Résumé (FR)Cette thèse s’articule autour de cinq études ayant pour objectif principal de tenter de mieux comprendre les processus de plasticité cérébrale prenant place après un apprentissage, ainsi que les modifications apparaissant au cours du vieillissement normal. La magnétoencéphalographie (MEG) et l’électroencéphalographie (EEG) ont été utilisées pour investiguer les mécanismes électrophysiologiques de la consolidation en mémoire procédurale et déclarative durant la veille et le sommeil, chez des personnes jeunes et âgées en bonne santé. L’ensemble de nos études indique un déclin de la plasticité cérébrale avec l’âge, ainsi qu’une réorganisation différenciée en fonction de l’âge des réseaux cérébraux impliqués dans les premières étapes de la consolidation en mémoire. L’acquisition de nouvelles habiletés motrices chez les personnes âgées dépend davantage de réseaux neuronaux sous-tendant des processus attentionnels et de contrôle cognitif. Le recrutement de ces réseaux plus diffus et non spécifiques à la tâche d’apprentissage chez les personnes âgées semble défavorable au développement d’une nouvelle habileté motrice. Cependant, le recrutement chez les personnes âgées d’un réseau cortico-striatal spécifique à l’apprentissage moteur pourrait être favorable à la consolidation en mémoire procédurale. Ces résultats soulignent l’existence d’une grande variabilité interindividuelle dans le vieillissement, qui ouvre des perspectives quant aux processus favorisant le maintien versus contribuant au déclin des capacités de consolidation en mémoire avec l’âge. / Abstract (EN)The 5 studies presented in this doctoral thesis aimed at better understanding post-learning cerebral plasticity process, and the cerebral changes that occur during normal ageing. Magnetoencephalography (MEG) and electroencephalography (EEG) techniques were used to investigate the electrophysiological mechanisms of procedural and declarative memory consolidation during awakening and sleep in young and old healthy adults. Altogether, our studies highlight reduced experience-dependent plasticity in the aging brain, and the age-dependent reorganization of large-scale functional networks involved in the early stages of memory consolidation. With aging, new motor skills acquisition depends more on neuronal networks subtending controlled and attentional processes. These networks are unspecific to the motor learning task, and their involvement in old adults is negative for the development of a new motor skill. However, the involvement of a learning-related cortico-striatal network in old adults promotes procedural memory consolidation. These results indicate high inter-subjects variability in ageing, and open new perspectives to understand the memory consolidation processes that contribute to the maintenance versus the decline of newly learned information. / Doctorat en Sciences psychologiques et de l'éducation / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Taking research as a tool to learn how new technology can develop new diagnosis and treatment methods in the physical field, takes place the education in motor sciences. On one hand, current research has shed light into novel methods to improve motor performance for athletes as well as for people learning new motor gestures. On the other hand it has also helped to improve treatment efficiency for people suffering motor cerebral lesions like: cerebrovascular attack (CVA) and cerebral palsy. This doctoral thesis addresses different protocols to analyze motor gestures and brain oscillations through visual perception.Our brain encompasses a changing symphony of oscillating activity throughout our lives. Up to the time we are born, we are ready to feel and move to interact with our world. Our senses develop rapidly and we start to perceive the world and learn. We visually perceive and process big amounts of information on a daily basis. At the same time we see movements from ourselves and from others in order to communicate and interact with our environment. We watch the world move. Moreover, from the links that exist between motor and sensory systems in human beings we may approach individual motor activity as a loop between a control (brain) over the effectors (muscles) which act, perceive and send the information back to the control source.The present group of works presented in this doctoral thesis is based on the correlation between human brain scalp activity, measured by means of electroencephalography (EEG) recordings, visual