L’utilisation d’outils est un trait définitoire du genre Homo. Il est donc fondamental de mieux connaître les bases cognitives et cérébrales nous permettant d’utiliser des outils. Les modèles cognitivistes actuels expliquent l’utilisation d’outils à travers l’hypothèse de l’activation d’une mémoire gestuelle (i.e., engrammes gestuels ou visuo-kinétiques, ou connaissances sensorimotrices sur la manipulation ; voir Rothi, Ochipa, & Heilman, 1991 ; Buxbaum, 2001) ? Cette hypothèse ne permet toutefois pas de comprendre l’utilisation d’outils nouveaux. Une hypothèse alternative a été établie, suggérant que toute situation d’utilisation d’outils (familiers et nouveaux) requière un raisonnement technique (e.g., Osiurak & Badets, 2016). Ce type de raisonnement, qui impliquerait le lobe pariétal inférieur gauche, nous permettrait de formuler l’action mécanique et d’évaluer les propriétés physiques des outils et des objets. Dans le cadre de cette hypothèse, l’une des finalités de cette thèse était de mieux comprendre les troubles d’utilisation d’outils chez des patients cérébro-lésés. Le présent travail s’est également porté sur l’investigation de la cognition numérique. Par ce terme, nous ne faisons pas uniquement référence au calcul mental ou à l’arithmétique. Nous englobons également ce que Dehaene et Cohen (1995) ont nommé code analogique dans leur Modèle du Triple Code. Ce code stockerait les représentations des quantités numériques au sein des lobes pariétaux. Autrement dit, il contiendrait le sens du nombre (Dehaene, 1997) permettant d’associer une étiquette symbolique (e.g., chiffre arabe) à la quantité correspondante. Au quotidien, ce serait grâce à ces représentations que nous pourrions comparer ou estimer la numérosité des ensembles d’objets. L’objectif principal de cette thèse était de rapprocher, tant au niveau cognitif que cérébral, ces deux domaines d’intérêt que sont l’utilisation d’outils et la cognition numérique. En effet, nous avons remarqué que ces deux capacités nécessitaient toutes deux un processus commun d’estimation de la magnitude (i.e., magnitude des propriétés physiques et magnitude des quantités numériques). En outre, au niveau cérébral, elles nécessitent l’activation de régions communes dans le lobe pariétal. Pour penser ce lien, nous nous sommes appuyés sur la théorie de la magnitude (ATOM) formulée par Walsh (2003). Celui-ci postule que toutes les magnitudes, c’est-à-dire toutes les dimensions qui peuvent être décrites par des relations « plus que/moins que », soient traitées au sein d’un système commun et unique dans le lobe pariétal droit (Bueti & Walsh, 2009). Nous avons supposé que la magnitude des propriétés physiques pourrait être traitée dans ce système au même titre que les magnitudes discrètes (e.g., numérosité) et continues (e.g., temps, espace). Nos résultats ont mis en évidence un trouble de l’utilisation d’outils nouveaux chez les patients LBD, sans difficultés apparentes pour estimer les propriétés physiques. Les patients RBD étaient déficitaires dans toutes les conditions évaluant la cognition numérique, contredisant les prédictions issues du TCM. Ces patients étaient également en difficulté pour estimer la longueur mais pas le poids. Comme des associations entre estimation de la longueur et du poids, et entre estimation de la longueur et cognition numérique ont été observées dans les différents groupes, nous suggérons que le système de magnitude soit divisé en sous-systèmes. Fait étonnant, nous avons trouvé une association entre utilisation d’outils et calcul approximatif chez les patients LBD supposant une tentative de compensation de l’utilisation par le calcul. Finalement, il semble que l’utilisation d’outils et la cognition numérique reposent sur des mécanismes neurocognitifs distincts, puisque les différents types de magnitudes ne paraissent pas être traités au sein d’un système commun et unique. / Tool use is a defining feature of the genus Homo. It is therefore fundamental to better understand the cognitive and cerebral bases that allow us to use tools. The current cognitivist models explain tool use through the hypothesis of an activation of gestural memories (i.e., gestural or visuo-kinetic engrams, or sensorimotor knowledge of manipulation; see Rothi, Ochipa, & Heilman, 1991; Buxbaum, 2001). This theory is unable to explain the use of novel tools. An alternative hypothesis suggests that any situation of tool use (familiar and new) requires technical reasoning (e.g., Osiurak & Badets, 2016). This reasoning, involving the left inferior parietal lobe, would enable to formulate the mechanical action and to evaluate the physical properties of tools and objects. One of the aims of this thesis was to better understand the tool use disorders in brain-damaged patients, within the framework of the technical reasoning hypothesis. This work has also focused on the investigation of numerical cognition. By this term we refer to mental arithmetic and math, but also to analogical code (see the Triple Code Model, Dehaene & Cohen, 1995). It corresponds to the representation of numerical quantities, stored in the parietal lobes. In other words, this code would contain the sense of number (Dehaene, 1997) to associate a symbolic label (e.g., Arabic digits) with the corresponding quantity. In everyday life, this representation would be critical to compare or estimate the numerosity of object sets.The main objective of this thesis was to explore, at cognitive and cerebral levels, whether links exist between both fields of interest that are tool use and numerical cognition. Indeed, we noticed that both capacities need a common process of magnitude estimation (i.e., physical properties and numerical quantity). In addition, at the cerebral level, they require the activation of common regions in the parietal lobe. We relied on the Theory Of Magnitude (ATOM) formulated by Walsh (2003). It postulates that all magnitudes, namely the dimensions described by “more than/less than” relationships (e.g., Is this stick long enough to reach a given place?), are processed within a common and unique system, in the right parietal lobe (Bueti & Walsh, 2009). We assumed that the magnitude of physical properties could be processed in this system as well as the discrete (e.g., numbers) and continuous (e.g., time, space) magnitudes. Our results highlighted a disorder of novel tool-use in LBD patients, who nevertheless had no difficulty in estimating physical properties. The RBD patients were impaired in all conditions assessing the numerical cognition, refuting the predictions derived from TCM. They were also impaired in the estimation of the length but not of the weight. As associations between estimation of length and of weight, and between estimation of length and numerical cognition have been observed in the different groups, we suggest that the magnitude system be divided into subsystems. Surprisingly, we found an association between tool use and approximate calculation in LBD patients assuming an attempt to compensate tool use by calculation. Finally, it seems that tool use and numerical cognition rely on distinct neurocognitive mechanisms since the different types of magnitudes might not be processed within a common and unique system of magnitude

Das Kernsystem zur approximativen Verarbeitung numerischer Informationen - das approximative Mengensystem (AMS) - ist, ebenso wie Systeme zur Verarbeitung räumlicher Informationen, im parietalen Cortex (PC) implementiert. Hier integriere ich 9 experimentelle Studien in vier Teilen und zeige, wie abstrakte mathematische Fähigkeiten mit dem AMS zusammenhängen. Die Hypothese ist, dass die mathematischen Leistungen des Menschen auf grundlegenden Konzepten (Raum, Zahl) aufbauen indem sie kortikale Areale ko-optieren, deren ursprüngliche Organisation für die neuen kulturellen Bedürfnisse geeignet erscheinen. Teil eins zeigt mittels des Operationalen Momentum Effekts, dass (nicht-)symbolisches Rechnen auf das AMS zurückgreift und Kopfrechnen evolutionär alte Strukturen im PC ko-optiert: Durch Anwendung multivariater Lernalgorithmen auf funktionelle Gehirnaktivierungen im posterioren PC während basaler perzeptueller Aufgaben (Sakkaden) konnte ich später ausgeführter Additionen von Subtraktionen unterscheiden. Dies ist ein Hinweis auf das kulturelle Recycling kortikaler Karten für kulturell bedingte kognitive Funktionen. Teil zwei untersucht die Folgen der Implementierung numerischer Informationen im PC. Die Verarbeitung numerischer Informationen konnte auch unter Crowding-Bedingungen nachgewiesen werden, was auf einen bevorzugten, nicht-bewusst vermittelten Zugang numerischer Informationen zum kognitiven System deuten könnte, wie sie bereits für andere visuelle Informationen, die im PC verarbeitet werden gezeigt wurde. Auch die Interferenz zwischen räumlichen und numerischen Informationen kann als Konsequenz der kortikalen und repräsentationalen Überlappung verstanden