsychologiques et d’imagerie cérébrale suggère que les personnes âgées cognitivement normales ayant une charge lésionnelle cérébrale importante présentent un déclin cognitif accentué. Ainsi, les changements neuropathologiques chez les aînés en bonne santé sont particulièrement intéressants, car ils constituent des cibles thérapeutiques prometteuses et pourraient contribuer au dépistage précoce de la MA. Cette thèse avait pour but d’examiner les associations entre la charge A, les HSB et l’épaisseur corticale à travers différents domaines de la cognition dans une cohorte de 104 personnes âgées cognitivement normales, en tenant compte de l’âge, du sexe et du niveau d’éducation. Tous les participants ont été soumis à une évaluation neuropsychologique détaillée, ainsi qu’à des examens en résonance magnétique (IRM) structurelle et en tomographie par émission de positons (TEP) avec le Pittsburgh Compound B (PIB). La sévérité des HSB a été quantifiée avec l’échelle Age-Related White Matter Changes (ARWMC). Mis ensemble, les résultats des deux articles empiriques composant cette thèse font ressortir des effets indépendants et additifs de la charge A et du volume de l’hippocampe droit sur la mémoire épisodique, de sorte qu’une pathologie A élevée et un volume plus faible prédisaient des performances moindres. La charge A et les HSB contribuaient de façon additive à une mémoire de travail diminuée et exerçaient des effets délétères synergiques sur la flexibilité mentale et l’attention. Les HSB étaient négativement associés au langage, dont ils étaient le plus important prédicteur. À l’inverse, ni les dépôts A ni les HSB n’étaient corrélés à la mémoire sémantique, la vitesse de traitement de l’information et les fonctions visuospatiales. Dans l’article 1, nous avons démontré que le déclin lié à l’âge au niveau de la mémoire épisodique, la mémoire de travail, la flexibilité mentale et le langage était entièrement médié par le degré de pathologie cérébrale. Dans l’article 2, nous avons démontré qu’il n’y avait pas d’association positive entre les cartes d’épaisseur corticale et les fonctions cognitives, à l’exception de la mémoire sémantique. En outre, la charge A, les HSB et les mesures d’IRM structurelle étaient indépendants les uns des autres, appuyant plutôt la notion de trajectoires physiopathologiques distinctes. Un résultat important de l’article 2 était la relation positive entre la mémoire sémantique et l’épaisseur corticale dans le lobe temporal antérieur (LTA), une région connue pour son rôle unique dans l’intégration des connaissances sémantiques à un niveau transmodal. Les résultats de cette thèse mettent en lumière le rôle médiateur de pathologies cérébrales prévalentes, soit la charge A et les HSB, dans le vieillissement cognitif, et suggèrent que celles-ci induisent des changements cognitifs par le biais de mécanismes physiopathologiques autres que l’atrophie cérébrale. Sur le plan clinique, nos travaux soulignent la pertinence de diversifier les outils d’évaluation utilisés pour le dépistage des troubles cognitifs chez la personne âgée, avec un accent particulier sur la mémoire sémantique. / Compelling evidence shows that pathological changes are highly prevalent in the aging brain, even in otherwise healthy individuals who remain fully functional. Among the most common age-related brain lesions are the abnormal deposition of beta-amyloid (A) peptide, a well-known hallmark of Alzheimer’s disease (AD), and white matter hyperintensities (WMH), which are regarded as a radiological marker of cerebral small vessel disease. Converging evidence from neuropathological, neuropsychological and neuroimaging data suggests that normal older adults harboring high levels of brain pathology exhibit exacerbated cognitive decline. Thus, neuropathological changes in healthy elderly people deserve particular attention as they are potential targets for early intervention and might contribute to the early identification of AD. This thesis sought to examine the associations between Aβ burden, WMH, cortical thickness and cognitive performances across multiple domains in a cohort of 104 cognitively normal older adults, while accounting for age, sex and years of formal education. All participants underwent an extensive neuropsychological assessment along with structural magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET) with Pittsburgh Compound B (PIB). WMH severity was assessed using the age-related white matter changes (ARWMC) scale. Combined findings from the two empirical articles making up this thesis demonstrate independent, additive effects of A burden and right hippocampal volume on episodic memory whereby increased A deposition and reduced volume predict decreased performance. A burden and WMH contributed additively to poorer working memory and exerted deleterious synergistic effects on mental flexibility and attention. WMH was the most important predictor of linguistic abilities with higher lesion severity being associated with worse performances on language tasks. Conversely, neither A deposition nor WMH were correlated with semantic memory, processing speed and visuospatial abilities. In article 1, we demonstrated that age-dependent decline in episodic memory, working memory, mental flexibility and language was fully mediated by the extent of brain pathology. In article 2, cognition was not found to be positively associated with cortical thickness in the vertex-wise analyses, except for the domain of semantic memory. Furthermore, A burden, WMH and structural MRI measures were independent of one another, supporting the notion of distinct pathophysiological pathways. A notable finding of article 2 was that thinner cortical thickness in the left anterior temporal lobe (ATL) predicted poorer semantic memory, which is coherent with the role of the ATL in heteromodal semantic processing. The results presented in this thesis shed light on the role of prevalent brain pathologies, namely A burden and WMH, in driving age-related cognitive changes, and suggest that these changes can occur through pathways that are distinct from brain atrophy. Clinically speaking, this work lends support for the inclusion of a wider array of measures to routine screening for cognitive impairment in older adults, with an emphasis on semantic memory.

