La durée d'analyse d'une scène visuelle complexe constitue une contrainte biologique fondamentale pour les modèles théoriques du traitement neuronal de l'information visuelle. La mesure d'indices psychophysiques et électrophysiologiques lors d'une tâche de catégorisation visuelle rapide permet de démontrer que le système visuel humain transforme une scène visuelle complexe en une représentation de haut niveau, portant une valeur sémantique ou comportementale, en seulement 150 ms. Ce résultat est indépendant du caractère naturel ou artificiel de la catégorie cible utilisée. L'activité cérébrale enregistrée avant 150 ms reflète les propriétés physiques du stimulus, et n'est pas corrélée avec le comportement du sujet. D'un point de vue théorique, quels mécanismes neuronaux peuvent sous-tendre une telle capacité?<br />L'architecture hiérarchique du système visuel des primates et les délais de conduction électrique suggèrent que l'information visuelle circule majoritairement vers l'avant, et qu' un seul potentiel d'action par neurone pourra coder l'information entre 2 étapes successives. Ceci exclut le codage par fréquence d'émission de potentiels d'action, classiquement utilisé par les modèles de la vision. J'illustre cependant le fait que l'information visuelle peut être encodée par les dates relatives d'émission des potentiels d'action sur une population neuronale, l'information la plus saillante étant toujours représentée par les premières décharges. La structure temporelle de la première vague de potentiels d'action générée par la rétine en réponse à une stimulation visuelle peut porter explicitement l'information. Cette vague se propageant à travers le système est régénérée à chaque étape de traitement, et sa structure temporelle peut être modifiée par (i) la sélectivité des neurones corticaux, (ii) des interactions latérales et (iii) des influences attentionnelles provenant d'aires cérébrales centrales.

La sclérose en plaques (SEP) est la maladie chronique la plus fréquente parmi les pathologies neurologiques invalidantes non-traumatiques de l’adulte jeune en France. Le phénotype le plus fréquent est la SEP récurrente-rémittente (SEP-RR). Le diagnostic de SEP-RR est fondé sur la démonstration de la dissémination des lésions dans l'espace et dans le temps après un premier événement clinique démyélinisant dénommé syndrome clinique isolé (SCI). Les 2 principaux objectifs de cette thèse étaient de déterminer des marqueurs prédictifs d'un diagnostic précoce de la SEP après un SCI typique, et de démontrer que l’atteinte cognitive pouvait être utilisée comme un marqueur pronostique dès les stades précoces de la maladie. Le premier article décrit les résultats d’une étude rétrospective de 114 patients atteints d'un SCI médullaire. Le diagnostic de la SEP a été prédit par 3 facteurs indépendants: âge ≤40 ans, présence de bandes oligoclonales surnuméraires dans le liquide céphalo-rachidien ou une élévation de l’index IgG, et ≥3 lésions périventriculaires lors du SCI. Ces 3 facteurs prédictifs ont été validés dans une étude prospective de 652 patients avec différentes topographies de SCI (article 2). Il a été retrouvé des performances égales ou supérieures à celles des critères de dissémination spatiale proposés par McDonald et coll. pour la prédiction du diagnostic de la SEP après un SCI. Une fois le diagnostic de SEP établi, le principal défi consiste à évaluer la gravité de la maladie. Il manque de marqueurs prédictifs du handicap à long-terme. La perte axonale représente le substrat anatomique du handicap accumulé dans la SEP. Par ailleurs, les troubles cognitifs sont fréquents dans la SEP, ont été détectés dès les stades précoces de la maladie, et ont été associés à des marqueurs d’imagerie reflétant l’atteinte diffuse cérébrale. Par conséquent, l’atteinte cognitive semble être un candidat intéressant comme marqueur pronostique aux stades précoces de la SEP. Dans le troisième article, la relation entre les troubles cognitifs et les paramètres d’IRM reflétant l’atteinte diffuse cérébrale a été confirmé dans une étude longitudinale sur 7 ans de 44 patients ayant une SEP-RR nouvellement diagnostiquée. Dans le quatrième article, il a été montré la capacité de l’atteinte cognitive détectée après le diagnostic de SEP-RR à prédire la progression du handicap physique au cours du temps, étayant la valeur pronostique des déficits cognitifs dans la SEP. Dans le cinquième article, les évaluations cognitives ont été effectuées chez des patients présentant 2 phénotypes cliniques de SEP aux pronostics différents: SEP-RR et SEP progressive primaire (SEP-PP). L'étendue et la sévérité des déficits cognitifs étaient plus élevées chez les 41 patients ayant une SEP-PP par rapport aux 60 patients atteints de SEP-RR. Dans le sixième article, la valeur pronostique de l’atteinte cognitive dans la SEP a été illustrée par les effets négatifs des déficits cognitifs sur la qualité de la vie et les statuts professionnels de 48 patients atteints de SEP suivis pendant 7 ans. Après avoir montré que les déficits cognitifs pouvaient prédire l'invalidité précoce chez les patients atteints de SEP, et sachant que le handicap précoce est un marqueur prédictif de l’invalidité à long terme, la détection des déficits cognitifs apparaît comme une priorité dans la gestion des patients ayant une SEP. Par ailleurs, la vitesse de traitement de l'information (VTI) est le principal domaine cognitif altéré dans la SEP. Dans le septième article, un nouvel outil cognitif développé dans notre unité de recherche appelé «computerised speed cognitive test» a été utilisé pour détecter un ralentissement de la VTI dans un échantillon de 101 patients atteints de SEP et 415 sujets sains. Ce test a été associé à une excellente fiabilité, une bonne validité écologique, et de bonnes performances pour détecter un ralentissement de la VTI chez les patients atteints de SEP. / Multiple sclerosis (MS) is the most frequent chronic, disabling, non-traumatic neurologic