perception and its interpretation through different approaches. / Doctorat en Sciences de la motricité / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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<u><b>Introduction</u></b><p><p align = "justify">Les surdités cochléaires induisent, outre une audibilité réduite, une série de distorsions de la représentation neurale des sons. Deux des mécanismes à la base de ces distorsions sont d’une part une atteinte de la sélectivité fréquentielle et d’autre part des zones neuro-épithéliales non fonctionnelles. Tant le premier que le second mécanisme apparaissent dans une proportion variable et non prédictible d’un sujet à un autre. Deux tests permettent le diagnostic de ces atteintes spécifiques: la Courbe d’Accord (Tuning Curve: TC) et le Threshold Equalising Noise (TEN) test. La TC, mesurée par une technique psychoacoustique chez un adulte collaborant (Psychophysical TC: PTC), consiste en la mesure du niveau de bruit (masqueur) nécessaire pour masquer un son pur (signal) de fréquence et d’intensité fixes. Le TEN test consiste en la mesure des seuils auditifs dans le silence et en présence d’un bruit égalisateur de seuil (TEN). Ces tests qui requièrent des capacités cognitives adultes normales, ne sont pas applicables aux populations pédiatriques prélinguales.<p>Ce travail de thèse avait pour but le développement d’un équivalent objectif et non invasif des TCs et du TEN test applicable aux populations pédiatriques. La méthode objective choisie fut les potentiels auditifs stationnaires ou ASSEPs (Auditory Steady State Evoked Potentials). Les ASSEPs sont une réponse électrophysiologique cérébrale évoquée par un stimulus acoustique de longue durée modulé en amplitude et/ou en fréquence.</p align = "justify"><p><u><b>Méthodes & Résultats</u></b><p><p>Etape 1<p><p align = "justify">Les développements méthodologiques ont été réalisés sur l’espèce canine et humaine adulte. Les ASSEPs n’ayant jamais été préalablement enregistrés chez le chien, une première étape à consister à définir chez cette espèce les paramètres d’enregistrement optimaux (modulation en amplitude optimale) dont on sait qu’ils interagissent avec l’état veille-sommeil, avec la fréquence testée et probablement avec l’espèce animale investiguée. <p>A cette fin, les seuils auditifs obtenus chez 32 chiens à l’aide des ASSEPs ont été validés à cinq fréquences audiométriques par comparaison aux seuils obtenus avec les potentiels auditifs du tronc cérébral évoqués aux bouffées tonales. <p>Les seuils obtenus aux ASSEPs avec les paramètres optimaux d’enregistrement (légèrement différents des paramètres optimaux humains) étaient similaires à ceux obtenus aux bouffées tonales. <p>Ces résultats ont été publiés dans Clinical Neurophysiology (Markessis et al. 2006; 117: 1760-1771).</p align = "justify"><p>Etape 2<p><p align = "justify">La possibilité de mesurer des TCs à l’aide des ASSEPs (ASSEP-TCs) a été évaluée sur 10 chiens. Les données canines ont été comparées à des données de la littérature, çàd aux TC enregistrées chez d’autres espèces et avec d’autres méthodes. Des ASSEP-TCs ont également été enregistrées chez 7 humains adultes et confrontées aux PTCs obtenues chez les mêmes sujets. Les PTCs sont typiquement energistrées avec un signal sinusoïdal alors que le stimulus utilisé pour évoquer un ASSEP est une sinusoïde modulée en amplitude. L’effet des sinusoïdes modulées en amplitude sur les paramètres qualitatifs et quantitatifs des TCs a donc été évalué en comparant les PTCs obtenues avec un son pur et avec un son pur modulé en amplitude chez 10 humains adultes. <p>Les résultats ont révélé que les ASSEP-TCs enregistrées chez le chien et l’humain présentaient des paramètres qualitatifs et quantitatifs similaires respectivement à ceux décrits dans la littérature et aux PTCs. Par ailleurs, auncun effet des stimuli modulés en amplitude sur les paramètres des PTCs n’a été démontré.<p>Ces données ont été publiées dans Ear & Hearing (Markessis et al. 2009, 30: 43-53).</p align = "justify"><p>Etape 3<p><p align = "justify">Les ASSEP-TCs ont été validées chez 10 chiens en comparant les données aux TC enregistrées par électrocochléographie (Compound Action Potential TC: CAP-TC). Le masqueur utilisé pour les CAP-TCs est typiquement une sinusoïde alors que le masqueur utilisé pour les ASSEP-TCs est un bruit à bande étroite. Dès lors, une comparaison du type de masqueur (sinusoïde vs bruit à bande étroite) sur les paramètres des CAP-TCs et ASSEP-TCs a été réalisée chez 10 chiens.