Bien que les troubles cognitifs soient un aspect essentiel de la schizophrénie, le dysfonctionnement des systèmes émotionnels y est également considéré comme un élément très important de cette maladie d’autant plus que plusieurs régions du cerveau sont concernées par la régulation émotionnelle. Le principal objectif du présent travail était d’explorer, en imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf), l’effet de la ziprasidone sur les différentes réponses neuronales à l’affichage de stimuli émotionnels au niveau de la région préfrontale,particulièrement dans le cortex cingulaire antérieur [CCA], le cortex orbito-frontal [COF] et le cortex préfrontal dorso-latéral [CPFDL]. Nous avons examiné les activations cérébrales, chez des patients souffrants de schizophrénie avant et après médication à la ziprasidone, en leur présentant des séries d’images émotionnellement chargées (négatives, neutres et positives) associées à différentes instructions quand aux types d’images qu’ils devaient sélectionner (négatives,neutres et positives). Nous avons analysé les différents changements d’activation (avant et après médication) essentiellement pour les valences extrêmes des stimuli (positives et négatives), ensuite nous avons regardé l’effet du type d’instruction sur ces changements. L’échantillon comprenait 13 patients atteints de schizophrénie et 15 témoins sains. Nous avons également effectué une évaluation clinique des symptômes dépressifs, positifs et négatifs de la maladie ainsi que des mesures biochimiques et de poids avant et après 16 semaines de médication. Malgré l’absence de changement significatif sur les mesures cliniques (PANSS et Dépression) avant et après une moyenne de 14.3 semaines de médication à la ziprasidone, plusieurs régions préfrontales (CCA, COF, CPDL) ont sensiblement accru leur réponse aux stimuli positifs par rapport aux stimuli négatifs. En outre, dans les régions habituellement impliquées dans le contrôle cognitif (CCA et CPFDL), cette tendance s'est accentuée lorsque les patients ont été invités à ne sélectionner que les stimuli négatifs (effet du type d’instruction). Nous avons également trouvé plusieurs similitudes dans le fonctionnement préfrontal (à la fois dans le volume et la force d'activation) entre les contrôles sains et les patients après médication en tenant compte du type d’instruction plus que de la valence émotionnelle des images. Pour conclure, les résultats de la présente étude suggèrent que le traitement antipsychotique avec la ziprasidone améliore le fonctionnement cognitif lié au traitement de l'information émotionnelle dans le cortex préfrontal chez les patients souffrant de schizophrénie. Étant donné le mécanisme d'action neuro-pharmacologique de la ziprasidone (plus d'affinité pour la sérotonine que pour les récepteurs de la dopamine dans le cortex préfrontal), nous pensons que nos résultats démontrent que le contrôle cognitif et la régulation des réactions face à des stimuli émotionnellement chargés dans la schizophrénie sont liés à une plus forte concentration de dopamine dans les voies préfrontales. / Objective We assessed psychological and neuronal manifestations associated with cognitive processing of emotional visual stimuli among schizophrenic patients after 16 weeks of antipsychotic medication with ziprasidone (daily average dose of 108 mg). We were especially interested in evaluating to what extent the restoration of emotional regulation involved the prefrontal cortex. Methods Thirteen schizophrenic patients (assessed using DSM-IV criteria) were clinically evaluated (using Positive and Negative Syndrome Scale - PANSS, Calgary Depression Scale - CDS)and were scanned using functional magnetic resonance imaging (fMRI), before starting and at the end of 16 weeks of ziprasidone treatment. Their results were compared with those of 15 healthy subjects. In each neuroimaging session, participants watched 14 blocks of emotionally laden images taken from the standardized sets developed by International Affective Picture System [NIMH Center for Emotion and Attention (CSEA) at the University of Florida]. In each block, one type of image (e.g. positive, negative) predominated and subjects were instructed to select all images of a given type, which could be either concordant (e.g. select all positive images in a block with a majority of positive images) or non-concordant (e.g. select all positive images in a block with a majority of negative images). The blood oxygenation level dependent (BOLD) signal in response to emotional stimuli was used as dependent measure for the brain activity. Results Despite observing no significant changes on clinical measures (PANSS and CDS) before and after 16 weeks of ziprasidone treatment, several prefrontal regions (i.e. anterior cingulate - ACC, orbitofrontal – OFC, and dorsolateral prefrontal – DLPFC cortices) increased significantly their response to positive than to negative stimuli. Moreover, in the regions typically involved in cognitive control (ACC and DLPFC), this pattern was accentuated whenever patients were instructed to select only the negative stimuli. Among the healthy controls, we found that prefrontal activity was more sensitive to the type of instruction, than to the type of image in a block; specifically, the prefrontal areas had a higher BOLD signal whenever subjects had to select the negative, than the positive images. We also found more similarities in prefrontal functioning (both in the volume and the strength of activation) between patients and controls after the treatment, when taking into account the instruction type (select negative versus positive stimuli), than when comparing the emotional valence of images. Conclusion The results of the present study suggest that antipsychotic treatment with ziprasidone restores the cognitive functioning related to the processing of emotional information in prefrontal cortex in patients with schizophrenia. Given the neuro-pharmacological action mechanism of ziprasidone (more affinity for serotonin than dopamine receptors in prefrontal cortex), we believe that our findings demonstrate that cognitive control and regulation of reactions when facing emotionally laden stimuli in schizophrenia is related to a higher concentration of dopamine in prefrontal pathways.

