Le processus de vieillissement humain est un processus complexe qui varie grandement d’une personne à l’autre. Malgré l’ampleur des recherches faites sur le sujet, il reste encore beaucoup à explorer et à comprendre. Cette thèse propose trois expériences qui nous permettent d’améliorer notre compréhension des changements qui s’opèrent dans la mémoire de travail visuelle et l’attention visuospatiale avec la prise en âge. La première expérience propose d’examiner les changements dans les capacités de mémoire de travail visuelle entre des jeunes adultes, des adultes âgés sains et des personnes atteintes de trouble cognitif léger (TCL). De plus, grâce à un suivi fait avec les personnes ayant un TCL, nous avons pu examiner si des différences existaient au niveau comportemental entre les âgés qui ont déclinés vers un type de démence et ceux dont l’état est resté stable. Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour étudier les effets du vieillissement sur le cerveau. Les tests neuropsychologiques et les tâches comportementales présentées dans la première expérience en sont un exemple. La neuroimagerie peut aussi s’avérer particulièrement utile. En effet, certaines mesures électrophysiologiques, aussi appelées potentiels reliés aux évènements (PRE), sont associées à des fonctions cognitives précises. Ces composantes nous permettent de suivre ces processus et d’observer les modulations causées par les caractéristiques des stimuli ou l’âge par exemple. C’est le cas de la N2pc (négativité 2 postérieure controlatérale) et de la SPCN (sustained posterior contralateral negativity), des composantes électrophysiologiques liées respectivement à l’attention visuospatiale et la mémoire de travail visuelle. On connait bien ces deux composantes ainsi que les facteurs qui les modulent, or elles sont peu utilisées pour les changements qui occurrent dans l’attention et la mémoire de travail visuelle dans le cadre du processus de vieillissement. Les deuxième et troisième expériences proposent d’utiliser une tâche de recherche visuelle (nombre d’items de couleur et identification d’une relation spatiale entre deux items de couleur) afin d’explorer les changements observables sur ces composantes électrophysiologiques. La deuxième expérience examine l’efficacité d’un paradigme à présentations multiples (‘multiple frame’) afin de mesurer la N2pc et la SPCN chez de jeunes adultes. La troisième expérience a pour but d’examiner les effets du vieillissement normal sur l’amplitude et la latence de la N2pc et la SPCN en utilisant le même type de tâche de recherche visuelle. / Human ageing is a complex process that varies a lot from one person to the other. Despite the scope of research of that subject, there is still a lot to explore. This thesis proposes three experiments that will help increase our understanding of the many changes in visual working memory and visuospatial attention seen in ageing. The first experiment assesses the changes in visual working memory capacities between young adults, healthy older adults, and persons with MCI. Furthermore, we were able to do a follow-up with the persons with MCI and determine which ones remained in a stable cognitive state and the ones that decline toward mild dementia, providing us with the opportunity to test for potential behavioral differences allowing us to distinguish between them. Many techniques, such as neuropsychological tests and behavioral tasks, can be used to study the effects of ageing on the brain. Neuroimaging techniques can be particularly useful. In fact, many electrophysiological measures, called event-related potentials (ERPs), are linked to specific cognitive functions which allow us to follow those processes and observe the modulations caused by stimuli characteristics or ageing for example. This is the case of the N2pc (negativity 2 posterior contralateral) and the SPCN (sustained posterior contralateral negativity), two ERPs linked to visuospatial attention and visual working memory. While they are both well-known in the literature, not many studies are using them as a way to examine the changes appearing in the visuospatial attention and the visual working memory during the normal ageing process. The second and third experiment use a visual search task (including 2 conditions: counting the number of items presented and identify a specific spatial relation between 2 coloured items) to explore the changes seen on those ERPs. The second experiment wants to assess the efficiency of a multiple frame paradigm to measure the N2pc and the SPCN with young adults. The third experiment wants to examine the effects of normal ageing on the amplitude and the latency of the two components using the same type of visual search task.