This dissertation presents a series of neuroimaging investigations and achievements that strive to deepen and broaden our understanding of human problem solving and physics learning. Neuroscience conceives of dynamic relationships between behavior, experience, and brain structure and function, but how neural changes enable human learning across classroom instruction remains an open question. At the same time, physics is a challenging area of study in which introductory students regularly struggle to achieve success across university instruction. Research and initiatives in neuroeducation promise a new understanding into the interactions between biology and education, including the neural mechanisms of learning and development. These insights may be particularly useful in understanding how students learn, which is crucial for helping them succeed. Towards this end, we utilize methods in functional magnetic resonance imaging (fMRI), as informed by education theory, research, and practice, to investigate the neural mechanisms of problem solving and learning in students across semester-long University-level introductory physics learning environments. In the first study, we review and synthesize the neuroimaging problem solving literature and perform quantitative coordinate-based meta-analysis on 280 problem solving experiments to characterize the common and dissociable brain networks that underlie human problem solving across different representational contexts. Then, we describe the Understanding the Neural Mechanisms of Physics Learning project, which was designed to study functional brain changes associated with learning and problem solving in undergraduate physics students before and after a semester of introductory physics instruction. We present the development, facilitation, and data acquisition for this longitudinal data collection project. We then perform a sequence of fMRI analyses of these data and characterize the first-time observations of brain networks underlying physics problem solving in students after university physics instruction. We measure sustained and sequential brain activity and functional connectivity during physics problem solving, test brain-behavior relationships between accuracy, difficulty, strategy, and conceptualization of physics ideas, and describe differences in student physics-related brain function linked with dissociations in conceptual approach. The implications of these results to inform effective instructional practices are discussed. Then, we consider how classroom learning impacts the development of student brain function by examining changes in physics problem solving-related brain activity in students before and after they completed a semester-long Modeling Instruction physics course. Our results provide the first neurobiological evidence that physics learning environments drive
the functional reorganization of large-scale brain networks in physics students. Through this collection of work, we demonstrate how neuroscience studies of learning can be grounded in educational theory and pedagogy, and provide deep insights into the neural mechanisms by which students learn physics.

L’infection virale des voies respiratoires supérieures est la cause la plus fréquente des troubles de l’odorat. L’entraînement olfactif permet un rétablissement des fonctions olfactives chez une bonne proportion des patients avec une perte olfactive post-virale. Aussi, les fonctions olfactives sont corrélées avec différentes mesures neuroanatomiques du cortex olfactif. L’objectif de ce mémoire est donc de reproduire les résultats bénéfiques de l’entraînement olfactif chez des patients avec un trouble de l’odorat post-viral et d’observer si le rétablissement des performances olfactives modifie l’épaisseur corticale des régions olfactives. Trente-neuf patients ayant un trouble de l’odorat post-viral ont complété un entraînement olfactif d’une durée de 12 semaines. L’entraînement olfactif consistait à sentir des contenants avec une odeur de rose, de citron, d’eucalyptus et de clou de girofle, deux fois par jour. Les capacités olfactives ont été mesurées avec les tests Sniffin’Sticks au début et à la fin de l’étude. L’entraînement olfactif a permis l’amélioration clinique (≥6 points SDI) des fonctions olfactives chez 59% des patients. Ces patients avaient une épaisseur corticale plus importante au niveau du cortex orbitofrontal latéral gauche à p<0,0001 non corrigé. Les patients avec une amélioration du score SDI (≥0,25 points) ont une augmentation de l’épaisseur du cortex orbitofrontal médial gauche, du cortex entorhinal droit et du cortex cingulaire postérieur gauche (p<0,0001, non corrigé). Ces résultats démontrent l’efficacité de l’entraînement olfactif chez les patients avec un trouble de l’odorat post-viral et que la rémission des fonctions olfactives semble modifier l’épaisseur corticale de certaines régions du cortex olfactif. / Viral infection of the upper respiratory tract is the most common cause of disturbances in smell. Olfactory training allows a reestablishment of olfactory functions in a good proportion of patients with post-viral olfactory loss. Also, olfactory functions are correlated with different neuroanatomic measures of the olfactory cortex. The objective of this dissertation is therefore to reproduce the beneficial results of olfactory training in patients with post-viral olfactory dysfunction and to observe whether the restoration of olfactory performances changes the cortical thickness of the olfactory cortex. Thirty-nine patients with post-viral olfactory dysfunction completed a twelve-week olfactory training. The olfactory training consisted of smelling containers with the scent of roses, lemon, eucalyptus and cloves, twice a day. Olfactory functions were measured with the Sniffin'Sticks tests at the start and end of the study. Olfactory training resulted in clinical improvement (≥6 SDI points) of olfactory functions in 59% of patients. These patients had greater cortical thickness in the left lateral orbitofrontal cortex at p <0,0001 uncorrected. Patients with improved SDI score (≥0,25 points) had an increase in the thickness of the left medial orbitofrontal cortex, right entorhinal cortex and left posterior cingulate cortex (p <0,0001, uncorrected). These results demonstrate the effectiveness of olfactory training in patients with post-viral olfactory loss and that remission of olfactory functions appears to alter the cortical thickness of certain regions of the olfactory cortex.