Les avancées technologiques rendent maintenant possible d’étudier l’impact de gènes spécifiques sur les corrélats cérébraux des psychopathologies. En rapport avec ce nouveau champ de recherche, la présente thèse décrit l’impact du 5-HTTLPR et du rs4675690 – deux polymorphismes semblant jouer un rôle dans le trouble dépressif majeur - sur les corrélats neuronaux de l’expérience subjective de la tristesse chez les enfants. Après une mise en contexte (Chapitre 1), les deux études incluses dans cette thèse seront décrites (Chapitre 2 et 3). Ces études d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle visaient à comparer les patrons d’activation – durant un état temporaire de tristesse - chez des enfants de 8 ans porteurs d’allèles différents. La tristesse était induite grâce au visionnement passif d’extraits d’un film triste. Les résultats suggèrent que les deux polymorphismes ont un impact sur les activations cérébrales associées à la tristesse. Spécifiquement, les enfants porteurs des allèles associés à un plus grand risque de développer un trouble dépressif majeur, soit les porteurs de l’allèle court du 5-HTTLPR et les individus homozygotes pour l’allèle T du rs4675690, ont présenté des activations cérébrales altérées dans des régions qui sont impliquées dans la tristesse normale et pathologique. Le Chapitre 4 présente la mise en perspective des résultats dans le cadre de la littérature actuelle. / Recent technological advances allow us to study the impact of genes on the specific cerebral correlates of psychopathologies. In accordance with this new specific area of research, the present thesis describes the impact of the 5-HTTLPR and the rs4675690 - two polymorphisms who seem to play a role in major depressive disorder - on the neural correlates of the subjective experience of sadness in children. Following a review of the literature (Chapter 1), the two studies included in this thesis will be described (Chapter 2 and 3). These functional magnetic resonance imaging studies aimed to compare the activation pattern – during a transient state of sadness - in children of 8 years old carriers of different alleles. Sadness was induced by the passive viewing of sad film extracts. The results suggest that both polymorphisms have an impact on the cerebral activation associated with sadness. Specifically, children who were carriers of the allele associated with greater risk to develop major depressive disorder - carriers of the short allele of the 5-HTTLPR and homozygote for the T allele of the rs4675690) - showed altered cerebral activations in regions known to be implicated in normal and pathological sadness. Chapter 4 present an integration of the result to the current literature.