werden. In Teil drei und vier argumentiere ich, dass Kopfrechenfähigkeiten durch die Befähigung, Ordinalität zu verarbeiten, im AMS verankert sind und zeige technische, Stimulus-inhärente Faktoren auf, die problematisch bei der Unterscheidung zwischen approximativem und exaktem Rechnen sein können. / A plethora of evidence supports the idea of a core system in the parietal cortex (PC) of the human brain that enables us to approximately process numerical information, the approximate number system (ANS). By synthesizing nine experimental studies in four parts, I argue how abstract mathematical competencies are linked to the ANS and PC. The hypothesis is that human mathematics builds from foundational concepts (space, number) by progressively co-opting cortical areas whose prior organization fits with the cultural need. In part one the operational momentum effect demonstrates that (non-)symbolic approximate calculation partly relies on the ANS, and that mental arithmetic co-opts evolutionarily older cortical systems in PC. Low-level perceptual processes such as saccades lead to spatial patterns of activation in posterior parts of PC that are predictive of patterns during abstract approximate calculation processes. This is interpreted in terms of cultural recycling of cortical maps for cognitive purposes that go beyond the evolutionary scope of a given region. Part two investigates the consequences of the parietal implementation of numerical magnitude information. Akin to other visual properties that are processed in PC this may favour a privileged, non-conscious access of numerical information to the cognitive system even under a crowding regime. Also, the interference between spatial and numerical information can be interpreted as a consequence of a representational and cortical overlap. Part three elucidates the grounding of mental arithmetic abilities in the ANS and argues for a mediation of the association between ANS and symbolic arithmetic via numerical ordering abilities, which in turn rely on neural circuits in right-hemispheric prefrontal cortex. In part four I will argue that the involvement of approximate calculation in high-level symbolic calculation remains elusive due to a number of technical issues with stimulus-inherent numerical features.

La présente thèse a pour objectif de clarifier la nature de la relation entre les habiletés numériques innées – le Sens du Nombre – et les compétences en arithmétique apprises à l’école. L’originalité de cette recherche consiste en l’attention particulière que je porterai au rôle que jouent les habiletés numériques innées dans les différentes manières de résoudre une addition complexe, telle que 48 + 25, c’est-à-dire les stratégies de résolution. Dans le présent travail, je m’attèlerai à déterminer si la possession de compétences numériques plus développées favorise l’utilisation de procédures de calcul qui tiennent compte des propriétés numériques des opérandes du calcul, et si, inversement, la possession d’habiletés numériques plus imprécises entrave leur application, au profit de stratégies de calcul plus basiques. <p><p>À cette fin, j’axerai la présente thèse en trois volets distincts. Dans un premier volet, je vérifierai que les habiletés numériques sont essentielles à l’implémentation de toutes les stratégies de calcul, malgré le fait qu’elles soient engagées à des degrés d’élaboration différents en fonction de la stratégie exécutée. Ensuite, dans un second volet, je confirmerai que les compétences numériques orientent les préférences stratégiques ;comme je le supposais, les calculateurs possédant les habiletés numériques les plus développées ont davantage recours à des stratégies basées sur la magnitude complète des nombres, alors que ceux qui ont des capacités plus limitées les évitent. Enfin, dans un dernier volet, je mettrai en évidence que l’application de telles stratégies qui impliquent de traiter les numérosités entières engendre au niveau cérébral une activité accrue au sein des régions intrapariétales, aires dédiées au traitement des magnitudes numériques, par rapport aux autres procédures de calcul.