A growing body of research is targeted towards explaining nicotine's numerous and complex effects on selective attention and other forms of attentional processing. However, when and how nicotine modulates attentional processing in the presence of emotional distractors is not well characterized, though potentially quite important given that, relative to nonsmokers, smokers exhibit higher levels of negative affect-related traits and psychological disorders related to negative affect. In this study, electroencephalography (EEG) and event-related potentials (ERPs) were used to better characterize the effects of nicotine replacement therapy (NRT), relative to placebo, on distraction by emotional and smoking-related stimuli across 17 days of abstinence in dependent smokers. It was hypothesized that, relative to placebo, NRT would reduce ERP-indexed distraction (N170) and promote P3b-indexed task-related attention to target digits during a rapidly visual information processing task previously proven to be sensitive to the effects of NRT on attention. It was expected that the effects of valence on N170 to visual distractors and P3b to target digits would be greater in the placebo group than in the NRT group. Results demonstrated that NRT reduced distraction by visual distractors and increased neuroelectric response to target digits relative to placebo patch. Additionally, analyses revealed that the emotional valence of the visual distractors affected P3b response to targets, but did not affect N170-measured distraction during a sustained attention task. Aspects of the effect of NRT and nicotine-abstinence on top-down and bottom-up processes are discussed as possible mechanisms for the effect of nicotine on attention.

A growing body of research is targeted towards characterizing and explaining nicotine’s complex interactions with the ApoE E4 allele on brain responses underlying cognitive processes. However, when and how the ε4 allele modulates neuroelectric brain responses in the presence of nicotine versus nicotine abstinence in nicotine-dependent smokers is not well characterized. Being able to understand this modulation is potentially quite important given that recent research implies that, relative to non-ε4 carriers, young adult carriers of the ε4 allele exhibit greater cognitive benefits from the use of nicotine. In the present study, electroencephalography (EEG) and the oddball-related P3b event-related potential (ERP) were used to better characterize the potential moderating effects of ApoE on P3b ERP amplitude changes associated with overnight nicotine deprivation in dependent smokers. Results showed a significant interaction between ApoE genotype and nicotine use, as ε4 carriers, relative to noncarriers, demonstrated significantly greater decreases following overnight deprivation, relative to prequit baseline levels. Additionally, there was a main of effect of P3b ERP amplitude to target stimuli being greater in ε4 allele carriers than in noncarriers during nicotine use, but no main effect of APOE genotype during overnight nicotine deprivation. These results are consistent with findings that the ApoE genotype moderates the effects of nicotine and alters neuroelectric brain responses associated with selective attention to infrequent target stimuli.

Depression in transitional aged youth (TAY; aged ~16-24yr) has become a major issue of concern, with 14-25% of those aged 12-21yr experiencing at least one episode of depression. As such, the burden of disease of depression in this population is substantial. Depression in TAY is characterized as a chronic, relapsing disorder, with 50-70% of remitted patients developing a subsequent depressive episode within five years. Further, in younger adulthood (~21-38yr) individuals who experience depression do not always show complete functional recovery between episodes and report residual cognitive impairments. However, research examining the neural correlates of putative cognitive impairments in depressed individuals has traditionally focused on adult populations, with more limited research in depressed TAY. One means of characterizing neural profiles during cognitive processing is via electroencephalography (EEG), and event-related potentials (ERPs) extracted from EEG. To date, it is unclear if ERP profiles during tasks tapping into certain cognitive processes known to be altered in depressed adults are comparable in depressed TAY. Greater insight into the neural features of cognitive processes in the context of depression can, ultimately, help in refining intervention and perhaps prevention strategies in depressed youth. The primary aim of this work was to assess ERP-indexed neural profiles of attention, including novelty orienting, and inhibition via the auditory oddball and visual flanker tasks in depressed, unmedicated TAY (DEP) vs. non-depressed TAY (HC). Specifically, the N2 and P3 ERPs elicited by incongruent and congruent stimuli in a visual flanker task were assessed, as were the P3a and P3b ERPs extracted from an auditory novelty oddball task. Further, behavioural scores on three tasks, measured by the National Institutes of Health (NIH) Toolbox, that tap into similar cognitive processes as the ERP tasks (i.e., executive function, stimulus evaluation, inhibition, and working memory) were compared between groups using well-validated cognitive tests. Finally, correlations were carried out on the