Des études récentes ont montré que le noyau caudé interagissait avec le cortex préfrontal et qu’il pourrait être impliqué dans les fonctions exécutives. Le but de cette thèse était d’étudier la contribution du noyau caudé dans les fonctions exécutives, plus précisément dans des tâches de monitoring et de changement de règle, et d’observer comment ces régions fronto-striatales interagissent avec le réseau par défaut (RPD). Dans un premier temps, nous avons étudié le rôle du noyau caudé dans les deux types de monitoring : le monitoring d’origine interne, consistant à effectuer un suivi sur l’état de l’information en mémoire de travail afin de pouvoir faire un choix subséquent, et dans le monitoring d’origine externe où le suivi sur l’état des items est effectué par l’individu, mais la sélection est exécutée par une source externe. Il a été montré que le cortex préfrontal dorsolatéral (CPFDL) est impliqué dans les deux types de monitoring. À l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), nos résultats ont montré une augmentation significative du signal BOLD au niveau du CPFDL dans les contrastes des conditions de monitoring d’origine interne et monitoring d’origine externe par rapport à la condition contrôle. De manière plus importante, une augmentation significative de l’activité a été observée dans le noyau caudé seulement dans les soustractions impliquant le monitoring d’origine interne par rapport à la condition contrôle, et par rapport à la condition de monitoring d’origine externe. En deuxième lieu, des études ont montré une contribution spécifique des régions fronto-striatales dans l’exécution d’un changement de règle. Toutefois, l’effet d’un changement de règle sur l’activité cérébrale n’a jamais été étudié sur les essais subséquents. À l’aide de l’IRMf, le cortex préfrontal ventrolatéral (CPFVL) et le noyau caudé ont montré une augmentation significative de leur activité lors des changements de règle continus et lors des changements de règles sporadiques par rapport à la condition contrôle, et aussi lors des essais où le maintien d’une même règle devait être effectué pour une courte durée par opposition au contrôle. Cependant, aucune activité fronto-striatale n’a été observée lorsqu’une même règle devait être appliquée pour une plus longue période. De plus, une diminution significative de l’activité du noyau caudé a été observée lors de la répétition de l’exécution d’une même règle suggérant une meilleure intégration de cette dernière. Finalement, plusieurs études ont montré une déactivation du RPD lors de l’exécution de tâches. À l’aide de l’IRMf, nous avons posé l’hypothèse que le RPD serait corrélé négativement avec les régions fronto-striatales lors de l’exécution d’une tâche de changement de règle. Nos résultats montrent une augmentation significative de l’activité des régions fronto-striatales lors d’une augmentation du nombre d’essais de changement de règle consécutif, pendant que le RPD montre une déactivation continue. De façon intéressante, pendant que les régions fronto-striatales montrent une diminution de leur activité lors de l’exécution d’une même règle pour une longue période, le RPD augmente son activité de façon significative. On conclut donc que le noyau caudé joue un rôle important dans la planification d’une nouvelle action lorsque plusieurs possibilités doivent être considérées en mémoire de travail, et ce en même temps. Finalement, le RPD montre une corrélation négative avec les régions fronto-striatales suggérant sa participation dans l’intégration d’une tâche devenant de plus en plus familière. / Recent studies have shown that the caudate nucleus interacts with the prefrontal cortex, and that it is involved in executive processes. The goal of the thesis was to investigate the role of the caudate nucleus in executive processes, and to observe how the frontostriatal regions are interacting with the default mode network (DMN). Firstly, we studied the role of the caudate nucleus in self-ordered monitoring, which consist of keeping track of which stimuli have been selected and which remains to be selected, and externally-triggered monitoring, which refers to keeping track of one’s selection when an external source is performing the selection. It has been shown that de dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) was particularly involved in both types of monitoring. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), a significant increase of activity has been observed in the DLPFC during both monitoring conditions vs control condition. Importantly, significant increased activity in the caudate nucleus was observed only in subtractions involving self-ordered monitoring (the self-ordered vs control and self-ordered vs externally-triggered conditions). Secondly, previous studies have shown a specific contribution of frontostriatal regions during set-shifting. However, the effect of set-shifting on subsequent trials had yet to be determined. Using fMRI, significant increase of activity was observed in the ventrolateral prefrontal cortex (VLPFC) and the caudate nucleus during shifting trials versus control and in trials where the same rule was applied for a few trials before a set-shift occurred. However, no frontostriatal activity was observed when the same rule was applied for a longer period. Decreased activity in the caudate nucleus correlated with increasing trial position in trials where no set-shift occurred, suggesting that the more a rule is executed, the better it is established. Finally, several studies have shown a deactivation of the DMN during the execution of a goal-directed task. Using fMRI, we hypothesized that the DMN was negatively correlated with the frontostriatal regions during the execution of a set-shifting task. Our results showed a significant increase of activity in the frontostriatal regions as more set-shifts are being performed while the DMN gets more deactivated. Interestingly, as decreased activity was observed in the frontostriatal regions during the execution of the same rule for a long period, the DMN showed increasing activity. We concluded that the caudate nucleus is specifically involved during the planning of a novel action when several possibilities are available at the same time. Finally, the DMN shows a negative correlation with the frontostriatal regions suggesting its contribution to the execution of a more familiar task.