Contexte. L’étiologie des comportements antisociaux est encore mal comprise. La population d’individus commettant ce type de comportements est hautement hétérogène, suggérant ainsi que plusieurs mécanismes biopsychosociaux pourraient augmenter ou réduire le risque de délinquance au cours du développement humain. Objectif. L’objectif principal de cette thèse est d’identifier ces mécanismes sous-jacents à la délinquance, par l’entremise de quatre méthodes scientifiques distinctes, mais complémentaires : les analyses de trajectoires développementales, l’activité cérébrale induite par une tâche, la connectivité cérébrale au repos ainsi que l’étude des lésions cérébrales. Méthodologie. Afin d’atteindre cet objectif, une première étude a été réalisée en réanalysant les données de l’Étude Longitudinale du Développement des Enfants du Québec (n=1309). Par l’entremise de modèles de trajectoires par classes latentes, cette étude visait à identifier des sous-groupes de jeunes présentant des trajectoires développementales de traits psychologiques (c.-à-d., l’insensibilité émotionnelle, les traits anxio-dépressifs, l’irritabilité et les traits d’hyperactivité/impulsivité) à risque de comportements antisociaux à l’enfance et l’adolescence. Par ailleurs, deux méta-analyses portant sur des études d’activation cérébrale (71 et 147 études) ont été réalisées afin d’identifier les principales altérations de l’activité cérébrale sous-jacent à différents domaines neurocognitifs, ainsi que leur similarité avec d’autres problématiques psychiatriques. De plus, une troisième méta-analyse (18 études) a été accomplie afin d’étudier si les individus antisociaux présentaient des déficits lors de la connectivité cérébrale au repos. De manière à combler les limites de la littérature sous-jacente à la connectivité cérébrale au repos des individus antisociaux, une étude transversale a été effectuée sur 1,416 enfants et adolescents issue Healthy Brain Network aux États-Unis. Outre l’objectif de valider les résultats de la méta-analyse précédente, cette étude a été conçue de manière à mieux comprendre le rôle de l’interaction entre des systèmes neurobiologiques dans l’explication des comportements antisociaux. Finalement, une récente revue de la littérature scientifique produite par des chercheurs américains a permis d’identifier 17 cas dans lesquels des lésions au cerveau étaient temporellement liés à l’émergence de comportements antisociaux. Grâce à une reconstruction des images de lesdites lésions, des analyses de coactivation méta- analytique ont été conduites afin de récréer les réseaux neurobiologiques altérés qui seraient possiblement à l’origine de de gestes délinquants. Résultats. Les résultats ont soutenu l’importance des traits d’insensibilité émotionnelle dans l’explication du risque de délinquance, et aussi montré que l’interaction développementale entre les traits psychologiques augmentait jusqu’à 10 fois le risque de comportements antisociaux à l’enfance. Sur une base neurobiologique, les résultats ont révélé que les personnes ayant commis des gestes délinquants rapporteraient d’importants déficits dans les régions cérébrales impliquées dans le contrôle cognitif, la réponse à une menace et les cognitions sociales. En comparaison avec le trouble du déficit de l’attention avec hyperactivité et les troubles anxieux et dépressifs, le trouble des conduites serait associé à un dysfonctionnement commun de régions cérébrales impliquées dans le contrôle des émotions et du système somato-moteur. Par ailleurs, les résultats indiquent que la population étudiée serait principalement caractérisée par une dysconnectivité fonctionnelle entre les réseaux socioaffectifse et attentionnels, mais aussi entre les systèmes somato-moteurs, attentionnels et ceux impliqués dans la détection de stimuli saillants. Finalement, les lésions cérébrales pourraient causer des comportements délinquants par l’entremise de trois mécanismes neurobiologiques, notamment par une défaillance du réseau de la récompense (lobe frontal), du réseau impliqué dans le traitement des émotions négatives (lobe temporal) ainsi que la reconnaissance émotionnelle faciale (amygdale). Conclusions. Les résultats des travaux présentés dans cette thèse soutiennent l’importance de mieux comprendre l’hétérogénéité de domaines neurocognitifs dans l’explication des comportements délinquants. D’une part, ceux-ci soulignent l’importance des systèmes neurobiologiques à valence négative (associés à l’anxiété et l’irritabilité), aux systèmes cognitifs (associés à l’hyperactivité/impulsivité et à l’inattention) ainsi qu’aux processus sociaux (associés à l’insensibilité émotionnelle). D’autre part, les résultats suggèrent un rôle limité des systèmes de récompense, mais un rôle prépondérant du système sensorimoteur (associé à l’action