La sclérose en plaques est la maladie non tumorale du système nerveux la plus fréquente du sujet jeune. Elle est définie comme une atteinte démyélinisante inflammatoire multifocale et chronique de la substance blanche du système nerveux central d’origine dysimmunitaire. Le handicap moteur est l’un des risques évolutifs principaux de cette maladie. Mieux caractériser les mécanismes du dysfonctionnement du système moteur (atteinte de la voie motrice centrale efférente, altération du réseau moteur cortical à l’origine du mouvement) de même que les mécanismes compensatoires qui le limitent est un enjeu important dans la compréhension et la prévention de l’apparition du handicap. L’étude de ces mécanismes au stade précoce de la maladie permet de mieux comprendre les liens entre l’atteinte tissulaire, les mécanismes de compensation et les conséquences fonctionnelles. Nos travaux ont permis au stade précoce de la SEP de mieux caractériser l’atteinte fonctionnelle de la voie motrice centrale, de montrer l’influence de l’atteinte encéphalique diffuse sur la réorganisation corticale du système moteur et enfin de démontrer l’existence d’une plasticité cérébrale fonctionnelle basale du réseau moteur non dominant corrélée avec les changements d’activation observés lors du mouvement au sein du même réseau. / Multiple sclerosis (MS) is a chronic inflammatory demyelinating disorder of the central nervous system which is frequently responsible for motor disability. Better assessment of pathophysiological process implicated in motor system dysfunction (cortico-spinal tract or more diffuse tissue damage) as well as the compensatory mechanises are critical in the understanding and the prevention of disability. Their study in the early stage of the disease will allow to a better understanding of the links between tissue injury, compensatory mechanisms and functional consequences. We have better characterized functional dysfunction of the central motor pathway at the early stage of multiple sclerosis. We have also evidenced the influence of diffuse brain injury on functional motor cortical reorganization. Last, we have demonstrated the existence of a basal functional plasticity at rest of the nondominant motor network that is correlated with its functional plasticity during action.

Malgré le développement de nouvelles générations d’antipsychotiques, certains symptômes schizophréniques ne répondent pas à ces traitements. S’appuyant sur des hypothèses physiopathologiques sous tendant ces symptômes, de nouvelles thérapeutiques comme la thérapie de remédiation cognitive et les techniques de neurostimulation externe ont été développées. Cette approche était restée essentiellement clinique. Dans ce travail, l’étude en imagerie des mécanismes biologiques sous tendant les effets bénéfiques de ces thérapeutiques non pharmacologiques nous a permis de tester des hypothèses physiopathologiques. L’IRM fonctionnelle (IRMf) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) ont été utilisées pour rechercher les effets d’une thérapie de remédiation cognitive (TRC), de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de la stimulation électrique transcrânienne en courant continu (tDCS). Nous avons mis en évidence (1) que la TRC modifie les activations cérébrales durant une tâche de mémoire de travail chez des patients schizophrènes (2) que la TMS modifie la biochimie cérébrale de la zone stimulée et de régions cérébrales profondes chez un patient schizophrène, (3) que la tDCS modifie les réseaux de connectivité fonctionnelle d’une tâche de repos chez des volontaires sains / Despite the development of new generation antipsychotic drugs, some symptoms of schizophrenia do not respond to these treatments. Based on the pathophysiological hypothesis underlying these symptoms, new therapies such as cognitive remediation therapy and neurostimulation techniques have been developed. This approach remained essentially clinical. In this work, the study of biological mechanisms tending benefits of these non-pharmacological treatment has allowed us to test these pathophysiological hypotheses. Functional MRI (fMRI) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) were used to investigate the effects of cognitive remediation therapy (CRT), transcranial magnetic stimulation (TMS) and transcranial direct current stimulation (tDCS). We demonstrated (1) that CRT modifies cerebral activations during a working memory task in patients with schizophrenia, (2) that TMS modifies brain biochemistry of the stimulated area and of deep brain regions in a patient with schizophrenia and (3) that tDCS modifies the functional connectivity in resting state networks of healthy volunteers

La faiblesse des muscles périphériques, définie par une diminution de la force maximale volontaire en dehors de tout état de fatigue neuromusculaire, est une complication fréquente de la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO). La force maximale volontaire dépend à la fois des propriétés musculaires périphériques (i.e. volume et architecture musculaire, qualités contractiles) et de la capacité du système nerveux à activer le muscle maximalement. Dans la BPCO, plusieurs travaux ont souligné l'existence paradoxale d'une perte de force maximale volontaire sans altérations musculaires périphériques et sans qu'un déficit d'activation volontaire n'ait clairement été identifié. Pourtant, les patients atteints de BPCO présentent de nombreuses altérations du système nerveux, compatibles avec une capacité d'activation volontaire altérée.L'objectif de ce travail de thèse était donc de tester l'implication du système nerveux dans la faiblesse musculaire de la BPCO et d'en déterminer les mécanismes sous-jacents. Au cours de nos travaux, nous avons mis en évidence une activité corticale diminuée dans la BPCO lors de contractions maximales et sous-maximales volontaires. Nous avons par ailleurs rapporté une perte d'excitabilité du cortex moteur et un déficit d'activation volontaire spécifique aux patients atteints de faiblesse musculaire. Ces résultats sont en accord avec une implication des altérations cérébrales dans la faiblesse musculaire périphérique de la BPCO. Nous sommes ensuite parvenus à identifier une origine potentielle des altérations cérébrales : les désaturations en O2 au cours du sommeil avec mouvements non-rapides des yeux (NREM). Cette hypothèse a été corroborée par l'observation d'un niveau d'activation volontaire réduit chez les patients désatureurs en sommeil NREM. En revanche, aucune