La mentalisation, ou la capacité d’élaborer des hypothèses sur les états mentaux d’autrui, a fait l’objet de nombreuses études durant les 20 dernières années dans le champ des neurosciences sociales. Toutefois, les bases neurales de cette fonction particulièrement complexe restent mal comprises, notamment en termes de connectivité structurale. Récemment, une organisation anatomo-fonctionnelle en double voie a été proposée. Selon ce modèle, les aspects réflexifs, inférentiels, de la mentalisation seraient sous-tendus par le faisceau cingulaire. Les aspects préréflexifs, identificatoires, seraient médiés, quant à eux, par le complexe faisceau arqué/partie latérale du faisceau longitudinal supérieur (FLS). L’objectif général de ce travail est d’apporter des données originales sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du réseau neural impliqué dans la mentalisation basée sur les visages. Pour ce faire, nous avons utilisé comme modèle physiopathologique d’étude le gliome diffus de bas grade. Cette tumeur cérébrale primitive s’avère particulièrement intéressante pour l’étude du rôle de la substance blanche dans la cognition et ce pour deux raisons : (i) les cellules tumorales se propagent préférentiellement le long des fibres blanches ; (ii) l’exérèse chirurgicale est souvent réalisée en condition éveillée avec cartographie fonctionnelle peropératoire pour permettre d’identifier, et ainsi de préserver, les structures fonctionnelles, notamment de substance blanche.Dans une première étude, grâce aux stimulations électriques peropératoires, nous avons pu identifier un vaste réseau cortico-sous-cortical impliqué dans la mentalisation. L’analyse des déconnexions induites par les stimulations de la substance blanche nous a permis de mettre clairement en évidence, et ce pour la première fois, le rôle du faisceau occipito-frontal inférieur (FOFI) tout en confirmant celui du FLS. Dans une deuxième étude, en utilisant des techniques de cartographie lésionnelle chez des patients ayant été opérés, nous avons démontré que les troubles permanents, non compensables, de la mentalisation étaient expliqués par l’atteinte du faisceau arqué. Enfin, dans une dernière étude, en combinant l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle de repos (IRMfr) et les sites corticaux démasqués pendant la chirurgie, nous avons pu générer de véritables cartographies fonctionnelles du réseau cortical de la mentalisation, très similaires à celles observées en imagerie fonctionnelle classique.De façon générale, nos découvertes suggèrent que la mentalisation basée sur les visages reposerait sur l’intégrité d’au moins deux faisceaux associatifs de substance blanche. Elles permettent également de valider l’utilisation combinée de l’IRMfr et des stimulations corticales en tant qu’approche originale pour cartographier les réseaux neurocognitifs.En plus de ces considérations fondamentales, nos résultats ont des implications cliniques, notamment pour la cartographie fonctionnelle peropératoire. Ils permettent en outre de mieux comprendre les pathologies cérébrales caractérisées par un trouble de la mentalisation et une atteinte des voies de substance blanche. / Mentalizing, or the ability of human beings to make assumptions about other people’s mental states, has been the subject of many studies over the last 20 years. The neural bases and especially the white matter connectivity of this complex cognitive function is still poorly understood. Recently, an anatomo-functional organization into two neural pathways has been proposed. According to this model, it is assumed that the reflective, inferential aspects of mentalizing is underpinned by the cingulum. The reflexive, identificatory aspects of mentalizing are thought to be mediated, for their part, by the arcuate fascicle and the lateral part of the superior longitudinal fascicle. The main purpose of this scientific work is to provide original data on the anatomo-functional organization of the neural network involved in the face-based mentalizing. We used as a pathophysiological study model diffuse low-grade gliomas. These primary brain tumors are particularly interesting for the study of the functional role of the white matter for two reasons: (i) the tumor cells propagate preferentially along the white matter fibers; (ii) the surgical resection is often performed in awake condition with intraoperative functional mapping to identify, and thus to preserve functional structures, including the white matter.In our first study, using intraoperative electrical stimulation, we were able to identify a large cortico-subcortical mentalizing network. The analysis of the disconnections induced by the stimulation of the white matter allowed us to clearly highlight, for the first time, the role of the inferior fronto-occipital fascicle. We also confirmed the already established role of the superior longitudinal fascicle in mentalizing. In a second study, using lesion mapping analyses in patients operated on for a diffuse low-grade glioma, we demonstrated that the long-term, non-compensatory mentalizing deficit was explained by the involvement of the arcuate fascicle. Finally, in a third study combining resting-state functional MRI and the cortical sites unmasked during surgery, we were able to identify a large cortical mentalizing networks, which were very similar to those identified by classical task-based functional imaging.In general, our findings suggest that the face-based mentalizing would require the integrity of at least two associative white matter fascicles. They also validate the combined use of resting-state functional MRI and direct cortical stimulations as an original approach to map neurocognitive networks.In addition to these fundamental considerations, our results have also clinical implications, especially regarding the intraoperative functional mapping. They also provide a better understanding of brain pathologies characterized by both mentalizing deficit and white matter impairment.