entire sample’s cognition scores and ERP measures, as well as the DEP group’s clinical scores and ERP measures to explore the relation between behavioural and neural features. A significant difference was found between groups for the early P3a (eP3a) latency elicited by unexpected novel sounds in the oddball task; the DEP group had a significantly shorter latency than the HC group. For the flanker task, group differences were found for N2 amplitude to incongruent flanker stimuli, wherein the DEP group showed significantly higher amplitudes than the HC group. No group differences were found between composite scores of three NIH Toolbox tasks assessed. Correlations revealed a positive relation between the Dimensional Change Card Sort test (NIH Card Sort task), generally regarded as a test of executive function, and P3 amplitude to both congruent and incongruent stimuli on the ERP Flanker task. Second, a positive relation existed between the Flanker Inhibitory Control and Attention task (NIH Flanker) and P3 latency on the ERP Flanker task. This study failed to replicate previous reports of reduced ERP amplitudes and increased latencies of the oddball and flanker tasks in a depressed adult populations population. However, they contribute to our limited knowledge on the effects of depression in youth on cognitive processes and associated neuronal profiles. Indeed, the data suggest that non-severely depressed and unmedicated young people exhibited more efficient cortical processing to novelty orienting than matched controls, perhaps reflecting a hyper-vigilant state. Further, depressed TAY appeared to exhibit more pronounced cortical resource allocation to processes implicated in inhibition. Across all participants, we were also able to demonstrate a relation between better executive function and increased cortical resource allocation to attentive processes, and greater behavioural inhibition being associated with longer cortical processes of attention. Collectively, these data inform our understanding of the neural processes in young people with depression; such insight may aid in more refined intervention and prevention strategies in the future.

Comprendre les mécanismes neurophysiologiques et les bases neurales de la conscience est un défi médico-scientifique majeur. A cette fin, il faut opérer une distinction entre les mécanismes neuraux des états de conscience, et ceux qui sous-tendent l'accès conscient à un contenu mental particulier (ou la prise de conscience). Les données expérimentales ayant contrasté état conscient/ état non conscient (coma, sommeil, sédation) d'une part, et perception consciente/inconsciente d'un même stimulus d'autre part, sont en faveur de l'implication d'un réseau d'aires cérébrales fronto-pariétales à la fois dans l'état et dans l'accès conscient à une information donnée. La comparaison état conscient/ état non conscient est malheureusement limitée par les différences de vigilance existant entre ces états. Nous avons cherché à contourner ce problème en nous focalisant sur deux populations de malades présentant un niveau de vigilance proche mais différant sous l'angle de l'état de conscience : patients éveillés, non conscients (état végétatif) versus patients éveillés et minimalement conscients (état de conscience minimale). Nos résultats, obtenus en utilisant les potentiels évoqués auditifs cognitifs à haute densité spatiale, sont en faveur de l'implication du même réseau d'aires cérébrales fronto-pariétales que celui mentionné ci-dessus, à la fois dans l'état et l'accès conscient. L'activation de ce réseau est contemporaine de l'apparition d'une P300b en potentiels évoqués qui semble constituer un marqueur très spécifique de conscience. Notre travail nous a permis également d'identifier un possible nouveau marqueur de la conscience qu'est la variation contingente négative (CNV). / Understanding the neurophysiological mechanisms and neural bases of consciousness is a major scientific and medical challenge. To do this, one has to distinguish neural mechanisms of conscious state from those subserving conscious access to a given mental state (that is awareness). Experimental data having contrasted conscious / non conscious state (coma, sleep, sedation) on the one hand, and conscious/ unconscious processing of a very same stimulus on the other hand are in favour of the implication of a network of lateral and medial frontal and parietal areas in both conscious state and conscious access. The comparison of conscious/ non conscious state is unfortunately limited by arousal difference between these two states. So, we endeavoured to overcome this problem by exploring two categories of patients with a same level of arousal but a different state of awareness: unaware awaked patients (vegetative state) versus awaked and minimally conscious patients (minimally conscious state). Our results obtained by using high-density auditory event related potentials argue in favour of the implication of the very same network of frontal and parietal areas than the one described above in both conscious state and conscious access to a given information. This network activation is associated with the emergence of a P300b wave, on event related potentials, which seems to be a very specific marker of consciousness. Our work also give us the opportunity to discover a potential new marker of consciousness, namely the contingent negative variation (CNV).