<p><p>Les résultats que je rapporte dans la présente thèse mettent ainsi en évidence que les habiletés numériques sont critiques dans la résolution d’additions complexes non seulement au niveau de l’exécution de la stratégie de calcul, mais aussi dans l’établissement à long terme de la préférence stratégique des individus. Outre ces observations, la présente recherche plaide plus généralement en faveur de la prise en considération des stratégies de résolution dans les tâches arithmétiques, car les compétences numériques peuvent y être associées à des degrés différents. Au-delà de la simple performance, s’intéresser plus qualitativement aux stratégies de résolution constitue selon moi une étape cruciale dans la compréhension de la nature du lien entre le Sens du Nombre inné et les compétences en arithmétique.<p><p>/<p><p>The current thesis aims at clarifying the nature of the relationship between innate numerical abilities – the Number Sense – and arithmetic skills acquired at school. I will particularly focus in this research on the role played by these innate numerical abilities in selecting and executing the different procedures that could be used to solve a complex addition such as 48 + 27. In the current thesis, I will attempt to determine whether more elaborated numerical competence favours the utilisation of solving strategies that take into account the numerical properties of the addends, and conversely, whether inaccurate numerical representations discourage from using these strategies, for the benefit of more basic solving strategies.<p><p>In the current thesis, I will more specifically cover three different aspects. First of all, I will demonstrate that numerical abilities are crucial in implementing every solving strategy, but that they are engaged to a different extent as a function of the executed strategy. Secondly, I will show that numerical competence determine strategic preference; as I hypothesized, adults who possess the best numerical abilities would use more frequently solving strategies that are based on the entire numerical magnitude of the addends, whereas adults with more limited abilities would rather avoid them and execute basic procedures. Finally, in the third section, I will emphasize that the use of such elaborated solving strategies do imply at the cerebral level a stronger activity within the intraparietal regions, which are dedicated to the numerical magnitude processing, in comparison to other basic solving strategies.<p><p>The data I report here thus highlight that numerical abilities are essential in solving complex additions, not only in the execution of the solving strategy, but also in the long-term establishment of the preferred strategy. Besides this observation, the current thesis claims more generally in favour of the consideration of solving strategies when assessing arithmetic tasks, because numerical abilities are involved to a distinct extent in these tasks. Over and above regular performance, investigating through a qualitative perspective the solving strategies constitutes, according to me, a fundamental step in understanding the nature of the relationship between the innate Number Sense and arithmetic skills.<p> / Doctorat en Sciences Psychologiques et de l'éducation / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Numerical cognition has been shown to share many aspects of spatial cognition, both behavioural and neurological. However, it is unclear whether a particular type of spatial cognition, visuospatial mental imagery (VSMI), may play a role in symbolic numerical representation. In this thesis, I first show that mental rotation, a form of VSMI, is related to two measures of basic numerical representation. I then show that number-space synaesthesia (NSS), a rare type of VSMI involving visualised spatial layouts for numbers, does not show an advantage in mental rotation, but shows interference in number line mapping. I next present a study investigating links between NSS and the ability to learn novel numerical symbols. I demonstrate that NSS shows an advantage at learning novel numerals, and that transcranial random noise stimulation, which increases cortical excitability, confers broadly similar advantages that nonetheless differ in subtle ways. I present a study of transcranial alternating current stimulation on the same symbol learning paradigm, which fails to demonstrate effects. Lastly, I present data showing that strength of numerical representation in these newly-learnt symbols is correlated with a measure of mental rotation, and also with visual recognition ability for the symbols after, but not before, training. All together, these findings suggest that VSMI does indeed play a role in numerical cognition, and that it may do so from an early stage of learning symbolic numbers.