Le but de ce travail de thèse a été de caractériser in vivo chez l’Homme, la connectivité cérébrale sur son versant fonctionnel, par le biais de deux techniques: la stéréoélectroencéphalographie (SEEG) et l’IRM fonctionnelle (IRMf) de repos. Ces travaux se sont intégrés dans le cadre du bilan préchirurgical des épilepsies du lobe temporal pharmacorésistantes, dont le but est de déterminer la zone épileptogène à réséquer pour traiter ces patients. Alors que plusieurs études en électrophysiologie ont montré que durant les crises, il existait une synchronisation anormalement élevée entre les structures impliquées dans les processus épileptogènes, aucune donnée de connectivité n’était disponible en période intercritique. Pourtant, la période intercritique est le siège d’anomalies interictales enregistrées en EEG, de profonds remaniements morphologiques, et est associée à des troubles cognitifs. Nous apportons avec ce travail, grâce au recueil et au traitement de signaux SEEG et IRMf enregistrés durant la période intercritique, de nouvelles connaissances i) sur l’organisation de la connectivité fonctionnelle basale (CFB) chez les sujets sains ; ii) sur les altérations de la CFB chez des groupes de patients mais également au niveau individuel ; iii) sur le rapport entre ces anomalies de CFB et les troubles cognitifs observés chez ces patients ; iv) enfin, sur les différences et les similitudes de la CFB évaluée par SEEG et IRMf chez les mêmes sujets, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives dans la compréhension des relations entre le signal BOLD et le signal EEG. / The aim of this thesis was to characterize the Human brain functional connectivity in vivo based on signals recorded using stereoelectroencephalography (SEEG) and resting-state functional MRI (fMRI). This work was conducted during the presurgical assessment of drug resistant temporal lobe epilepsy, which aims at determining the epileptogenic zone to be removed to treat these patients. While several electrophysiological studies have shown high synchronization between structures involved in the epileptogenic process during seizure, no similar connectivity data was available during inter-critical period. However, the interictal period is characterized by spikes recorded on EEG, morphological alterations and cognitive impairment. By analyzing fMRI and SEEG signals recorded during the interictal period, this work provides new insights into, i) basal functional connectivity (BFC) organization in healthy subjects, ii) BFC alterations in patients groups but also at the individual level, iii) the relationship between these BFC abnormalities and cognitive impairment observed in these patients; iv) the differences and similarities of BFC evaluated by SEEG and fMRI in the same subjects, thus opening up new perspectives in better understanding of relationships between BOLD and SEEG signal coupling.

L'insula a longtemps été considérée essentiellement comme une partie du « cerveau viscéral » du fait de son rôle dans le traitement des réponses physiologiques et viscérales. Or, depuis l’avènement de l’imagerie cérébrale fonctionnelle, son implication dans divers aspects du fonctionnement neuropsychologique est devenue bien établie. De plus en plus d’études suggèrent que le cortex insulaire joue un rôle clé dans les circuits responsables de la prise de décision risquée. L’hypothèse des marqueurs somatiques suggère que les émotions influencent nos décisions aux moyens de changements physiologiques internes et viscéraux. Il a été proposé que l'insula participe à la prise de décision risquée en représentant les états somatiques de la situation chargée émotionnellement et en projetant ces informations au cortex préfrontal ventro-médian, constituant ainsi une structure clé dans les circuits responsables de la prise de décision. Les théories actuelles avancent que l’insula serait davantage impliquée dans la prise de risque lorsque l’individu fait face à une perte potentielle plutôt qu'à un gain. Toutefois, bien que plusieurs études supportent un rôle dans le processus décisionnel, la contribution spécifique du cortex insulaire demeure énigmatique. Les études qui composent cette thèse visent à mieux comprendre la façon dont l'insula participe à la prise de risque aux moyens de tâches neuropsychologiques de gambling qui permettent de simuler des situations de prise de décision de la vie quotidienne. La première étude neurocomportementale examine les conséquences d’une résection au cortex insulaire sur la capacité à prendre des décisions face à un risque potentiel, chez des patients épileptiques réfractaires à la médication qui ont subi une résection unilatérale de cette région. Leurs performances à deux tâches de gambling sont comparées à celles d’un groupe de patients ayant subi une chirurgie de l'épilepsie du lobe temporal (épargnant l’insula) et d’un groupe d’individus contrôles en santé. Les résultats mettent en évidence une altération du patron de prise de risque chez les patients avec résection insulaire, qui se traduit par une difficulté à ajuster leur choix en fonction de la valeur attendue (EV) (c’est-à-dire le ratio entre la magnitude et les probabilités des résultats possibles) de l’option risquée en condition de perte. Cette étude appuie l’idée selon laquelle la prise de décision risquée implique différents processus neuronaux selon si le risque implique un gain ou une perte potentielle. La seconde visée de cette thèse porte sur l’évaluation spécifique de la valence, de l’ampleur, de la probabilité et de l’EV de l’option risquée à l’activité insulaire au cours d’une prise de décision. Au moyen de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle, l’activité cérébrale d’individus en santé a été enregistrée, alors qu’ils complétaient une tâche de jeu de hasard. Les résultats de l’étude suggèrent un rôle prédominant de l’insula dans l’ajustement des décisions risquées en fonction de l’EV. De plus, l’activité de l’insula pendant la prise de décision était influencée par la sensibilité à la punition des participants. En somme, les données de cette thèse contribuent à une meilleure compréhension du rôle spécifique