et au contrôle des mouvements). La présente thèse offre une perspective novatrice et exhaustive sur l’hétérogénéité neurocognitive sous-jacente à la délinquance. Or, la variabilité interindividuelle des systèmes neurobiologiques étudiés dans cette thèse reste à être identifiée, de manière à découvrir des cibles thérapeutiques prometteuses pour réduire le risque de délinquance. / Background. The etiology of antisocial behaviors remains largely misunderstood. Antisocial population is characterized as highly heterogeneous, therefore indicating that several biopsychosocial mechanisms may increase or reduce the risk for delinquency during human development. Aim. The principal aim of this thesis is to identify these mechanisms underlying delinquent behaviors through different yet complementary method: developmental trajectories, task-based brain activity, brain connectivity at rest as well as the study of brain lesions. Methodology. To do so, a first study was conducted by reanalyzing cohort data from the Quebec Longitudinal Study of Child Development (n=1,309). Latent growth curve models allowed to identify subgroups of children exhibiting developmental trajectories of psychological traits (i.e., callous-unemotional traits, anxio-depressive traits, irritability and hyperactivity/impulsivity) that are at risk for antisocial behaviors during childhood and adolescence. Also, two meta-analyses of neuroimaging studies (71 and 147 studies) were carried out to highlight main deficits in brain activity underlying distinct neurocognitive systems as well as their similarity with other psychiatric disorders. Moreover, a third meta-analysis (18 studies) is presented to better understand whether antisocial subjects may exhibit brain connectivity at rest. In order to overcome limitations of past studies examining resting-state functional connectivity, a cross-sectional study was performed on 1,416 children and adolescents derived from the Healthy Brain Network in the United States. Additionnally to examine reliability of meta-analytic findings, this study was conducted in order to better understand the role of the interaction between neurobiological systems in our understanding of antisocial behaviors. Finally, a recent literature review carried out by American researchers highlighted 17 cases during which focal brain lesions were temporally associated with emergence of antisocial behaviors. By reconstructing images of these brain lesions, meta-analytic coactivation modelling was conducted in order to recreate neurobiological systems which would possibly be the origins of delinquent acts. Results. The results observed in this thesis support the crucial role of callous- unemotional traits in our understanding of the risk for delinquency, but also suggest that the developmental interaction between psychological markers increases up to 10 times this risk. On a neurobiological ground, results revealed that individuals that have committed antisocial behaviors were mainly characterized by dysfunctions in brain regions involved in cognitive control, threat detection as well as social cognition. In comparison to attention-deficit/hyperactivity disorder and anxiety and depressive disorders, conduct disorder was similarly associated with dysfunction in regions related to emotion regulation and somatomotor functions. Moreover, the results suggest that antisocial population may be characterized by dysconnectivity between socio-affective and attentional processes and between somatomotor and attentional processes as well as those involved in salient detection mechanism. Finally, brain lesions may cause antisocial behaviors by three neurobiological mechanisms, notably by disrupting the reward network (frontal lesions), the network involved in negative emotion processing (temporal lesions) and the emotional face processing (amygdala lesions). Conclusions. The results of the work presented in this thesis support the importance of studying the heterogeneity in neurocognitive systems for our understanding of antisocial behaviors. On the one hand, these results highlight the role of neurobiological systems of negative valence (related to anxiety and irritability), cognitive systems (related to hyperactivity/impulsivity and inattention) and social cognition (related to callous-unemotional traits). On the other hand, the results underline the limited contribution of positive valence system, but a prominent role of sensorimotor system (related to action and motor control). The current thesis offers a novel and exhaustive perspective on the heterogeneity of neurocognitive systems underlying delinquent behaviors. The interindividual variability of these systems is yet to be unveiled in order to uncover promising targets for treatment in a hopeful aim to reduce risk for delinquency.