<p>Les ASSEP-TCs chez le chien se sont révélées qualitativement et quantitativement similaires aux CAP-TCs quel que soit le type de masqueur. Elles presentaient par ailleurs l’avantage d’être moins variables, plus précises et non invasives par rapport aux CAP-TCs. <p>Ces données ont été publiées dans International Journal of Audiology (Markessis et al. 2010, 49 ;455-62).</p align = "justify"><p>Etape 4<p><p align = "justify">Afin d’étudier la validité de la procédure à mettre en évidence des changements de sélectivité fréquentielle dus à une atteinte cochléaire, des ASSEP-TCs ont été obtenues chez 10 chiens cochléo-lésés suite à un trauma acoustique. Les Produits de Distorsion Acoustiques, les potentiels évoqués auditifs du tronc cérébral évoqués par un clic et les ASSEPs à cinq fréquences audiométriques ont été enregisrés afin de délimiter l’étendue de la lésion.<p>Les ASSEP-TCs ont été fortement altérées, mais pas comme attendu ni suggéré par les mesures fonctionnelles indiquant que le trauma acoustique a créé une lésion différente de celle espérée. <p>Cette étude doit être poursuivie, des lésions moins importantes créées et une validation histopathologique réalisée.</p align = "justify"><p>Etape 5<p><p align = "justify">Le TEN test a été mesuré à l’aide des ASSEPs (ASSEP-TEN) chez 12 adultes et cinq enfants normo-entendants. Les données adultes ont été confrontées aux données comportementales. L’effet des stimuli ASSEP (son pur modulé en amplitude) sur les TEN test a également été investigué en comparant les données comportementales obtenues avec une sinusoïde et avec une sinusoïde modulée en amplitude chez 24 adultes. <p>Les seuils masqués enregistrés aux ASSEPs étaient supérieurs à ceux mesurés par une épreuve comportementale. L’élévation des seuils masqués pose un problème potentiel de dynamique.<p>La procédure doit être testée chez des patients présentant une surdité cochléaire attendu que la différence entre les seuils auditifs mesurés aux ASSEPs et par une épreuve comportementale est moindre dans cette population. Dans la mesure où le problème de dynamique résiduelle persiste chez les patients malentendants, d’autres stimuli ou algorithmes d’enregistrement doivent être utilisés.</p align = "justify"><p>Etape 6<p><p align = "justify">Le TEN est un stimulus large bande. Il peut dès lors se révéler intolérable chez des patients présentant une atteinte auditive restreinte à une region fréquentielle. L’effet du filtrage du TEN sur les seuils et la sonie du TEN a été étudié chez 24 sujets normo-entendants et 35 patients présentant une perte cochléaire dans les hautes fréquences.<p>Le filtrage passe-haut du TEN s’est avéré être une solution satisfaisante.<p>Ces données ont été publiées dans International Journal of Audiology (Markessis et al. 2006; 45: 91-98).</p align = "justify"><p>Etape 7<p><p align = "justify">L’effet de l’intensité du TEN sur le diagnostic des zones neuro-épithéliales non fonctionnelles a été investigué chez 24 patients en mesurant les seuils masqués à quatre intensités de TEN différentes. La fiabilité du TEN test a également été évaluée. <p>Le TEN est une procédure fiable. L’intensité du TEN a affecté le diagnostic chez cinq patients. Ce résultat est interprété en termes de degré de l’atteinte du complexe neurosensoriel.<p>Ces données ont été publiées dans International Journal of Audiology (Markessis et al. 2009; 48: 55-62).</p align = "justify"><p><u><b>Conclusion</u></b><p><p align = "justify">Un algorithme permettant la mesure de TC et du TEN test objective à l’aide des ASSEPs a été développé. L’implémentation clinique de l’algorithme appliqué à l’enregistrement des CA paraît envisageable. Une importante étape de la corrélation entre modifications anatomiques (à l’aide de l’histopathologie) et physiologiques (ASSEP-TC et CAP-TC) est maintenant celle qui s’impose. Les données préliminaires obtenues sur le TEN test électrophysiologique chez des sujets normo-entendants suggèrent que son implémentation clinique puisse se heurter à un problème de dynamique si ce dernier est confirmé en présence de surdités cochléaires. Plusieurs pistes potentielles de solutions ont été avancées.