de l’insula à la prise de décision risquée et conduisent à une réflexion sur l’évaluation neuropsychologique des atteintes insulaires. / The insula has long been considered primarily as part of the « visceral brain » because of its role in the treatment of physiological and visceral responses. However, since the advent of functional brain imaging, its involvement in various aspects of neuropsychological functioning has become well established. More and more studies suggest that the insular cortex plays a key role in the circuits responsible for risky decision-making. The somatic marker hypothesis suggests that emotions influence our decisions by means of internal and visceral physiological changes. It has been proposed that the insula participates in risky decision-making by representing the somatic states of the emotionally charged situation and projecting this information to the ventromedian prefrontal cortex, thus constituting a key structure in the circuits responsible for decision. Current theories argue that the insula would be more involved in risk taking when the individual faces a potential loss rather than a gain. However, although several studies support a role in the decision-making process, the specific contribution of the insular cortex remains enigmatic. The studies that make up this thesis aim to better understand how the insula participates in risk taking with neuropsychological tasks of gambling that can simulate decision-making situations of everyday life. The first neurobehavioral study examines the consequences of insular cortex resections on the ability to make decisions about potential risk in drug-refractory epileptic patients who have undergone unilateral resection of this region. Their performance in two gambling tasks is compared to a group of patients who had surgery for temporal lobe epilepsy (sparing the insula) and a group of healthy control. The results highlight an alteration of risk taking in patients with insular resection, which results in difficulty in adjusting their choice according to the expected value (EV) (i.e. the ratio between the magnitude and probabilities of possible outcomes) of the risky option in the loss condition. This study supports the idea that risky decision making involves different neural processes depending on whether the risk involves a potential gain or loss. The second aim of this thesis deals with the specific assessment of the valence, magnitude, probability and EV of the risky option to insula activity during a decision-making process. Using functional magnetic resonance imaging, the brain activity of healthy individuals was recorded as they completed a gambling task. The results of the study suggest a predominant role of the insula in adjusting risky decisions based on EV. In addition, the activity of the insular cortex during decision-making was influenced by the participants' sensitivity to punishment. In sum, the data from this thesis contribute to a better understanding of the specific role of the insula in risky decision-making and lead to a reflection on the neuropsychological evaluation of insular lesions.

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L’expression faciale est un vecteur de communication important dans l’expérience de douleur. Cependant, les corrélats neuronaux associés à cette manifestation de la douleur demeurent peu investigués. Le but de ce mémoire était de développer un modèle neurobiologique permettant de prédire l’expression faciale évoquée par des stimuli douloureux afin d’approfondir nos connaissances sur les mécanismes cérébraux de la douleur et de la communication non verbale. La signature cérébrale de l’expression faciale de la douleur a été élaborée sur un jeu de données d’IRMf acquis chez des adultes en santé en utilisant des algorithmes d’apprentissage machine pour prédire des scores d’expression faciale évoquée par des stimulations douloureuses phasiques (c.-à-d. de courtes stimulations) à l’échelle de la population. Les résultats suggèrent qu’il est possible de prédire ces réponses faciales à partir d’un patron d’activation multivoxels. Cette signature cérébrale se distingue, du moins partiellement, de signatures cérébrales prédictives de l’intensité et du caractère déplaisant de la douleur rapportée et de la valeur future de la douleur. Bien que d’autres études soient nécessaires pour examiner la spécificité et la généralisabilité de la signature cérébrale de l’expression faciale de la douleur, ce mémoire souligne l’existence d’une représentation cérébrale spatialement distribuée prédictive des réponses faciales en lien avec la douleur, et suggère l’importance de cette mesure comportementale dans l’expérience de la douleur comme étant complémentaire aux mesures autorapportées de l’intensité perçue. / Facial expression is an important communication vector in the experience of pain. However, the neural correlates associated with this manifestation of pain remain relatively unexplored. The goal of this thesis was to develop a neurobiological model to predict facial expression evoked by painful stimuli in order to expand our knowledge of the brain mechanisms of pain and non-verbal communication. The brain signature of facial expressions of pain was developed on a dataset including healthy adults using machine learning algorithms to predict facial expression scores evoked by phasic painful stimuli (i.e., short stimulation) at the population level. The results suggest that it is possible to predict the facial expression of pain from a multivoxel activation pattern. This brain signature of facial pain expression is at least partially distinct from other brain signatures predictive of reported pain intensity and unpleasantness, and future pain value. Although further studies are needed to examine the specificity and generalizability of the brain signature of facial expression of pain, this master thesis highlights the existence of a spatially distributed brain representation predictive of pain-related facial responses, and suggests the importance of this behavioural measure in the experience of pain as complementary to self-reported measures of pain intensity.