Thèse de doctorat présentée en vue de l'obtention du doctorat en psychologie - recherche intervention, option neuropsychologie clinique (Ph.D). / Les cardiopathies congénitales, c’est-à-dire les anomalies de la structure du cœur ou des vaisseaux sanguins, constituent les malformations les plus fréquentes à la naissance. Considérant la prévalence des altérations cérébrales, des retards de développement et des déficits cognitifs qui leur sont associés, les cardiopathies congénitales sont reconnues comme une problématique de santé publique. Plusieurs questions méritent d’être étudiées pour mieux comprendre les conséquences neurodéveloppementales de ces malformations et identifier les mécanismes d’action qui en sont à l’origine. Dans ce contexte, la présente thèse vise à documenter le fonctionnement cérébral et le développement moteur et langagier des enfants présentant une cardiopathie congénitale complexe, ainsi qu’à identifier des facteurs de prévention et des pistes d’intervention pour améliorer leur pronostic neurodéveloppemental. Cette thèse est composée d’une revue de littérature et de quatre études empiriques. Le premier article avait pour objectif de recenser les principales données scientifiques disponibles dans la littérature, afin d’obtenir une vision intégrée des fonctions cognitives potentiellement affectées dans cette population et des facteurs qui en augmentent le risque. Le deuxième article visait à documenter les patrons de connectivité fonctionnelle des nourrissons de quatre mois ayant subi une chirurgie cardiaque correctrice, à l’aide de la spectroscopie proche infrarouge. Nos données de neuroimagerie révèlent une connectivité inférieure chez les participants avec malformation cardiaque comparativement aux contrôles, ce qui suggère la présence d’altérations du fonctionnement cérébral après la chirurgie cardiaque. Par ailleurs, nos résultats nous amènent à supposer que les régions frontales présenteraient un risque accru de dysfonctionnement, tandis que la connectivité fonctionnelle entre les régions temporales pourrait être préservée. L’objectif du troisième article était de décrire le développement de la motricité globale entre 4 et 24 mois dans cette population. Nos données révèlent une augmentation significative des performances motrices avec l’âge, et ce, particulièrement pour le groupe d’enfants ayant bénéficié d’interventions régulières en physiothérapie. Ceci suggère que l’intervention motrice pourrait améliorer le développement de la motricité globale chez les enfants à risque de retard moteur. Le quatrième article visait à décrire le développement du langage, entre 12 et 24 mois, chez les enfants présentant une cardiopathie congénitale complexe et à explorer les associations entre les habiletés de communication précoces et les capacités langagières futures. Les résultats de cette étude suggèrent une vulnérabilité spécifique des habiletés langagières expressives, comparativement aux compétences réceptives, et indiquent que les habiletés de communication gestuelle à 12 mois constituent un fort prédicteur du développement langagier futur. Enfin, le cinquième article avait pour objectif d’évaluer l’impact d’un programme développemental sur le fonctionnement moteur, cognitif et comportemental des enfants avec malformation cardiaque âgés de trois ans. Les résultats de cette étude suggèrent, pour la première fois, les potentiels bénéfices d’un tel programme sur le développement du vocabulaire réceptif et des compétences visuoconstructives. Ensemble, les résultats de cette thèse contribuent aux connaissances scientifiques sur le neurodéveloppement des enfants présentant une cardiopathie congénitale. Nos travaux permettent, en effet, de mieux comprendre le développement cognitif, moteur et langagier de ces enfants et fournissent des pistes concrètes pour une meilleure prévention des difficultés langagières et motrices dans cette population. Par ailleurs, ils soulignent la pertinence des études de neuroimagerie fonctionnelle pour comprendre les mécanismes d’action à l’origine de ces conséquences neurodéveloppementales, et ainsi, favoriser le développement de ces enfants. / Congenital heart disease, defined as a problem that affects the structure of the heart, constitutes the world’s most common birth defect. Given the prevalence of brain abnormalities, developmental delays and cognitive impairments associated with these defects, congenital heart diseases are recognized as a public health issue. Several questions remain to be investigated for a better understanding of the resulting neurodevelopmental complications, and to identify its specific mechanisms of action. This thesis aims to document the brain function and the development of motor and language skills of young children with complex congenital heart disease, and to identify preventive factors and avenues of intervention to improve their neurodevelopmental issue. This thesis includes a literature review and four empirical studies. The first article aimed to review the current knowledge, to get an overall view of cognitive disabilities that result from a congenital heart disease and the clinical factors that increase this risk. The goal of the second article was to investigate brain functional connectivity in 4-month-old infants with repaired congenital heart disease, using near-infrared spectroscopy. This neuroimaging study reveals reduced connectivity strength in infants with congenital heart disease compared to healthy controls, which suggests that alterations of brain functional connectivity persist after corrective cardiac surgery. Furthermore, our data lead us to hypothesize that functional connectivity in homologous temporal regions might be preserved in patients with congenital heart defect, while connectivity involving frontal regions might be at increased risk for dysfunction. The third study aimed to document the gross motor development in children with complex congenital heart disease aged 4 to 24 months. Our data revealed an increase in gross motor scores with age, and this, particularly for children who received regular motor intervention sessions. These results suggest that physical therapy may help to improve gross motor skills in children at risk of motor delay. The aim of the fourth article was to describe the language development, from 12 to 24 months of age, in children born with a heart disease, and to explore the relationship between early language performances and future language skills. The results of this study suggest that language impairments prominently affect expressive skills, rather than receptive skills, and indicate that early communicative gestures constitute a strong predictor of later language skills. Finally, the goal of the fifth article was to assess the impacts of a neurocardiac developmental follow-up program on motor, cognitive and behavioral functioning of 3-year-old children with congenital heart defect. This study suggests, for the first time, the potential benefits of such program on language receptive and visuospatial skills. This thesis significantly contributes to the scientific knowledge on neurodevelopment of children born with a congenital heart disease. The results of our studies allow a better description of the cognitive, motor and language development in this population, and provide interesting avenues for a better prevention of language and motor impairments. Furthermore, these results underline the relevance of functional neuroimaging studies for the understanding of mechanisms that result in neurodevelopmental disabilities and, therefore, the improvement of these children’s development.