</p align = "justify"> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Un accès aux représentations mentales. Voici une phrase qui pourrait bientôt devenir une réalité. La recherche sur les interfaces cerveau-Machines est un champ de recherche en plein essor. En particulier, de grandes avancées ont été réalisées pour permettre par exemple à des tétraplégiques de retrouver une relative autonomie en actionnant un bras robotique par l'activité de leur cerveau. L'équipe de Hochberg a mis en évidence un système permettant à une femme tétraplégique d'attraper une boisson et de boire. Cela montre la précision incroyable que peut avoir une prothèse artificielle pilotée par le cerveau. Ma thèse porte sur un aspect peu exploré des interfaces cerveau-Machines, celui des interfaces cerveau-Machines cognitives, c'est-À-Dire utilisant le contenu représentationnel intime de l'activité du cerveau. Son objectif est de démontrer, sur un modèle primate non-Humaine, la possibilité d'accéder en temps-Réel à ce type de contenu complexe, y compris dans un environnement en perpétuel changement. L'adaptation des interfaces cerveau-Machines dans le monde réel, où nous sommes constamment confrontés à de nouvelles informations, est critique pour son fonctionnement. Un autre aspect, très important, porte sur l'exploration et la compréhension du système nerveux au niveau populationnel en utilisant des méthodes similaires à celles utilisées pour extraire de l'information dans les interfaces cerveau-Machines. Cela nous permet d'étudier le contenu instantané et sa dynamique dans l'évolution du temps. En résumé, nous démontrons la faisabilité d'accéder en temps-Réel à des informations complexes de l'attention spatiale et de la perception visuelle. Cet accès en temps-Réel n'est que peu affecté par un environnement qui change. Le potentiel de ce type d'interfaces cerveau-Machines est immense en vue du traitement de pathologies neurologiques aigües (suite à des accidents cérébraux vasculaires ou suite à des traumatismes accidentés) ou neurodégénératives (dans la maladie d'Alzheimer ou de Parkinson, pour ne parler que des plus connues) / The field of invasive Brain Machine Interfaces (iBMI) has during the last ten years proven its enormous potential in restoring movements in paralyzed patients. The present doctoral thesis introduces a new dimension to this field by using complex cognitive behavior to drive an iBMI. In this respect, visual processes including spatial attention and perception are of special interest. This thesis project has three principal objectives: first, show the feasibility of decoding cognitive information in an offline setup. Second, evaluate the decoding of cognitive information in a real time experimental setup and third, investigate the impact of this setup in a changing environment, this both from the perspective of driving real time brain-Machine interfaces and that of understanding distributed populational neuronal codes. In line with the first objective of this thesis, an evaluation of several different classification techniques has been carried out in order to choose the best suited method for reading out cognitive information. The study provides evidence that visual information can be read out with similar performance as cognitive information. This study is the first study aiming at explicitly comparing the read out of sensory and cognitive information. The two last objectives of the present thesis are carried out on data from a new real-Time experimental setup. First we demonstrate the feasibility of real-Time readout of spatial attention and perception and we bring about a novel understanding about these two cognitive processes. Second, we show that in a changing environment, remarkable reconfigurations of prefrontal neural populations occur under certain contexts while left unaffected by other contexts. This Ph.D. thesis has taken the field of cognitive brain-Machine interfaces one step further by establishing the impact on spatial attention and perception of a changing environment. Facing the many neurological and neurodegenerative pathologies existing today, this thesis provides a steady ground for the continuation of research in this area