L’aphasie est un trouble acquis du langage entraînant des problèmes de communication pouvant toucher la compréhension et/ou l’expression. Lorsque l’aphasie fait suite à un accident vasculaire cérébral, une régression des déficits communicatifs s'observe initialement, mais elle peut demeurer sévère pour certains et est considérée chronique après un an. Par ailleurs, l’aphasie peut aussi être observée dans l’aphasie progressive primaire, une maladie dégénérative affectant uniquement le langage dans les premières années. Un nombre grandissant d’études s’intéressent à l’impact de la thérapie dans l’aphasie chronique et ont démontré des améliorations langagières après plusieurs années. L’hémisphère gauche semble avoir un rôle crucial et est associé à de meilleures améliorations langagières, mais la compréhension des mécanismes de plasticité cérébrale est encore embryonnaire. Or, l’efficacité de la thérapie dans l’aphasie progressive primaire est peu étudiée. À l’aide de la résonance magnétique fonctionnelle, le but des présentes études consiste à examiner les mécanismes de plasticité cérébrale induits par la thérapie Semantic Feature Analysis auprès de dix personnes souffrant d’aphasie chronique et d’une personne souffrant d’aphasie progressive primaire. Les résultats suggèrent que le cerveau peut se réorganiser plusieurs années après une lésion cérébrale ainsi que dans une maladie dégénérative. Au niveau individuel, une meilleure amélioration langagière est associée au recrutement de l’hémisphère gauche ainsi qu’une concentration des activations. Les analyses de groupe mettent en évidence le recrutement du lobule pariétal inférieur gauche, alors que l’activation du gyrus précentral gauche prédit l’amélioration suite à la thérapie. D’autre part, les analyses de connectivité fonctionnelle ont permis d’identifier pour la première fois le réseau par défaut dans l’aphasie. Suite à la thérapie, l’intégration de ce réseau bien connu est comparable à celle des contrôles et les analyses de corrélation suggèrent que l’intégration du réseau par défaut a une valeur prédictive d’amélioration. Donc, les résultats de ces études appuient l’idée que l’hémisphère gauche a un rôle prépondérant dans la récupération de l’aphasie et fournissent des données probantes sur la neuroplasticité induite par une thérapie spécifique du langage dans l’aphasie. De plus, l’identification d’aires clés et de réseaux guideront de futures recherches afin d’éventuellement maximiser la récupération de l’aphasie et permettre de mieux prédire le pronostic. / Aphasia is an acquired language impairment leading to communication disorders which may affect comprehension and/or expression. When aphasia follows a stroke, major recovery of the communicative deficits is initially observed after the lesion, but for some the aphasia may remain severe and is considered to be chronic after a year. Furthermore aphasia can be observed in primary progressive aphasia, a degenerative disease only affecting language in the early years. The impact of therapy in chronic aphasia is the subject of growing literature in recent years and has shown language improvements after several years of therapy. The left hemisphere seems to have a crucial role and is associated with greater language improvements but our understanding of brain plasticity mechanisms is still lacking. In primary progressive aphasia, few studies have examined therapy effectiveness. Using functional magnetic resonance imaging, the aim of these studies was to examine therapy-induced brain plasticity mechanisms following Semantic Feature Analysis in ten participants suffering from chronic aphasia and one participant with primary progressive aphasia. The results suggest that brain reorganization is possible several years after injury and in degenerative disease. At the individual level, greater language improvement is associated with the recruitment of the left hemisphere and less activated areas. Group analysis shows the recruitment of left inferior parietal lobule, whereas the activation of left precentral gyrus predicts improved response to therapy. Functional connectivity analysis allowed for the first time the identification of the default-mode network in aphasia. Following therapy, the integration of this well-known network is comparable to that of the controls and the correlation analysis suggests that the default-mode network integration has a predictive value for improvement. Therefore, the results of these studies support the idea that the left hemisphere has a major role in the recovery of aphasia and provide evidence on therapy-induced neuroplasticity in aphasia. In addition, the identification of key areas and networks will guide future research in order to possibly maximize the recovery of aphasia and to better predict the prognosis.