répercussion significative n'a pu être observée sur la force maximale volontaire de ces patients, suggérant l'existence d'un mécanisme compensatoire. In fine, nos résultats constituent une avancée importante dans la compréhension du phénomène de faiblesse musculaire, classiquement attribué à la seule perte de masse musculaire. L'implication du système nerveux central dans la faiblesse musculaire ouvre notamment la voie à de nouvelles modalités de prise en charge par des approches spécifiques, dans l'optique de lutter contre la faiblesse musculaire et ses multiples répercussions négatives dans la vie du patient atteint de BPCO. / Peripheral muscle weakness, as defined by a reduced voluntary strength outside any state of neuromuscular fatigue, is a common complication of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Maximal voluntary strength is determined by both peripheral muscle properties (i.e. muscle volume and architecture, contractile quality) and the nervous system's ability to activate the muscle maximally. In COPD, many studies highlighted the paradoxical existence of maximal voluntary strength loss without any peripheral muscle impairment, and without a clearly identified voluntary activation deficit. However, patients with COPD exhibited several nervous system alterations compatible with a reduced maximal voluntary activation capacity. The aim of this thesis was to test the nervous system implication in COPD muscle weakness and to determine the involved mechanisms. As major results, we found a reduced cortical activity in COPD during maximal and sub-maximal voluntary contractions. Furthermore, we reported reduced motor cortex excitability and voluntary activation deficit, specifically in patients with muscle weakness. These results are in accordance with an involvement of cortical alterations in COPD muscle weakness. Then, we indentified a potential origin for cortical alterations: O2 desaturation during non-rapid eye movement (NREM) sleep. This hypothesis has been corroborated by the observation of a reduced voluntary activation in patients with NREM sleep desaturation. However, no significant repercussion could have been observed on maximal voluntary strength in these patients, suggesting a compensatory mechanism.Our results are an important step forward in understanding the COPD muscle weakness that was classically attributed to loss of muscle mass only. The involvement of the central nervous system in COPD muscle weakness also brings about new patient care opportunities via tailored approaches, in order to fight against muscle weakness and its deleterious consequences on a patient's life.

La découverte dans le cerveau du singe macaque de cellules visuo-motrices qui répondent de façon identique à la production et la perception d’actes moteurs soutient l’idée que ces cellules, connues sous le nom de neurones-miroirs, encoderaient la représentation d’actes moteurs. Ces neurones, et le système qu’ils forment, constitueraient un système de compréhension moteur; par delà la simple représentation motrice, il est également possible que ce système participe à des processus de haut niveau en lien avec la cognition sociale. Chez l’humain adulte, des études d’imagerie récentes montrent d’importants chevauchements entre les patrons d’activité liés à l’exécution d’actes moteurs et ceux associés à la perception d’actions. Cependant, malgré le nombre important d’études sur ce système de résonance motrice, étonnamment peu se sont penchées sur les aspects développementaux de ce mécanisme, de même que sa relation avec certaines habiletés sociales dans la population neurotypique. De plus, malgré l’utilisation répandue de certaines techniques neurophysiologiques pour quantifier l’activité de ce système, notamment l’électroencéphalographie et la stimulation magnétique transcrânienne, on ignore en grande partie la spécificité et la convergence de ces mesures dans l’étude des processus de résonance motrice. Les études rassemblées ici visent à combler ces lacunes, c'est-à-dire (1) définir l’existence et les propriétés fonctionnelles du système de résonance motrice chez l’enfant humain, (2) établir le lien entre ce système et certaines habiletés sociales spécifiques et (3) déterminer la validité des outils d’investigation couramment utilisés pour mesurer son activité. Dans l’article 1, l’électroencéphalographie quantitative est utilisée afin de mesurer l’activité des régions sensorimotrices chez un groupe d’enfants d’âge scolaire durant la perception d’actions de la main. On y démontre une modulation de l’activité du rythme mu aux sites centraux non seulement lors de l’exécution de tâches motrices, mais également lors de l’observation passive d’actions. Ces résultats soutiennent l’hypothèse de l’existence d’un système de résonance motrice sensible aux représentations visuelles d’actes moteurs dans le cerveau immature. L’article 2 constitue une étude de cas réalisée chez une jeune fille de 12 ans opérée pour épilepsie réfractaire aux médicaments. L’électroencéphalographie intracrânienne est utilisée afin d’évaluer le recrutement du cortex moteur lors de la perception de sons d’actions. On y montre une modulation de l’activité du cortex moteur, visible dans deux périodes distinctes, qui se reflètent par une diminution de la puissance spectrale des fréquences beta et alpha. Ces résultats soutiennent l’hypothèse de l’existence d’un système de résonance motrice sensible aux représentations auditives d’actions chez l’enfant. L’article 3 constitue une recension des écrits portant sur les données comportementales et neurophysiologiques qui suggèrent la présence d’un système de compréhension d’action fonctionnel dès la naissance. On y propose un modèle théorique où les comportements d’imitation néonataux sont vus comme la résultante de mécanismes d’appariement moteurs non inhibés. Afin de mesurer adéquatement la présence de traits empathiques et autistique dans le but de les mettre en relation avec l’activité du système de résonance motrice, l’article 4 consiste en une validation de versions françaises des échelles Empathy Quotient (Baron-Cohen & Wheelwright, 2004) et Autism Spectrum Quotient (Baron-Cohen et al., 2001) qui seront utilisées dans l’article 5. Les versions traduites de ces échelles ont été administrées à 100 individus sains et 23 personnes avec un trouble du spectre autistique. Les résultats répliquent fidèlement ceux obtenus avec les questionnaires en version anglaise, ce qui suggère la validité des versions