Nous possédons la faculté de reconnaître individuellement des centaines d’individus. Ceci nous permet d’évoluer dans une société complexe dont l’organisation est en partie forgée par les relations interindividuelles. La reconnaissance individuelle peut être réalisée par l'identification de divers éléments distincts, comme le visage ou la voix, qui forment chez l’Homme une seule représentation conceptuelle de l'identité de la personne. Nous avons démontré que les singes rhésus, comme les humains, reconnaissent individuellement leurs congénères familiers, mais également les individus humains connus. Ceci montre que la reconnaissance fine est une compétence partagée par un éventail d'espèces de primates pouvant servir de fondement à la vie en réseaux sociaux sophistiqués, et également que le cerveau s’adapte de façon flexible pour reconnaître les individus d'autres espèces lorsque ceux-ci ont une importance socioécologique. Par la suite, au niveau neuronal, ce projet a mis en lumière que les connaissances sociales concernant autrui sont représentées par les neurones hippocampiques ainsi que par les neurones inférotemporaux. Ainsi nous avons observé l’existence de neurones sélectifs aux visages non seulement dans le cortex inferotemporal, comme ceci a été décrit précédemment, mais également dans l’hippocampe. La comparaison des propriétés de ces neurones au sein de ces deux structures, suggère que les deux régions joueraient des rôles complémentaires au cours de la reconnaissance individuelle. Enfin, parce que l'hippocampe est une structure qui a évolué à des degrés divers chez différents mammifères pour soutenir la mémoire autobiographique et les représentations spatiales, la caractérisation des différents types de neurones et de leur connectivité a fourni un cadre commun pour comparer les fonctions de l’hippocampe à travers les espèces / Humans can individually recognize some hundreds of persons and therefore operate within a rich and complex society. Individual recognition can be achieved by identifying distinct elements such as the face or voice as belonging to one individual. In humans, those different cues are linked into one conceptual representation of individual identity. I demonstrated that rhesus monkeys, like humans, recognize familiarpeers but also familiar humans individually and that they match their voice to their corresponding memorized face. Thus it shows that fine individual recognition is a skill shared across a range of primate species, which may serve as the basis of a sophisticated social network. It also suggests that animals’ brains flexibly adapt to recognize individuals of other species when socio-ecologically relevant. Following at the neuronal level, this project put in light that social knowledge about other individuals is represented by hippocampal neurons as well as by inferotemporal neurons. For instance I observed the existence of face preferring neurons not only in the inferotemporal cortex as previously described but also in the hippocampus. Comparison of their properties across both structures, suggests that they could play complementary roles in recognition of individuals. Finally, because the hippocampus is a structure that evolved in various degrees to support autobiographical memory and spatial information in different mammals, I characterized the different subtypes of neurons and their network connectivity in the monkey hippocampus to provide a common anatomical framework to discuss hippocampal functions across species

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A multitude of sensory inputs needs to be processed during sensorimotor integration. A crucial factor for detecting relevant information is its complexity, since information content can be conflicting at a perceptual level. This may be central to executive control processes, such as response inhibition. This EEG study aims to investigate the system neurophysiological mechanisms behind effects of perceptual conflict on response inhibition. We systematically modulated perceptual conflict by integrating a Global-local task with a Go/Nogo paradigm. The results show that conflicting perceptual information, in comparison to non-conflicting perceptual information, impairs response inhibition performance. This effect was evident regardless of whether the relevant information for response inhibition is displayed on the global, or local perceptual level. The neurophysiological data suggests that early perceptual/ attentional processing stages do not underlie these modulations. Rather, processes at the response selection level (P3), play a role in changed response inhibition performance. This conflict-related impairment of inhibitory processes is associated with activation differences in (inferior) parietal areas (BA7 and BA40) and not as commonly found in the medial prefrontal areas. This suggests that various functional neuroanatomical structures may mediate response inhibition and that the functional neuroanatomical structures involved depend on the complexity of sensory integration processes.

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