À tout âge, l’exercice physique peut être bénéfique au fonctionnement cognitif. Étant quotidiennement confrontés à des situations d’apprentissage, l’enfant et l’adolescent constituent une population particulièrement susceptible de profiter de ces bienfaits. Cependant, il importe de préciser et d’étudier les facteurs qui influencent la relation entre l’exercice physique et la cognition. L’objectif général de cette thèse était d’examiner, à l’aide de mesures électrophysiologiques, les effets aigus et chroniques de l’exercice physique sur les mécanismes neurophysiologiques du fonctionnement cognitif de l’enfant. Une première étude a apprécié la durée des effets aigus de l’exercice physique. Les résultats de ces travaux suggèrent qu’une séance ponctuelle d’exercice physique augmente la vigilance pendant au moins 30 min. Toujours dans un contexte d’effets aigus de l’exercice, l’impact de la demande cognitive de la tâche et de l’âge ont été examinés dans une seconde étude. Les résultats ne révèlent aucune interaction avec l’âge, cependant ils indiquent une spécificité pour les processus plus complexes du traitement de l’information. Enfin, une troisième étude a évalué l’effet de l’exercice physique chronique dans le cadre d’un programme d’activités physiques de 12 semaines. Aucun changement n’a été observé quant à l’aptitude cardiovasculaire ou la performance cognitive suite au programme. Une condition physique initialement élevée des participants pourrait expliquer ce résultat. En résumé, peu importe la condition physique de l’enfant, un exercice physique aigu d’intensité moyenne est bénéfique à la vigilance et à certains aspects du traitement cognitif de l’information. Les effets observés semblent suffisamment durables pour avoir un impact positif sur l’apprentissage en classe après une récréation ou un cours d’éducation physique. / Exercise can be beneficial for cognitive functioning throughout lifespan. Children and adolescents may particularly benefit from the effects of exercise on cognition as they continually face learning situations. However, it is important to identify and to study the factors that influence the relationship between exercise and cognition. The general objective of this thesis was to examine, with electrophysiological measures, the acute and chronic effects of exercise on electrophysiological mechanisms of cognitive functioning in children. A first study appreciated the duration of the acute effect of a single session of exercise. The results suggested that a single session of exercise increases vigilance for at least 30 min. Still in a context of acute exercise, the impact of the cognitive demand of the task and age were examined in a second study. Although the results did not reveal any significant interaction with age, they indicated specific benefits for the more complex cognitive processes compare to more automatic processes. Finally, a third study evaluated the effect of a 12-week program of physical activity. Following the 12-week program, no change was observed neither for the cardiovascular function nor the cognitive performance. The fact that participants already demonstrated a high level of fitness at baseline may explain this result. In conclusion, regardless of a child’s fitness level, it appears that an exercise of moderate intensity improves vigilance and some aspects of information processing. The observed effects appear to last long enough to have a positive impact on classroom learning after a recess or a physical education class.