françaises. Dans l’article 5, on utilise la stimulation magnétique transcrânienne afin d’investiguer le décours temporel de l’activité du cortex moteur durant la perception d’action et le lien de cette activité avec la présence de traits autistiques et empathiques chez des individus normaux. On y montre que le cortex moteur est rapidement activé suivant la perception d’un mouvement moteur, et que cette activité est corrélée avec les mesures sociocognitives utilisées. Ces résultats suggèrent l’existence d’un système d’appariement moteur rapide dans le cerveau humain dont l’activité est associée aux aptitudes sociales. L’article 6 porte sur la spécificité des outils d’investigation neurophysiologique utilisés dans les études précédentes : la stimulation magnétique transcrânienne et l’électroencéphalographie quantitative. En utilisant ces deux techniques simultanément lors d’observation, d’imagination et d’exécution d’actions, on montre qu’elles évaluent possiblement des processus distincts au sein du système de résonance motrice. En résumé, cette thèse vise à documenter l’existence d’un système de résonance motrice chez l’enfant, d’établir le lien entre son fonctionnement et certaines aptitudes sociales et d’évaluer la validité et la spécificité des outils utilisés pour mesurer l’activité au sein de ce système. Bien que des recherches subséquentes s’avèrent nécessaires afin de compléter le travail entamé ici, les études présentées constituent une avancée significative dans la compréhension du développement et du fonctionnement du système de résonance motrice, et pourraient éventuellement contribuer à l’élaboration d’outils diagnostiques et/ou de thérapeutiques chez des populations où des anomalies de ce système ont été répertoriées. / The discovery of cells in the macaque brain that respond both to action production and perception brings support to the hypothesis that these mirror-neurons (MN) code for the representation of action. These cells, and the system they form (the so-called mirror neuron system; MNS), appear to underlie action understanding by simulating the perceived action into the observer’s brain. Beyond simple action understanding, it has been suggested that this system contributes to higher-order processes related to social cognition. In human adults, recent imaging studies have shown important ovelaps in the activity patterns during both action production and execution, supporting the existence of a system similar to that shown in monkeys. However, surprisingly few studies have investigated the presence and the development of the MNS in the human child, and its relationship with socio-cognitive abilities in healthy individuals. Moreover, we still ignore the specificity of measures widely used to assess this system. The studies that follow aim at clarifying these issues. More specifically, the main objectives of this work are to : (1) establish the existence and the properties of motor resonance mechanisms in children; (2) clarify the relationship between activity of the MNS and social abilities in healthy individuals; and (3) determine the specificity of neurophysiological tools widely used to measure MNS activity in humans. In the first article, quantitative electroencephalography is used to assess the activity of sensorimotor regions in a group of school-age children during the observation of simple hand movements. We show a modulation of mu rhtyhm activity at central sites not only during motor production, but also during passive action observation. These results support the existence of an action-execution pairing system sensitive to visual actions in the immature brain. In the second article, we present an experiment conducted in a 12 year-old child undergoing presurgical monitoring for intractable epilepsy. Intracranial electroencephalography is used to assess motor cortex involvement in the perception of action-related sounds. We show a modulation of motor cortex activity at two distinct time-periods in the alpha and beta bands. These results suggest the presence of a motor matching system sensitive to auditory stimuli in the child’s brain. In the third article, we present an overview of behavioral and neurophysiological data supporting the idea that an action-understanding system is present from birth in humans. We propose a theoretical model whereby neonatal imitation is the result on an uninhibited motor resonance system. In order to adequatly measure the presence of empathic and autistic traits in healhy individuals to assess their link with motor resonance, article 4 consists of a french validation of questionnaires used in the fifth article, the Empathy Quotient (Baron-Cohen & Wheelwright, 2004) and the Autism Spectrum Quotient (Baron-Cohen et al., 2001). Translated versions of these scales were administered to 100 healthy adults and 23 individuals with autistic spectrum disorders. Our results replicate faithfully those obtained with the original version of the scales. In the fifth article, transcranial magnetic stimulation is used to assess the timecourse of motor cortex activity during action observation, as well as its relationship with empthic and autistic traits in healthy individuals. We show that the motor cortex is rapidly modulated following movement onset, and that its activity correlates with specific socio-cognitives measures. These results suggest the presence of a rapid mechanism taking place in the motor resonance system that is related to social ability. The sixth acticle aims at clarifying the specificity of the neurophysiological tools used in the preceeding studies to quantify MNS, namely transcranial magnetic stimulation and quantitative electroencephalography. Using both techniques simultaneously during action observation, imagination and execution, we show that these measures capture different aspects of motor resonance. In summary, this thesis aims at documenting the existence of a motor resonance mechanism in children, establishing the relationship between MNS activity and socio-cognitive traits and assessing the specificity of the measures used to quantify activity within this system. Although further studies are needed to complete the task begun here, these studies contribute significantly to our understanding of the development and function of motor resonance mechanism is humans. In the long run, they could contribute to the elaboration of diagnostic markers, and ultimately therapeutic targets, in clinical populations where abnormalities of this system have been documented.