[ES] La representación de un proyecto arquitectónico tiene diferentes finalidades, una de las más relevantes es su visualización. El tema de esta tesis es la relación entre el diseñador, su actividad cerebral durante la fase creativa, el proyecto representado y la mente del observador. La pregunta, planteada por arquitectos, diseñadores y académicos en los años ochenta y aún abierta a soluciones estimulantes, es una pregunta bien conocida sobre si la creciente digitalización puede ser perjudicial o beneficiosa para esta relación. Después de un análisis de la imagen en la arquitectura a partir del Renacimiento, informado en la Parte 1, se revisan y discuten las técnicas actuales de representación. La primera pregunta, abordada en la Parte 2, fue si la simulación de la realidad con renderizado de calidad fotográfica garantiza una visualización mejor o peor que una imagen tradicionalmente dibujada a mano. Se elaboró un cuestionario para verificar las características de comunicación y representación de las imágenes producidas con las dos técnicas. Los resultados mostraron que estas dos cualidades estaban más presentes en el caso del dibujo a mano alzada que en los renders fotorrealistas. La Parte 3 se centró en el diseñador y utilizó las herramientas proporcionadas por la neurociencia, a saber, el EEG y las 'respuestas evocadas', para cuantificar la actividad cerebral de alguien que hace un dibujo a mano alzada con respecto a CAD. Dado que la tecnología utilizada nunca antes se había aplicado a un sujeto al realizar un diseño, la investigación se dividió en tres experimentos separados. El primero se dedicó a encontrar una forma confiable de realizar registros durante el movimiento del miembro superior en la ejecución del dibujo; los experimentos segundo y tercero tenían como objetivo el análisis específico de la actividad cerebral que precede y sigue a los movimientos individuales de los signos trazados. Los resultados mostraron que la actividad motora relacionada con el dibujo a mano alzada estuvo acompañada por un aumento en la amplitud de las respuestas electroencefalográficas en comparación con el dibujo con CAD. Este dato es probablemente un importante paso adelante a favor de la hipótesis de que la creatividad también puede mejorarse mediante el movimiento en el dibujo a mano alzada. La conclusión es que las imágenes así dibujadas crean una mejor correspondencia entre el autor y el observador, y que el movimiento y la percepción sensorial de la mano pueden fomentar la creatividad. Recientemente, los avances en la técnica de las tabletas de dibujo han proporcionado una nueva técnica para el dibujo a mano alzada, donde se combina la capacidad de gestión de datos del ordenador con los gestos naturales tradicionalmente ligados al uso del papel y el lápiz. de la tecnología moderna puede fusionar el factor humano junto con las nuevas tecnologías digitales. / [CA] La representació d'un projecte arquitectònic té diferents finalitats, una de les més rellevants és la seva visualització. El tema d'aquesta tesi és la relació entre el dissenyador, la seva activitat cerebral durant la fase creativa, el projecte representat i la ment de l'observador. La pregunta, plantejada per arquitectes, dissenyadors i estudiosos als anys vuitanta i encara oberta a solucions estimulants, és una qüestió ben coneguda si augmentar la digitalització pot ser perjudicial o beneficiós per a aquesta relació. Després d'una anàlisi de la imatge en arquitectura a partir del període renaixentista, informada a la part 1, es revisen i discuteixen les tècniques de representació actuals. La primera pregunta, abordada a la part 2, va ser si la simulació de la realitat amb renderització de qualitat fotogràfica garanteix una visualització millor o pitjor que una imatge tradicionalment dibuixada a mà. Es va elaborar un qüestionari per comprovar les característiques de comunicació i representació de les imatges produïdes amb les dues tècniques. Els resultats van mostrar que aquestes dues qualitats estaven més presents en el cas del dibuix a mà alçada que en els renders fotorealistes. La part 3 es va centrar en el dissenyador i va utilitzar les eines proporcionades per la neurociència, és a dir, l'EEG i les 'respostes evocades', per quantificar l'activitat cerebral d'algú que realitza un dibuix a mà alçada respecte al CAD. Com que la tecnologia utilitzada mai abans s'havia aplicat a un tema mentre es feia un disseny, la investigació es va dividir en tres experiments separats. El primer es va dedicar a trobar una manera fiable de fer enregistraments durant el moviment de l'extremitat superior en l'execució del dibuix; el segon i el tercer experiment estaven dirigits a l'anàlisi específica de l'activitat cerebral que precedeix i segueix els moviments individuals dels signes traçats. Els resultats van mostrar que l'activitat motora relacionada amb el dibuix a mà alçada va anar acompanyada d'un augment de l'amplitud de les respostes electroencefalogràfiques en comparació amb el dibuix amb CAD. Aquesta dada és probablement un pas endavant significatiu a favor de la hipòtesi que la creativitat també es pot millorar amb el moviment en el dibuix a mà alçada. La conclusió és que les imatges dibuixades d'aquesta manera creen una millor correspondència entre autor i observador, i que el moviment i la percepció sensorial de la mà poden fomentar la creativitat. Recentment, els avenços en la tècnica de dibuix a tauletes han aportat una nova tècnica de dibuix a mà alçada, on la capacitat de gestió de dades de l'ordinador