À tout âge, l’exercice physique peut être bénéfique au fonctionnement cognitif. Étant quotidiennement confrontés à des situations d’apprentissage, l’enfant et l’adolescent constituent une population particulièrement susceptible de profiter de ces bienfaits. Cependant, il importe de préciser et d’étudier les facteurs qui influencent la relation entre l’exercice physique et la cognition. L’objectif général de cette thèse était d’examiner, à l’aide de mesures électrophysiologiques, les effets aigus et chroniques de l’exercice physique sur les mécanismes neurophysiologiques du fonctionnement cognitif de l’enfant. Une première étude a apprécié la durée des effets aigus de l’exercice physique. Les résultats de ces travaux suggèrent qu’une séance ponctuelle d’exercice physique augmente la vigilance pendant au moins 30 min. Toujours dans un contexte d’effets aigus de l’exercice, l’impact de la demande cognitive de la tâche et de l’âge ont été examinés dans une seconde étude. Les résultats ne révèlent aucune interaction avec l’âge, cependant ils indiquent une spécificité pour les processus plus complexes du traitement de l’information. Enfin, une troisième étude a évalué l’effet de l’exercice physique chronique dans le cadre d’un programme d’activités physiques de 12 semaines. Aucun changement n’a été observé quant à l’aptitude cardiovasculaire ou la performance cognitive suite au programme. Une condition physique initialement élevée des participants pourrait expliquer ce résultat. En résumé, peu importe la condition physique de l’enfant, un exercice physique aigu d’intensité moyenne est bénéfique à la vigilance et à certains aspects du traitement cognitif de l’information. Les effets observés semblent suffisamment durables pour avoir un impact positif sur l’apprentissage en classe après une récréation ou un cours d’éducation physique. / Exercise can be beneficial for cognitive functioning throughout lifespan. Children and adolescents may particularly benefit from the effects of exercise on cognition as they continually face learning situations. However, it is important to identify and to study the factors that influence the relationship between exercise and cognition. The general objective of this thesis was to examine, with electrophysiological measures, the acute and chronic effects of exercise on electrophysiological mechanisms of cognitive functioning in children. A first study appreciated the duration of the acute effect of a single session of exercise. The results suggested that a single session of exercise increases vigilance for at least 30 min. Still in a context of acute exercise, the impact of the cognitive demand of the task and age were examined in a second study. Although the results did not reveal any significant interaction with age, they indicated specific benefits for the more complex cognitive processes compare to more automatic processes. Finally, a third study evaluated the effect of a 12-week program of physical activity. Following the 12-week program, no change was observed neither for the cardiovascular function nor the cognitive performance. The fact that participants already demonstrated a high level of fitness at baseline may explain this result. In conclusion, regardless of a child’s fitness level, it appears that an exercise of moderate intensity improves vigilance and some aspects of information processing. The observed effects appear to last long enough to have a positive impact on classroom learning after a recess or a physical education class.

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L’amusie congénitale est un trouble neuro-développemental qui s’exprime par un déficit de discrimination tonale fine. Le cerveau des amusiques ne répond pas aux petites différences de hauteur, tel que révélé par l’absence de la composante de potentiel évoqué P3b, qui est associée aux processus de discrimination tonale tardifs et conscients. Peu d’études se sont penchées sur les mécanismes précoces et préconscients de discrimination tonale chez les amusiques, qui peuvent être étudiés par l’entremise d’une composante de potentiel évoqué appelée la négativité de discordance (MMN). Certaines études ont démontré qu’il est possible d’enregistrer la MMN pendant la présentation d’un film avec la trame sonore en simultané aux sons visant à évoquer la composante. Toutefois, une étude a démontré que la présentation de la trame sonore réduisait l’amplitude de la MMN, sans néanmoins clarifier la nature de l’effet d’interférence en cause. Les objectifs du présent projet sont d’abord, d’investiguer les effets à l’origine de la réduction d’amplitude de la MMN observée lors de la présentation d’un film avec la trame sonore, puis d’évaluer cette même composante chez les amusiques. La première étude visait à déterminer si un effet d’interférence attentionnelle ou acoustique était en cause dans la réduction d’amplitude observée sur la MMN lors de la présentation de la trame sonore d’un film. Les résultats ont montré qu’un effet de masquage acoustique, attribuable à la trame sonore, était responsable de la réduction d’amplitude de la MMN, cette dernière augmentant au fur et à mesure que l’intensité sonore de la trame du film était réduite. La seconde étude a été conduite dans le but d’investiguer la MMN chez les amusiques et de vérifier si le complexe d’ondes anormales N2b-P3b, observé en réponse aux grandes différences tonales chez les amusiques, pouvait être attribuable à un effet