Cette thèse vise à répondre à trois questions fondamentales: 1) La diminution de l’excitabilité corticospinale et le manque d’inhibition intracorticale observés suite à la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) du cortex moteur de la main atteinte de sujets hémiparétiques sont-ils aussi présents suite à la SMT du cortex moteur de la jambe atteinte? 2) Est-ce que les altérations dans l’excitabilité corticomotrice sont corrélées aux déficits et incapacités motrices des personnes ayant subi un accident vasculaire cérébral depuis plus de 6 mois? 3) La vibration musculaire, étant la source d’une forte afférence sensorielle, peut-elle moduler l’excitabilité corticomotrice et améliorer la performance motrice de ces personnes? Premièrement, afin d’appuyer notre choix d’intervention et d’évaluer le potentiel de la vibration mécanique locale pour favoriser la réadaptation des personnes ayant une atteinte neurologique, nous avons réalisé une révision en profondeur de ses applications et intérêts cliniques à partir d’informations trouvées dans la littérature scientifique (article 1). La quantité importante d’information sur les effets physiologiques de la vibration contraste avec la pauvreté des études qui ont évalué son effet thérapeutique. Nous avons trouvé que, malgré le manque d’études, les résultats sur son utilisation sont encourageants et positifs et aucun effet adverse n’a été rapporté. Dans les trois autres articles qui composent cette thèse, l’excitabilité des circuits corticospinaux et intracorticaux a été étudiée chez 27 sujets hémiparétiques et 20 sujets sains sans atteintes neurologiques. Les fonctions sensorimotrices ont aussi été évaluées par des tests cliniques valides et fidèles. Tel qu’observé à la main chez les sujets hémiparétiques, nous avons trouvé, par rapport aux sujets sains, une diminution de l’excitabilité corticospinale ainsi qu’un manque d’inhibition intracorticale suite à la SMT du cortex moteur de la jambe atteinte (article 2). Les sujets hémiparétiques ont également montré un manque de focus de la commande motrice lors de l’activation volontaire des fléchisseurs plantaires. Ceci était caractérisé par une augmentation de l’excitabilité nerveuse des muscles agonistes, mais aussi généralisée aux synergistes et même aux antagonistes. De plus, ces altérations ont été corrélées aux déficits moteurs au membre parétique. Le but principal de cette thèse était de tester les effets potentiels de la vibration des muscles de la main (article 3) et de la cuisse (article 4) sur les mécanismes neuronaux qui contrôlent ces muscles. Nous avons trouvé que la vibration augmente l’amplitude de la réponse motrice des muscles vibrés, même chez des personnes n’ayant pas de réponse motrice au repos ou lors d’une contraction volontaire. La vibration a également diminué l’inhibition intracorticale enregistrée au quadriceps parétique (muscle vibré). La diminution n’a cependant pas été significative au niveau de la main. Finalement, lors d’un devis d’investigation croisé, la vibration de la main ou de la jambe parétique a résulté en une amélioration spécifique de la dextérité manuelle ou de la coordination de la jambe, respectivement. Au membre inférieur, la vibration du quadriceps a également diminuée la spasticité des patients. Les résultats obtenus dans cette thèse sont très prometteurs pour la rééducation de la personne hémiparétique car avec une seule séance de vibration, nous avons obtenu des améliorations neurophysiologiques et cliniques. / This thesis aims to answer three basic questions: 1) Are the decrease in corticospinal excitability and the lack of intracortical inhibition observed following transcranial magnetic stimulation (TMS) of the affected hand motor cortex of stroke patients present after TMS of the affected leg motor cortex? 2) Are the alterations in corticomotor excitability correlated with motor impairments and disabilities of subjects who have suffered a stroke for over six months? 3) Can muscle vibration, as a source of strong sensory afference modulate corticomotor excitability and improve motor performance of these subjects? First of all, to support our choice of intervention and to assess the potential of local mechanical vibration to promote the recovery of persons with neurological impairment, we conducted a thorough review of its physiological effects and clinical applications in the scientific literature (article 1). The wealth of information on the physiological effects of vibration contrasts with the lack of studies that have evaluated its therapeutic effects. Nevertheless, we found that, despite the paucity of studies, the results on its clinical use are encouraging and positive and no adverse effects were reported. In the other three articles included in this thesis, the excitability of corticospinal and intracortical circuits has been studied in 27 hemiparetic patients and in 20 healthy subjects without neurological disease or injury. Sensorimotor functions were also evaluated with valid and reliable clinical tests. Similar to that observed in the hand of hemiparetic patients, we found, compared to the healthy subjects, a decrease of corticospinal excitability and a lack of intracortical inhibition following TMS of the affected leg motor cortex (Article 2). The hemiparetic patients also showed a lack of focus of the motor output during voluntary activation of plantar flexors. This was characterized by an increase in the neural excitability not only of the agonist muscles, but also of the synergists and even the antagonist muscles. The main goal of this thesis was to test the potential effects of vibrating hand (Article 3) and thigh (Article 4) muscles on the neural mechanisms that control these muscles. We found that vibration increases the amplitude of motor responses in the vibrated muscles and even produces a response in subjects with no motor response at rest or during a voluntary contraction. The vibration also decreased the intracortical inhibition recorded in the paretic quadriceps muscle (vibrated muscle). The decrease was however not significant at the hand. Finally, using a cross-over design study, the vibration of the paretic hand or leg resulted in specific improvements in hand dexterity or leg coordination, respectively. In the lower limb, quadriceps vibration also reduced the spasticity in patients. The results obtained in this thesis are very promising for stroke rehabilitation because with a single session of vibration, we obtained neurophysiological and clinical improvements.