Des interventions ciblant l’amélioration cognitive sont de plus en plus à l’intérêt dans nombreux domaines, y compris la neuropsychologie. Bien qu'il existe de nombreuses méthodes pour maximiser le potentiel cognitif de quelqu’un, ils sont rarement appuyé par la recherche scientifique. D’abord, ce mémoire examine brièvement l'état des interventions d'amélioration cognitives. Il décrit premièrement les faiblesses observées dans ces pratiques et par conséquent il établit un modèle standard contre lequel on pourrait et devrait évaluer les diverses techniques ciblant l'amélioration cognitive. Une étude de recherche est ensuite présenté qui considère un nouvel outil de l'amélioration cognitive, une tâche d’entrainement perceptivo-cognitive : 3-dimensional multiple object tracking (3D-MOT). Il examine les preuves actuelles pour le 3D-MOT auprès du modèle standard proposé. Les résultats de ce projet démontrent de l’augmentation dans les capacités d’attention, de mémoire de travail visuel et de vitesse de traitement d’information. Cette étude représente la première étape dans la démarche vers l’établissement du 3D-MOT comme un outil d’amélioration cognitive. / Cognitive enhancement is a domain of burgeoning interest in many domains including neuropsychology. While there are different methods that exist in order to achieve cognitive enhancement, there are few that are supported by research. The current work examines the state of cognitive enhancement interventions. It first outlines the weaknesses observed in these practices and then proposes a standard template for assessing cognitive enhancement tools. A research study is then presented that examines a novel cognitive enhancement tool, 3-dimensional multiple object tracking (3D-MOT), and weighs the current evidence for 3D-MOT against the proposed standard template. The results of the current work demonstrate that 3D-MOT is effective in enhancing attention, working memory and visual information processing speed, and represent a first step toward establishing 3D-MOT as a cognitive enhancement tool.

Percevoir et synchroniser ses mouvements à une pulsation régulière en musique est une capacité largement répandue chez l’Homme, et fondamentale aux comportements musicaux. La pulsation et la métrique en musique désignent généralement une organisation temporelle périodique perçue à partir de stimuli acoustiques complexes, et cette organisation perceptuelle implique souvent une mise en mouvement périodique spontanée du corps. Cependant, les mécanismes neuraux sous-tendant cette perception sont à l’heure actuelle encore méconnus. Le présent travail a donc eu pour objectif de développer une nouvelle approche expérimentale, inspirée par l’approche électrophysiologique des potentiels évoqués stationnaires, afin d’explorer les corrélats neuraux à la base de notre perception de la pulsation et de la métrique induite à l’écoute de rythmes musicaux. L’activité neurale évoquée en relation avec la perception d’une pulsation a été enregistrée par électroencéphalographie (EEG) chez des individus sains, dans divers contextes : (1) dans un contexte d’imagerie mentale d’une métrique appliquée de manière endogène sur un stimulus auditif, (2) dans un contexte d’induction spontanée d’une pulsation à l’écoute de patterns rythmiques musicaux, (3) dans un contexte d’interaction multisensorielle, et (4) dans un contexte de synchronisation sensorimotrice. Pris dans leur ensemble, les résultats de ces études corroborent l’hypothèse selon laquelle la perception de la pulsation en musique est sous-tendue par des processus de synchronisation et de résonance de l’activité neurale dans le cerveau humain. De plus, ces résultats suggèrent que l’approche développée dans le présent travail pourrait apporter un éclairage significatif pour comprendre les mécanismes neuraux de la perception de la pulsation et des rythmes musicaux, et, dans une perspective plus générale, pour explorer les mécanismes de synchronisation neurale. / The ability to perceive a regular beat in music and synchronize to it is a widespread human skill. Fundamental to musical behavior, beat and meter refer to the perception of periodicities while listening to musical rhythms, and usually involve spontaneous entrainment to move on these periodicities. However, the neural mechanisms underlying entrainment to beat and meter in Humans remain unclear. The present work tests a novel experimental approach, inspired by the steady-state evoked potential method, to explore the neural dynamics supporting the perception of rhythmic inputs. Using human electroencephalography (EEG), neural responses to beat and meter were recorded in various contexts: (1) mental imagery of meter, (2) spontaneous induction of a beat from rhythmic patterns, (3) multisensory integration, and (4) sensorimotor synchronization. Our results support the view that entrainment and resonance phenomena subtend the processing of musical rhythms in the human brain. Furthermore, our results suggest that this novel approach could help investigating the link between the phenomenology of musical beat and meter and neurophysiological evidence of a bias towards periodicities arising under certain circumstances in the nervous system. Hence, entrainment to music provides an original framework to explore general entrainment phenomena occurring at various levels, from the inter-neural to the inter-individual level. / Thèse de doctorat réalisé en cotutelle avec l'Université catholique de Louvain, Belgique (Faculté de médecine, Institut de Neuroscience)