de saillance des stimuli. Dans un premier temps, nous avons comparé la MMN des amusiques à celle des contrôles, puis nous avons modifié le paradigme expérimental visant à évoquer la N2b-P3b en ajustant les probabilités d’occurrence des sons présentés aux contrôles en fonction des sons perçus par les amusiques. Les résultats ont montré que le cerveau des amusiques parvient à discriminer les différences de hauteur à un niveau précoce et préconscient, tel que révélé par une MMN normale, mais que les réponses cérébrales plus tardives, associées au processus de discrimination des hauteurs conscient, sont anormales chez les amusiques, et ce, uniquement pour les petites différences de hauteur, tel que révélé par l’absence de la P3b. En conclusion, ces résultats démontrent que l’amplitude de la MMN est affectée de manière significative par la présentation de la trame sonore d’un film et que cela est attribuable à un effet d’interférence acoustique. Dans un deuxième temps, nous avons démontré que les mécanismes précoces et préconscients de discrimination tonale sont préservés chez les amusiques, et que le déficit sous-jacent à l’amusie congénitale est attribuable à une atteinte du processus de discrimination tonale fine associé à un niveau de traitement cérébral tardif et conscient, le complexe d’ondes anormales N2b-P3b étant pour sa part attribuable à un effet de saillance des stimuli. / Congenital amusia is a neurodevelopmental disorder which is characterized by a deficit in fine-grained pitch discrimination. In fact, the amusic brain does not respond to small pitch changes, such as reflected by the absence of the event-related (ERP) component P3b, which is associated to late and conscious pitch discrimination processes. Until now, very few studies focused on early preconscious levels of processing in amusia, which can be studied through an ERP component called the mismatch negativity (MMN). Some studies have demonstrated that the MMN can be recorded while playing the soundtrack of a movie in concurrence with the MMN-critical tones. However, one study demonstrated that playing the movie soundtrack reduced MMN amplitude, but did not investigate the origin of this effect. The main goals of this project are, first, to investigate the nature of the effect responsible for the MMN reduction observed when playing a movie soundtrack, and secondly, to evaluate the MMN in congenital amusia. The first study aimed to investigate if an attentionnal or acoustical interference effect could account for the reduction in MMN amplitude observed when playing the movie soundtrack. The results showed that an acoustical masking effect of the movie soundtrack was responsible for the reduction in MMN amplitude. In fact, MMN amplitude increased as the intensity level of the movie soundtrack decreased. The goal of the second study was to investigate the MMN in congenital amusia, but also to explore if the abnormal N2b-P3b complex observed in amusics in a previous study could be accounted for by an effect of salience of the stimuli. Thus, we first compared the MMN results between amusics and controls, and then, we modified the experimental paradigm meant to evoke the N2b-P3b by adjusting the probabilities of occurrence of the sounds presented to the controls as a function of the sounds perceived by their matched amusics. The results showed that the amusic brain can detect all pitch changes at an early and preconscious level of processing, such as demonstrated by a normal MMN in both groups. Furthermore, our results showed that the amusic brain does not respond normally solely to small pitch changes at a later conscious level of processing, such as revealed by the absence of the P3b, thus showing that the abnormal N2b-P3b complex of ERP components observed in a previous study is better explained by a saliency effect of the stimuli and does not represent an electrophysiological anomaly specific to congenital amusia. In conclusion, our results have first shown that MMN amplitude is decreased by presenting a movie soundtrack and this is due to a masking effect at the acoustical level of the soundtrack over the MMN-critical tones. Finally, our second study showed that the early preconscious mechanisms of pitch discrimination are preserved in congenital amusia, and that the pitch deficit underlying congenital amusia is limited to an anomaly in the late and conscious processing of small pitch changes, the abnormal N2b-P3b complex being rather explained by an effect of salience of the stimuli.

L’amusie congénitale est un trouble neuro-développemental qui s’exprime par un déficit de discrimination tonale fine. Le cerveau des amusiques ne répond pas aux petites différences de hauteur, tel que révélé par l’absence de la composante de potentiel évoqué P3b, qui est associée aux processus de discrimination tonale tardifs et conscients. Peu d’études se sont penchées sur les mécanismes précoces et préconscients de discrimination tonale chez les amusiques, qui peuvent être étudiés par l’entremise d’une composante de potentiel évoqué appelée la négativité de discordance (MMN). Certaines études ont démontré qu’il est possible d’enregistrer la MMN pendant la présentation d’un film avec la trame sonore en simultané aux sons visant à évoquer la composante. Toutefois, une étude a démontré que la présentation de la trame sonore réduisait l’amplitude de la MMN, sans néanmoins clarifier la nature de l’effet d’interférence en cause. Les