Il a été suggéré que la similarité physique entre un observateur et une action observée facilite la perception et la compréhension d’action. Par exemple, l’observation d’un acteur exécutant des gestes de la main ayant une signification culturelle est associée à une augmentation de l’excitabilité corticospinale lorsque les deux individus sont de la même ethnicité (Molnar-Szakacs et al., 2007). La perception tactile serait également facilitée lorsqu’un individu regarde un modèle de sa propre race être touché (Serino et al., 2009), tandis que des études en imagerie cérébrale fonctionnelle suggèrent la présence d’activations plus importantes dans le cortex cingulaire lorsqu’un sujet observe une personne de son propre groupe racial ressentir de la douleur (Xu et al., 2009). Certaines études ont lié ces résultats à un mécanisme de résonance motrice, possiblement associé au système des neurones miroirs (SNM), suggérant que la représentation de l’action dans les aires motrices est facilitée par la similarité physique. Toutefois, la grande majorité des stimuli utilisés dans ces études comportent une composante émotionnelle ou culturelle pouvant masquer les effets purement moteurs liant la similarité physique à un mécanisme de résonance motrice. De plus, la sélectivité de l’activation du SNM face à des stimuli biologiques a récemment été remise en question en raison de biais méthodologiques. La présente thèse présente trois études visant à évaluer l’effet de la similarité physique et des caractéristiques biologiques d’un mouvement sur la résonance motrice à l’aide de mesures comportementales et neurophysiologiques. À cet effet, l’imitation automatique de mouvements de la main, l’excitabilité corticospinale et la désynchronisation du rythme électroencéphalographique mu ont servi de marqueurs de l’activité du SNM. Dans les trois études présentées, la couleur de la peau et l’aspect biologique du stimulus observé ou imité ont été systématiquement manipulés. Nos données confirment la sélectivité du SNM pour le mouvement biologique en démontrant une réponse imitative plus rapide et une désynchronisation du rythme mu plus prononcée lors de la présentation de stimuli biologiques comparativement à des stimuli non-biologiques répliquant les aspects physiques du mouvement humain. Les deux mêmes mesures montrent une réponse neurophysiologique et comportementale équivalente lorsque l’action est exécutée par un agent de couleur similaire ou dissimilaire au participant. Nous rapportons aussi un effet surprenant de la similarité physique sur l’excitabilité corticospinale, où l’observation d’une action exécutée par un agent de couleur différente est associée à une activation plus grande du cortex moteur primaire droit de participants de sexe féminin. Prises dans leur ensemble, ces données suggèrent que la similarité physique avec une action observée ne module généralement pas l’activité du SNM au niveau des aires sensorimotrices en l’absence de composantes culturelles et émotionnelles. De plus, les résultats présentés suggèrent que le SNM est sélectif au mouvement biologique plutôt qu’à l’aspect kinématique du mouvement. / It has been suggested that physical similarity with an observed model facilitates action perception and understanding. For example, increased corticospinal excitability is found in participants observing actors of their own ethnicity performing culture-specific hand movements (Molnar-Szakacs et al., 2007). Tactile perception is also said to be increased when individuals watch a model of the same race being touched (Serino et al., 2009). Moreover, imaging data suggest that stronger activations are observed in the cingulate cortex when a subject observes a person of their own race feeling pain (Xu et al., 2009). Some studies have linked these findings with a motor resonance mechanism, possibly associated with the mirror neuron system (MNS), suggesting that action representation in motor areas is facilitated by physical similarity. However, most of the observed stimuli in those studies include emotional or cultural components, which may blur the link between physical similarity and motor resonance per se. The present thesis is comprised of three studies that aimed at evaluating the effect of physical similarity on motor resonance using stimuli that are purely motor in nature. The effect of physical similarity on motor responses during action observation was assessed with behavioral and electrophysiological measures. To this end, imitation of simple finger movements, as well as corticospinal excitability and mu rhythm desynchronization during passive observation of simple finger movements was evaluated, using stimuli that were similar or dissimilar to the participant in terms of skin color. In line with previous results, observation of biological movement resulted in faster reaction times and greater mu desynchronization compared to non-biological movement. Physical similarity with the imitated or observed hand did not affect imitation speed or mu desynchronization. It did, however, have a surprising effect on corticospinal excitability, where the amplitude of transcranial magnetic stimulation-induced motor evoked potentials was greater in the right hemisphere of female participants observing hand movement executed by hands of a different color. These data suggest that physical similarity with an observed action in terms of skin color does not modulate MNS activity in sensorimotor cortex when cultural and emotional components are absent. The present results also strengthen the notion that the motor cortex node of the MNS is tuned to the biological nature of an observed action.