es combina amb els gestos naturals tradicionalment vinculats a l'ús del paper i el llapis. de la tecnologia moderna pot fusionar el factor humà amb les noves tecnologies digitals. / [EN] The representation of an architectural project aims at several intents, one of the most relevant being the visualisation of a design. The subject of this dissertation is therefore the relationship between the draftsman, the creativity of his brain, the represented design, and the mind of the observer. Since the Eighties, architects, designers and scholars wondered whether the current habit of an ever increasing digitalisation could be detrimental or advantageous to such relationship. After an analysis of architectural imaging since the Renaissance, as reported in Part 1, the current techniques are reviewed and discussed. The first question, addressed in Part 2, has been whether the simulation of reality with renders of photographic quality, would relate to the observer better or worse than a traditionally hand drawn image. A questionnaire has been constructed to probe the communication and representation qualities of the images. The results suggested that these two qualities were best represented in the case of freehand drawing compared to photorealistic renders. Part 3 was focused on the designer and used the instruments provided by neuroscience, i.e. the EEG and 'evoked responses', to quantify the brain activity in connection with freehand and CAD drawing. Because the involved technology had never been applied before to a drawing subject, the investigation had to be divided into three separate experiments. The first one was dedicated to finding a reliable way to perform the recordings in subjects who freely moved their arm and hand while drawing. The second and third experiments were aimed at analysing the cerebral activity occurring before and after each drawing movement. All results demonstrated that a larger cerebral activity preceded and followed each movement in freehand drawing compared to CAD design. This finding may be considered a robust step towards the notion that also creativity may consequently be improved. The final conclusion is that the freehand drawn images make a better link between author and observer, and at the same time the very movement and haptic perception of the hand elicit creativity. Indeed, the most recent advances in technology of drawing tablets have provided a new medium for freehand drawing, which can exploit the capacity of data handling of computers with the natural movement of using pencil and paper, ending up in a traditional hand made product. A wise usage of modern technology can therefore merge the human factor with the digital world. / Leandri, G. (2022). Freehand Digital Drawing: a Boost to Creative Design. The Observer's Eye and the Draftsman Brain [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188091 / TESIS

Le traumatisme craniocérébral (TCC) est la première cause d’invalidité chez les jeunes adultes qui entrent dans leurs années les plus productives, affectant significativement leur qualité de vie. Le TCC modéré à grave s’accompagne de dommages neuroanatomiques considérables et de conséquences neurologiques, cognitives, et sociales qui persistent à long terme, et notamment de troubles de l’éveil et du sommeil qui sont parmi les séquelles les plus communes, invalidantes et persistantes. Conséquemment, l’objectif global de cette thèse était d’investiguer comment le TCC modéré à grave affecte le sommeil subséquent pendant l’hospitalisation aigüe et à long terme, et d’évaluer comment ce sommeil subséquent affecte la récupération à la suite du TCC. Pour ce faire, nous avons usé de méthodes quantitatives, incluant la polysomnographie, afin de mesurer précisément le sommeil du stade aigu au stade chronique à la suite du TCC, ainsi que dans différents groupes contrôles hospitalisés ou non. De plus, ces mesures ont été combinées à des méthodes de neuroimagerie, notamment l’imagerie par tenseur de diffusion, ainsi qu’à diverses mesures cliniques et neuropsychologiques. Aux chapitres un et deux, un survol de la littérature pertinente à cette thèse sera d’abord présenté, abordant des concepts ayant trait au sommeil et au TCC. Les questions qui demeurent dans la littérature ainsi que les objectifs spécifiques de cette thèse seront également abordés en détail. Au chapitre trois, le sommeil au stade aigu du TCC et son association avec la fonction cognitive seront abordés au travers d’un article empirique. Puisque le TCC représente une perturbation importante pour le cerveau, spécialement au stade aigu, et que la majorité des patients ayant subi un TCC développeront des déficits cognitifs persistants, ce chapitre vise à caractériser objectivement le sommeil des patients ayant subi un TCC modéré à grave pendant leur hospitalisation aigüe, et à évaluer comment ce sommeil est associé à la cognition des années plus tard. Dans ce chapitre, nous avons d’abord démontré grâce à la polysomnographie que le TCC causait des altérations importantes du sommeil pendant l’hospitalisation aigüe, qui étaient caractérisées par un sommeil plus fragmenté et une plus grande quantité de sommeil lent profond. Nous avons ensuite démontré que ces altérations étaient associées avec la cognition des années plus tard, en accord avec le rôle attendu du sommeil dans la récupération neurologique à la suite du TCC. Ce chapitre suggère non seulement que le TCC soit directement impliqué dans l’altération du sommeil suivant la blessure, mais aussi que le sommeil subséquent