objectifs du présent projet sont d’abord, d’investiguer les effets à l’origine de la réduction d’amplitude de la MMN observée lors de la présentation d’un film avec la trame sonore, puis d’évaluer cette même composante chez les amusiques. La première étude visait à déterminer si un effet d’interférence attentionnelle ou acoustique était en cause dans la réduction d’amplitude observée sur la MMN lors de la présentation de la trame sonore d’un film. Les résultats ont montré qu’un effet de masquage acoustique, attribuable à la trame sonore, était responsable de la réduction d’amplitude de la MMN, cette dernière augmentant au fur et à mesure que l’intensité sonore de la trame du film était réduite. La seconde étude a été conduite dans le but d’investiguer la MMN chez les amusiques et de vérifier si le complexe d’ondes anormales N2b-P3b, observé en réponse aux grandes différences tonales chez les amusiques, pouvait être attribuable à un effet de saillance des stimuli. Dans un premier temps, nous avons comparé la MMN des amusiques à celle des contrôles, puis nous avons modifié le paradigme expérimental visant à évoquer la N2b-P3b en ajustant les probabilités d’occurrence des sons présentés aux contrôles en fonction des sons perçus par les amusiques. Les résultats ont montré que le cerveau des amusiques parvient à discriminer les différences de hauteur à un niveau précoce et préconscient, tel que révélé par une MMN normale, mais que les réponses cérébrales plus tardives, associées au processus de discrimination des hauteurs conscient, sont anormales chez les amusiques, et ce, uniquement pour les petites différences de hauteur, tel que révélé par l’absence de la P3b. En conclusion, ces résultats démontrent que l’amplitude de la MMN est affectée de manière significative par la présentation de la trame sonore d’un film et que cela est attribuable à un effet d’interférence acoustique. Dans un deuxième temps, nous avons démontré que les mécanismes précoces et préconscients de discrimination tonale sont préservés chez les amusiques, et que le déficit sous-jacent à l’amusie congénitale est attribuable à une atteinte du processus de discrimination tonale fine associé à un niveau de traitement cérébral tardif et conscient, le complexe d’ondes anormales N2b-P3b étant pour sa part attribuable à un effet de saillance des stimuli. / Congenital amusia is a neurodevelopmental disorder which is characterized by a deficit in fine-grained pitch discrimination. In fact, the amusic brain does not respond to small pitch changes, such as reflected by the absence of the event-related (ERP) component P3b, which is associated to late and conscious pitch discrimination processes. Until now, very few studies focused on early preconscious levels of processing in amusia, which can be studied through an ERP component called the mismatch negativity (MMN). Some studies have demonstrated that the MMN can be recorded while playing the soundtrack of a movie in concurrence with the MMN-critical tones. However, one study demonstrated that playing the movie soundtrack reduced MMN amplitude, but did not investigate the origin of this effect. The main goals of this project are, first, to investigate the nature of the effect responsible for the MMN reduction observed when playing a movie soundtrack, and secondly, to evaluate the MMN in congenital amusia. The first study aimed to investigate if an attentionnal or acoustical interference effect could account for the reduction in MMN amplitude observed when playing the movie soundtrack. The results showed that an acoustical masking effect of the movie soundtrack was responsible for the reduction in MMN amplitude. In fact, MMN amplitude increased as the intensity level of the movie soundtrack decreased. The goal of the second study was to investigate the MMN in congenital amusia, but also to explore if the abnormal N2b-P3b complex observed in amusics in a previous study could be accounted for by an effect of salience of the stimuli. Thus, we first compared the MMN results between amusics and controls, and then, we modified the experimental paradigm meant to evoke the N2b-P3b by adjusting the probabilities of occurrence of the sounds presented to the controls as a function of the sounds perceived by their matched amusics. The results showed that the amusic brain can detect all pitch changes at an early and preconscious level of processing, such as demonstrated by a normal MMN in both groups. Furthermore, our results showed that the amusic brain does not respond normally solely to small pitch changes at a later conscious level of processing, such as revealed by the absence of the P3b, thus showing that the abnormal N2b-P3b complex of ERP components observed in a previous study is better explained by a saliency effect of the stimuli and does not represent an electrophysiological anomaly specific to congenital amusia. In conclusion, our results have first shown that MMN amplitude is decreased by presenting a movie soundtrack and this is due to a masking effect at the acoustical level of the soundtrack over the MMN-critical tones. Finally, our second study showed that the early preconscious mechanisms of pitch discrimination are preserved in congenital amusia, and that the pitch deficit underlying congenital amusia is limited to an anomaly in the late and conscious processing of small pitch changes, the abnormal N2b-P3b complex being rather explained by an effect of salience of the stimuli.