Il existe plusieurs théories du contrôle moteur, chacune présumant qu’une différente variable du mouvement est réglée par le cortex moteur. On trouve parmi elles la théorie du modèle interne qui a émis l’hypothèse que le cortex moteur programme la trajectoire du mouvement et l’activité électromyographique (EMG) d’une action motrice. Une autre, appelée l’hypothèse du point d’équilibre, suggère que le cortex moteur établisse et rétablisse des seuils spatiaux; les positions des segments du corps auxquelles les muscles et les réflexes commencent à s’activer. Selon ce dernier, les paramètres du mouvement sont dérivés sans pré-programmation, en fonction de la différence entre la position actuelle et la position seuil des segments du corps. Pour examiner de plus près ces deux théories, nous avons examiné l’effet d’un changement volontaire de l’angle du coude sur les influences cortico-spinales chez des sujets sains en employant la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) par-dessus le site du cortex moteur projetant aux motoneurones des muscles du coude. L’état de cette aire du cerveau a été évalué à un angle de flexion du coude activement établi par les sujets, ainsi qu’à un angle d’extension, représentant un déplacement dans le plan horizontal de 100°. L’EMG de deux fléchisseurs du coude (le biceps et le muscle brachio-radial) et de deux extenseurs (les chefs médial et latéral du triceps) a été enregistrée. L’état d’excitabilité des motoneurones peut influer sur les amplitudes des potentiels évoqués moteurs (MEPs) élicitées par la TMS. Deux techniques ont été entreprises dans le but de réduire l’effet de cette variable. La première était une perturbation mécanique qui raccourcissait les muscles à l'étude, produisant ainsi une période de silence EMG. La TMS a été envoyée avec un retard après la perturbation qui entraînait la production du MEP pendant la période de silence. La deuxième technique avait également le but d’équilibrer l’EMG des muscles aux deux angles du coude. Des forces assistantes ont été appliquées au bras par un moteur externe afin de compenser les forces produites par les muscles lorsqu’ils étaient actifs comme agonistes d’un mouvement. Les résultats des deux séries étaient analogues. Un muscle était facilité quand il prenait le rôle d’agoniste d’un mouvement, de manière à ce que les MEPs observés dans le biceps fussent de plus grandes amplitudes quand le coude était à la position de flexion, et ceux obtenus des deux extenseurs étaient plus grands à l’angle d’extension. Les MEPs examinés dans le muscle brachio-radial n'étaient pas significativement différents aux deux emplacements de l’articulation. Ces résultats démontrent que les influences cortico-spinales et l’activité EMG peuvent être dissociées, ce qui permet de conclure que la voie cortico-spinale ne programme pas l’EMG à être générée par les muscles. Ils suggèrent aussi que le système cortico-spinal établit les seuils spatiaux d’activation des muscles lorsqu’un segment se déplace d’une position à une autre. Cette idée suggère que des déficiences dans le contrôle des seuils spatiaux soient à la base de certains troubles moteurs d’origines neurologiques tels que l’hypotonie et la spasticité. / According to a dominant theory, the motor cortex is directly involved in pre-programming motor outcome in terms of movement trajectories and electromyographic (EMG) patterns. In contrast, the equilibrium point theory suggests that the motor cortex sets and resets the spatial thresholds, i.e., the positions of body segments at which muscles and reflexes begin to act. Movement parameters thereby emerge without pre-programming, depending on the difference between the actual and the threshold position of the body segments. To choose between these two theories of motor control, we investigated corticospinal influences associated with voluntary changes in elbow joint angle in healthy individuals using transcranial magnetic stimulation (TMS) of the brain site projecting to motoneurons of the elbow muscles. In order to minimize the influence of motoneuronal excitability on the evaluation of corticospinal influences, motor evoked potentials (MEPs) elicited by TMS were obtained during the EMG silent period produced by a brief muscle shortening prior to the TMS pulse. MEPs were obtained at a flexion and an extension elbow angle actively established by subjects. MEPs were recorded from 2 elbow flexors (biceps and brachioradialis) and 2 extensors (medial and lateral heads of triceps). Flexor MEP amplitude was bigger at the elbow flexion position in the case of the biceps and extensor MEPs were bigger at the extension position in both extensors studied (reciprocal pattern). MEPs observed in the brachioradialis did not differ at the two elbow orientations. A similar difference in corticospinal influences at the two elbow positions was often preserved when the tonic activity of elbow muscles was equalized by compensating the passive muscle forces at the two positions with a torque motor. Thus, corticospinal influences and EMG activity were de-correlated and it can be concluded that the corticospinal system is not involved in pre-determining the magnitude of motor commands to muscles. Results suggest that the corticospinal system resets the spatial thresholds for muscle activation when segments move from one position to another. This implies that deficits in spatial threshold control may underlie different neurological motor problems (e.g., hypotonia and spasticity).