Le maintien de performances cognitives optimales au cours du vieillissement a été associé à des changements adaptatifs au niveau de l’activité cérébrale relative à diverses habiletés qui tendent à décliner avec l’âge. Peu d’études ont toutefois évalué cette réorganisation neurofonctionnelle dans le cadre des habiletés de communication, notamment en ce qui concerne le langage expressif. Or, considérant que plusieurs composantes langagières demeurent généralement intègres chez les aînés, il s’avère nécessaire d’explorer davantage les mécanismes cérébraux sous-jacents afin de mieux cerner les déterminants du vieillissement cognitif réussi. L’objectif de la présente thèse est d’examiner en détail les effets de l’âge sur les patrons d’activations et les interactions fonctionnelles entre les substrats neuraux contribuant aux habiletés de communication expressive. Deux études en neuroimagerie fonctionnelle, ayant recours à des approches méthodologiques distinctes, ont ainsi été menées à l’aide d’un paradigme mixte novateur et d’une tâche auto-rythmée d’évocation lexicale sémantique et orthographique, effectuée par des participants jeunes et âgés présentant plusieurs années de scolarisation. S’intéressant spécifiquement aux patrons d’activations associés à un rendement élevé à cette tâche, la première étude révèle que le maintien des habiletés d’évocation lexicale lors du vieillissement s’accompagne de changements neurofonctionnels superficiels chez les adultes âgés performants. Par contre, la seconde étude indique que les interactions fonctionnelles entre les régions corticales contribuant aux productions lexicales déclinent considérablement avec l’âge, sans qu’il y ait toutefois d’impact au plan comportemental. Cet effet du vieillissement sur l’intégration fonctionnelle du réseau de l’évocation sémantique et orthographique est aussi exacerbé par la difficulté de la tâche, ce qui s’exprime par des perturbations locales de la connectivité fonctionnelle. Somme toute, cette thèse démontre qu’une réorganisation neurofonctionnelle afin de maintenir les habiletés d’évocation lexicale au cours du vieillissement s’avère superflue chez les adultes âgés instruits et performants, et ce, malgré une diminution des interactions fonctionnelles au sein des réseaux corticaux sous-jacents. Ces résultats reflètent possiblement une perte d’efficience neurale avec l’âge, toutefois insuffisante pour avoir un impact comportemental chez des individus bénéficiant de facteurs de protection susceptibles de favoriser le vieillissement réussi, ce qui est discuté à la lumière du concept de réserve cognitive. / The maintenance of optimal cognitive performance in aging has been associated with adaptive changes in cerebral activation patterns for various abilities that tend to decline with age. Yet, few studies have investigated this neurofunctional reorganization based on communication abilities, particularly with regard to the expressive side of language. Considering that a number of language components usually remain well preserved in older adults, it is, however, necessary to further explore the underlying cerebral mechanisms to better understand the determinants of successful cognitive aging. The objective of this thesis is to examine in detail the effects of aging on activation patterns and functional interactions among neural substrates contributing to expressive communication abilities. Two functional neuroimaging studies, using distinct methodological approaches, have been conducted by means of an innovative mixed design and an overt self-paced semantic and orthographic verbal fluency task, performed by well-educated young and older adults. Specifically focusing of cerebral activation patterns associated with high levels of verbal fluency performance, the first study shows that the relative preservation of lexical speech production abilities in aging is characterized by marginal neurofunctional changes in high-performing older adults. Yet, the second study indicates that functional interactions between cortical areas contributing to speech productions significantly decrease with age, without, however, having an impact at the behavioral level. In addition, this effect of aging on the functional integration of the network engaged during semantic and orthographic verbal fluency was found to be exacerbated by task demands, which is expressed by local functional connectivity disruptions. In sum, this thesis demonstrates that a neurofunctional reorganization to maintain lexical speech production abilities in aging is unnecessary in well-educated and high-performing older adults, despite an age-related decrease in functional networks integration. These results may reflect a loss of neural efficiency with age, although insufficient to have behavioral outcomes in individuals who benefited from protective factors known to promote successful aging, which is discussed in light of the concept of cognitive reserve.