puisse être un marqueur précoce ou un promoteur de la récupération cognitive à long terme, soulignant l’importance de monitorer le sommeil à la suite du TCC. Aux chapitres quatre et cinq, le sommeil au stade chronique du TCC et son association avec les dommages neuroanatomiques seront abordés au travers de deux articles empiriques. Puisque qu’il est difficile d’expliquer les plaintes chroniques de mauvaise qualité de sommeil et d’éveil par l’architecture du sommeil des patients ayant subi un TCC, et que la microarchitecture du sommeil, qui dépend fortement des réseaux étendus de matière blanche, n’a que très peu été étudiée, ces chapitres visent à caractériser la microarchitecture du sommeil des patients ayant subi un TCC modéré à grave au stade chronique, et d’investiguer comment cette microarchitecture est associée à la détérioration attendue de la matière blanche. Dans ces chapitres, nous avons démontré que les fuseaux de sommeil et les oscillations lentes n’étaient que très peu altérés au stade chronique du TCC, soulignant leur surprenante résilience, et que contrairement à nos hypothèses, ceux-ci ne sont probablement pas directement impliqués dans les troubles de sommeil et de l’éveil persistants rapportés à la suite du TCC. D’un autre côté, nous avons également démontré que la synchronisation des oscillations lentes était fortement associée à la détérioration massive de matière blanche présente chez ces patients, supportant l’hypothèse qu’il existe une forte pression homéostatique de sommeil et un besoin de sommeil augmenté qui persistent au stade chronique. Cette thèse a contribué à élucider comment le TCC affecte le sommeil à court et à long terme suivant la blessure, ainsi que l’effet du sommeil pendant l’hospitalisation aigüe sur l’évolution cognitive qui s’ensuit à long-terme. / Traumatic brain injuries are the first cause of disability among young adults. This is notable considering they are entering their most productive years, significantly altering their quality of life. Moderate to severe TBI are accompanied by considerable neuroanatomical damage and neurological, cognitive, and social consequences that can persist over several years, and notably sleep-wake disturbances which are among the most common, debilitating, and persistent sequelae. Thus, the global objective of this thesis was to investigate how moderate to severe TBI affects sleep during acute hospitalization and in the long-term, and to evaluate how post-injury sleep affects recovery following TBI. To achieve this goal, we used quantitative methods, including polysomnography, to precisely measure sleep in the acute and chronic stages of TBI, and in both hospitalized and not hospitalized control groups. In addition, these measures were combined to neuroimaging methods, notably diffusion tensor imaging, and to various clinical and neuropsychological measures. In chapters one and two, an overview of the relevant literature will first be presented, touching on concepts related to sleep and TBI. Current gaps in the literature and the thesis objectives will also be detailed. In chapter three, sleep in the acute stage of TBI and its association with cognitive function will be addressed. Because TBI represents a major disruption to the brain, especially in the acute stage, and because most patients with TBI exhibit persistent cognitive deficits, this chapter aims to objectively characterize sleep during acute hospitalization following moderate to severe TBI, and to explore how sleep is associated with cognition years later. In this chapter, we first showed with polysomnography that TBI caused significant disruptions of sleep during acute hospitalization, which were characterized by a more fragmented sleep and more slow-wave sleep. We then showed that these alterations were associated with cognition years later, in line with the expected role of sleep in neurological recovery. This chapter suggests that the TBI itself is directly involved in sleep disruption following the injury, and that subsequent sleep may be an early marker or a promoter of long-term cognitive recovery, highlighting the importance of monitoring sleep following TBI. In chapters four and five, sleep in the chronic stage of TBI and its association with neuroanatomical damage is addressed. Because chronic sleep-wake complaints are not accounted for by sleep architecture following TBI, and that sleep microarchitecture, which relies on a structural backbone of white matter networks, has rarely been studied, these chapters aim to characterize sleep microarchitecture in the chronic stage following moderate to severe TBI, and to investigate how this microarchitecture is associated with the expected white matter deterioration. In these chapters, we showed that sleep spindles and slow waves were only minimally altered in the chronic stage following TBI, highlighting their surprising resilience to injury, and that contrary to our hypotheses, these sleep oscillations are probably not directly involved in the persistent sleep-wake disturbances reported following TBI. On the other hand, we also showed that slow wave synchrony was strongly associated with the massive white matter deterioration observed in these patients, supporting the hypothesis of elevated homeostatic sleep pressure and heightened need for sleep persisting in the chronic stage. This thesis contributed to elucidating how TBI affects short and long-term sleep following injury, as well as the effect of sleep during acute hospitalization on long-term cognitive outcomes.