La présente thèse examine les liens entre le sommeil, la mémoire épisodique et les rêves. Dans une première étude, nous utilisons les technologies de la réalité virtuelle (RV) en liaison avec un paradigme de privation de sommeil paradoxal et de collecte de rêve en vue d'examiner l'hypothèse que le sommeil paradoxal et le rêve sont impliqués dans la consolidation de la mémoire épisodique. Le sommeil paradoxal a été associé au rappel des aspects spatiaux des éléments émotionnels de la tâche RV. De la même façon, l'incorporation de la tâche RV dans les rêves a été associée au rappel des aspects spatiaux de la tâche. De plus, le rappel des aspects factuels et perceptuels de la mémoire épisodique, formé lors de la tâche VR, a été associé au sommeil aux ondes lentes. Une deuxième étude examine l'hypothèse selon laquelle une fonction possible du rêve pourrait être de créer de nouvelles associations entre les éléments de divers souvenirs épisodiques. Un participant a été réveillé 43 fois lors de l'endormissement pour fournir des rapports détaillés de rêves. Les résultats suggèrent qu'un seul rêve peut comporter, dans un même contexte spatiotemporel, divers éléments appartenant aux multiples souvenirs épisodiques. Une troisième étude aborde la question de la cognition lors du sommeil paradoxal, notamment comment les aspects bizarres des rêves, qui sont formés grâce aux nouvelles combinaisons d'éléments de la mémoire épisodique, sont perçus par le rêveur. Les résultats démontrent une dissociation dans les capacités cognitives en sommeil paradoxal caractérisée par un déficit sélectif dans l'appréciation des éléments bizarres des rêves. Les résultats des quatre études suggèrent que le sommeil aux ondes lentes et le sommeil paradoxal sont différemment impliqués dans le traitement de la mémoire épisodique. Le sommeil aux ondes lentes pourrait être implique dans la consolidation de la mémoire épisodique, et le sommeil paradoxal, par l'entremise du rêve, pourrais avoir le rôle d'introduire de la flexibilité dans ce système mnémonique. / The present dissertation examines relationships between sleep, episodic memory and dreaming. In Articles I and II we use a novel virtual reality (VR) task in conjunction with a rapid eye movement (REM) sleep deprivation (REMD) paradigm and dream sampling to examine the hypothesis that REM sleep and dreaming are involved in the consolidation of episodic memory. REM sleep was associated with the successful recall of the spatial aspects of emotionally charged elements of the VR task. Similarly, dreaming was associated with improved performance on the spatial aspects of the recall task. Recall of the factual and perceptual aspects of episodic memories formed with the VR task was associated with increased slow wave sleep (SWS) during the post-exposure night. Overall, the results suggest that SWS is associated with the perceptual and factual aspects of episodic memories while REM sleep is not, a finding which may relate to observations that REM sleep dreaming is composed of deconstructed fragments of loosely associated episodic memories. Study II examines the hypothesis that a function of dreaming may be to create new associations between previously unrelated memory items. A participant, highly trained in introspection and mentation reporting, was awakened 43 times during theta bursts at sleep onset and provided detailed reports of resulting imagery and associated memory sources. This technique provided evidence that elements of distally related memory sources are brought together in temporal and spatial proximity within a novel context provided by the dream, suggesting a role for dreaming in memory processing. To allow for this possibility, we speculate that dreaming experiences may be functionally equivalent to waking experiences in their ability to induce neural plasticity. Study III addresses an aspect of this functional equivalence by examining if dream bizarreness is incompatible with behavioral and cognitive features associated with waking state experience-driven plasticity, i.e., whether the dreamer can act upon, emote and be motivated towards an element of the dream that is bizarre and that violates basic assumptions of physical reality. The results demonstrate a dissociation in cognitive ability during dreaming characterized by a selective deficiency in appreciating bizarreness in face of a maintained ability for logical thought. This finding thus addresses the problem of the wake-like mind reflecting upon dream bizarreness and suggests that dreaming is a state in which the cognitive aspects associated with synaptic plasticity (attention, emotion and motivation associated with believing a situation to be reality) are present while allowing for the presentation of memory item combinations which may transcend the limits of physical reality. The results of the four studies are discussed in light of how REM and SWS sleep stages are differentially involved in specific aspects of episodic memory (episodic replay vs. episodic novelty) and the possible role that dreaming, as a driver of synaptic plasticity, may have in these relationships.

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