Le système auditif ascendant est constitué d’étages multiples procédant chacun à un traitement complexe du signal, traitement qui est modulé par un système descendant, formant de multiples boucles corticales et sous-corticales de rétroaction : le système efférent auditif. La boucle la plus longue de ce système serait capable de moduler directement le fonctionnement des cellules sensorielles de l’organe périphérique de l’audition. Le but de ce travail était d’étudier pour la première fois chez le sujet sain, l’effet d’une modulation corticale expérimentale sur le fonctionnement périphérique auditif. Nous avons donc recueilli, dans le cadre d’un protocole en double aveugle contre placebo, chez 34 sujets sains, l’activité des cellules ciliées externes de l’organe de Corti (cellules sensorielles directement en contact avec les fibres nerveuses efférentes), par le recueil d’otoémissions acoustiques (OEAs), avant et après stimulation du cortex auditif par une stimulation magnétique transcrânienne répétitive (SMTr). Une diminution de l’amplitude d’un type d’OEA a été obtenue du côté controlatéral à une stimulation du cortex auditif par SMTr à 10 Hz, effet qui ne peut être expliqué seulement par une action non-spécifique liée au bruit de la SMTr mais qui reste extrêmement variable d’un sujet à un autre. De plus, nous avons montré, du côté ipsilatéral à la SMTr, une diminution de l’amplitude des OEAs immédiatement après la SMTr, et uniquement pour les fortes intensités d’utilisation de la SMTr (donc, pour des niveaux de bruit plus importants), reflétant un effet direct du bruit de la SMTr sur les mécanismes cochléaires actifs, effet présent chez nos sujets même en cas de protections auditives de bonne qualité / The ascending auditory system involves multiples stages where the auditory information is processed and modulated by a top-down influence involving multiple cortico sub-cortical loops: the efferent auditory system. It is hypothesized that the longest loop of this efferent system is able to modulate directly the sensory cells of the peripheral auditory organ. The aim of this work was to study this system, to our knowledge for the first time in healthy humans, and to show a direct cortical influence on the auditory periphery. In a double blind randomized procedure, we recorded, in 34 healthy subjects, the activity of outer hair cells of the organ of Corti (sensory cells, that are in direct synaptic contact with medial efferent fibers), by means of evoked otoacoustic emissions (OAEs), before and after auditory cortex stimulation by repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS). We showed an inhibitory influence of the auditory cortical stimulation by 10 Hz rTMS on OAE amplitudes, predominantly in the ear contralateral to the rTMS, effect that cannot be attributed to a non-specific effect linked to the impulse noise associated with the rTMS technique, but that remains highly variable across subjects. In addition, we showed a decrease in OAE amplitude on the ipsilateral side, immediately after the rTMS session and only for high rTMS intensities (and hence, higher noise levels), that reflect a direct influence of the rTMS noise on the auditory periphery, effect that is present even in well ear-protected subjects

La stimulation magnétique transcrânienne répétée (SMTr) est une technique de neuromodulation utilisée dans le traitement de la dépression majeure. La stimulation thêta-burst intermittente (STBi), une forme spécifique de SMTr, bénéficie d’un temps de stimulation plus court. Ses mécanismes d’action et sa durée optimale de stimulation restent toutefois inconnus. En effet, en clinique, la durée standard de STBi tend à être allongée dans l’espoir d’augmenter les effets thérapeutiques. Cette hypothèse n’a cependant jamais été vérifiée empiriquement. Le présent mémoire vise ainsi à mieux comprendre les mécanismes neuronaux de la STBi du cortex dorsolatéral préfrontal gauche et à déterminer la durée optimale de stimulation parmi les trois durées les plus fréquemment utilisées : 600 (standard), 1200 et 1800 impulsions. La question est explorée chez 14 participants neurotypiques. Chaque participant a pris part aux trois conditions expérimentales lors de trois sessions distinctes. L’activité cérébrale induite a été mesurée par l’utilisation combinée de la stimulation magnétique transcrânienne et l’électroencéphalographie, via les potentiels évoqués par la SMT (PÉS) et les perturbations spectrales liées à l’évènement (PSLE). Ces mesures ont été comparées avant et après chaque condition à l’aide d’un modèle linéaire mixte. Pour l’ensemble des mesures de l’activité corticale, aucune différence significative n’a été obtenue entre les trois durées. Spécifiquement, la STBi a induit une réduction de l’amplitude de la majorité des PÉS et des PSLE de la bande thêta. Ainsi, le protocole STBi standard engendre une modification de l’activité cérébrale comparable aux durées prolongées, dénotant l’importance de répliquer cette étude auprès d’une population clinique. / Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is a neuromodulation technique used as a treatment of major depressive disorder. Intermittent theta burst stimulation (iTBS), a specific kind of rTMS, offers a reduced stimulation duration. Yet, its mechanism of action and optimal duration are still largely unknown. In clinical settings, standard duration is often increased with the expectation of increasing therapeutic effects. However, this hypothesis has never been tested. This master thesis aims to provide better understanding of neuronal mechanism associated with iTBS on the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) of healthy participants and to determine the optimal stimulation duration over the three more commonly used durations in clinical practice: 600 (standard), 1,200 and 1,800 pulses. This was explored in 14 neurotypical participants who experienced each of the three conditions during three different sessions. The induced brain activity was measured combining transcranial magnetic stimulation and electroencephalography, via TMS evoked potentials (TEP) and event-related spectral perturbation (ERSP). These measures were compared before and after each condition using a mixed linear model. For the three durations, no significant difference was found in all cortical activity measures. Specifically, after iTBS, the amplitude of most of the TEPs, as well as of the ERSP of theta band, are reduced. Therefore, the iTBS standard protocol induces a modification of cortical activity which is similar to longer durations, showing the importance of replicating this study on a clinical population.

La stimulation magnétique transcrânienne (SMT) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) sont des techniques non-invasives permettant de quantifier l’activité GABAergique et glutamatergique du cerveau. La SMT et la SRM ont plusieurs applications en clinique et en recherche. En effet, ces outils peuvent être utilisés afin de déterminer l’efficacité d’un traitement ou la progression d’un processus pathologique. Cependant, malgré leur utilisation croissante dans le domaine médical, une certaine incertitude demeure quant aux substrats neurochimiques de ces techniques et à la stabilité à long terme des données acquises par SMT et SRM. Donc, dans un premier temps, la stabilité à long terme de plusieurs mesures prises par SMT et par SRM a été étudiée. En second lieu, afin de mieux comprendre quelles composantes du système GABAergique sont ciblées par ces deux techniques, des mesures de SRM et de SMT ont été obtenues après l’administration d’une benzodiazépine, le lorazépam, selon un devis expérimental randomisé, croisé, à double-aveugle et contrôlé par placébo. Deux articles composent cette thèse. Le premier article fait état d’une étude longitudinale, auprès d’adultes en santé, ayant pour but de déterminer la stabilité à long terme des concentrations de GABA et de Glx (glutamate + glutamine) obtenues par SRM ainsi que la stabilité des mesures d’inhibition et de facilitation corticale obtenues par SMT (rMT : seuil moteur au repos, %MSO : pourcentage d’intensité maximale du stimulateur, SICI : inhibition intra-corticale courte, LICI : inhibition intra-corticale longue, ICF : facilitation intra-corticale). Il a été démontré que les niveaux de GABA et de Glx sont stables au cours d’une période de trois mois. Alors que les mesures SMT de seuil moteur au repos, d’excitabilité corticale et de période corticale silencieuse sont stables à travers le temps, l’inhibition corticale à court intervalle et à long intervalle ainsi que la facilitation corticale sont beaucoup plus variables. Le deuxième article vise à comprendre la dissociation dans la sensibilité des mesures de SMT et SRM à refléter différentes facettes de l’activité GABAergique du cortex moteur. L’article porte sur une étude dans laquelle du lorazépam a été administré à des participants adultes en santé selon un devis randomisé, croisé, à double-aveugle et contrôlé par placébo. Des données SRM (GABA et Glx; cortex sensorimoteur et occipital) ainsi que des mesures SMT (cortex moteur) ont été obtenues suivant l’administration de lorazépam (ou de placébo). Il a été démontré que la prise de lorazépam réduisait les niveaux de GABA occipitaux, augmentait l’inhibition corticale et réduisait l’excitabilité du cortex moteur. La prise de médicament n’avait pas d’effet sur les autres mesures obtenues. De plus, il a été trouvé que l’effet du traitement sur l’inhibition corticale dépendait des concentrations endogènes de GABA dans le cortex sensorimoteur; une plus grande concentration de GABA étant prédictive d’une plus grande inhibition corticale suivant la prise de lorazépam. Dans leur ensemble, les résultats provenant des deux articles présentés dans cette thèse permettent de conclure que les mesures SRM des divers neurométabolites sont stables à long terme dans le cortex moteur et pourraient potentiellement servir de marqueurs dans l’évaluation de l’efficacité d’un traitement ou de l’évolution de processus pathologiques. Par contre, bien que certaines mesures SMT soient stables à long terme (rMT, %MSO, CSP), d’autres sont beaucoup plus variables (SICI, LICI, ICF); ainsi, la prudence est conseillée dans l’interprétation de ces mesures lors d’études cliniques. De plus, les effets différents que produit la prise de lorazépam sur les mesures SRM et SMT supportent la théorie selon laquelle les deux techniques n’ont pas les mêmes substrats neurochimiques. En effet, alors que les mesures TMS d’inhibition corticale refléteraient l’activité phasique des récepteurs GABAA, le signal SRM de GABA serait majoritairement intracellulaire et ne représenterait pas la neurotransmission GABAergique. / Transcranial magnetic stimulation (TMS) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) are non-invasive techniques that allow the measurement of GABAergic and glutamatergic activity in the brain. TMS and MRS can be used to assess inhibitory and excitatory mechanisms, treatment response or disease presence and progression in vivo. However, despite their growing use in research and medical settings, ambiguity remains regarding their neurochemical substrates and long-term reproducibility. The goal of the present thesis is twofold. First, the long-term stability and reliability of various MRS and TMS measurements, obtained in the motor cortex, was investigated. Second, to better understand which aspects of the GABAergic network are targeted by the two techniques, TMS and MRS measures reflecting cortical inhibition and excitation were obtained following lorazepam administration using a placebo-controlled, double-blind, randomized, crossover design. Two articles comprise this thesis. The first article is a longitudinal assessment of the stability and reliability of MRS-GABA and Glx (glutamate + glutamine) and TMS measures of cortical inhibition and facilitation in the sensorimotor (SMC) cortex of healthy adults. It was determined that MRS-GABA and MRS-Glx are stable over a three-month interval. TMS measures of resting motor threshold (rMT), cortical excitability (% maximum stimulator output; MSO) and cortical silent period (CSP) were also found to be stable and reliable. However, paired-pulse TMS measures such as short-interval cortical inhibition (SICI), long-interval cortical inhibition (LICI) and intracortical facilitation (ICF) had greater variability. The second article aims to understand the differential sensitivity of TMS and MRS with respect to GABAergic activity in the primary motor cortex. It is based on the results and conclusions of a placebo-controlled, double-blind, randomized, crossover study, where benzodiazepine lorazepam was given to healthy adult volunteers. Magnetic resonance spectroscopy (GABA and Glx) was performed in the sensorimotor cortex and occipital cortex (OC). TMS measurements were acquired in the motor cortex only. MRS and TMS measures of cortical inhibition and excitability (rMT, input/output (I/O) curve, SICI, LICI, ICF, CSP) were obtained following lorazepam or placebo administration. Lorazepam was found to decrease occipital GABA concentration, increase motor cortical inhibition and decrease cortical excitability. Lorazepam administration had no effect on other neurometabolites or TMS measurements. The effect of Lorazepam on short-interval cortical inhibition was found to depend on endogenous GABA levels in the SMC; higher GABA concentrations predicted a greater increase in SICI following drug intake. Taken together, the studies presented in this thesis indicate that MRS neurometabolite levels are stable over time and may thus potentially serve as markers for the monitoring of disease progression and treatment response. However, while some TMS measures have good long-term stability (rMT, %MSO, CSP), others are not as reliable nor stable (SICI, LICI, ICF); care must be taken in clinical settings. Furthermore, the differential effects of lorazepam on MRS and TMS measures support the idea that the two techniques probe different aspects of the GABAergic system. Whereas TMS measures of cortical inhibition reflect phasic GABAA receptor activity, MRS-GABA primarily reflects intracellular, non-neurotransmitter metabolic GABA.