disease of young adults in France. Relapsing-remitting MS (RRMS) is the most frequent phenotype of this disease. The diagnosis of RRMS is based on the demonstration of the dissemination of lesions in space and time after a first typical clinical event, which is called a clinically isolated syndrome (CIS). The 2 main objectives of this thesis were, first, to investigate predictors of an early diagnosis of MS after a typical CIS and, second, to provide support for cognitive impairment as a potentially useful prognostic marker in the early stages of MS. The first article reported the results obtained in a retrospective study that included a homogeneous sample of 114 patients with a spinal cord CIS. The diagnosis of MS was predicted by 3 independent factors: ≤40 years of age, positive for oligoclonal bands in the cerebrospinal fluid or a raised IgG index, and ≥3 periventricular lesions at the time of the CIS. In the second article, a confirmation of the validity of these 3 predictive factors was provided through a large prospective study that included 652 patients with a CIS, regardless of the anatomical location of the lesions. Notably, these predictive factors achieved the same accuracy as the dissemination in space criteria which were proposed in the McDonald criteria for the prediction of the diagnosis of MS. Once an MS diagnosis is established, the main challenge is to assess the severity of the disease, and early clinical predictors of long-term disability are still lacking. The anatomical substrate of the disabilities that are accumulated in MS appears primarily to be cumulative axonal loss. Cognitive impairment is frequent in MS, even at the early stages of the disease, and has been associated with MRI markers of diffuse brain damage. Therefore, cognitive impairment appears to be an interesting candidate as a prognostic factor in the early stages of MS. In the third article, the relationship between cognitive impairment and MRI parameters reflecting early diffuse brain damage was confirmed in a 7-year longitudinal study of 44 newly diagnosed RRMS patients. In the fourth article, the ability of the cognitive impairment detected after RRMS diagnosis in this sample of patients to predict the progression of disability over time supported the prognostic value of cognitive deficits in early MS. In the fifth article, cognitive assessments were performed on patients with 2 clinical phenotypes of MS with different prognoses: RRMS and primary progressive MS (PPMS). The extent and the severity of cognitive deficits were greater in the 41 PPMS patients compared to the 60 RRMS patients; this finding supports the relationship between cognitive impairment and widespread brain damage. In the sixth article, the prognostic value of cognitive dysfunction in MS was illustrated through the negative impacts of cognitive deficits on the qualities of life and vocational statuses of 48 patients living with MS who were followed for 7 years. Finally, as cognitive deficits were shown to have the potential to predict early disability in patients with MS, and early disability is known to be relevant to predict long-term disability in MS, the detection of cognitive deficits appears to be a priority in managing patients with MS and adapting early-stage therapeutic strategies. Information processing speed (IPS) is the main cognitive domain impaired in MS that has clinical implications. In the seventh article, the ability of a new, in-house cognitive tool called the computerised speed cognitive test to detect lowered processing speed was assessed in a validation study using samples obtained from 101 patients with MS and 415 healthy subjects. This test was clinically relevant, and had excellent reliability, ecological validity, and predictive value for detecting IPS impairment in patients with MS.

Notre but de comprendre les mécanismes constitutifs de la déficience intellectuelle et de la dyspraxie verbale, deux pathologies qui affectent les performances aux tests psychométriques. Nous avons sélectionné plusieurs processus pouvant contribuer à l’explication de ces troubles : la vitesse de traitement de l’information et la mémoire travail pour la déficience intellectuelle ; et l’apprentissage procédural pour la dyspraxie verbale. Dans une première étude, nous avons montré que dans la population « tout venant » d’enfants non déficients, la vitesse de traitement augmente avec l’âge. Notre seconde expérience a montré que des patients déficients intellectuels avaient la même vitesse de traitement que des enfants plus jeunes appariés sur l’âge mental. Par ailleurs, nous avons montré que ce ralentissement est similaire dans le syndrome de l’X-Fragile et dans la Trisomie 21. Inversement, la vitesse de traitement des enfants dyspraxiques verbaux est préservée. Ces résultats viennent discuter les deux modèles théoriques de l’intelligence que nous avons choisis comme référence, le modèle en cascade de Fry & Hale (1996) et le modèle d’Anderson (1992). Dans le second volet de nos recherches, nous avons mis en évidence un apprentissage procédural implicite comparable dans deux groupes d’enfants d’âges chronologiques différents malgré des temps de réaction plus importants chez les plus jeunes. La seconde étude montre une préservation de l’apprentissage procédural implicite dans le syndrome de l’X-Fragile et une altération spécifique dans la Trisomie 21. Cela démontre que ce processus est indépendant du QI et varie selon les syndromes. Notre dernière étude montre un trouble important de l’apprentissage procédural implicite dans la dyspraxie verbale, confortant notre hypothèse de départ. L’ensemble de ces résultats est discuté au regard des travaux antérieurs et des modèles théoriques afin de proposer des ouvertures tant théoriques que cliniques. / Our aim is to understand previous process in mental retardation and childhood apraxia of speech (CAS). There are both neurodevelopmental disorders which affect psychometric assessment. We have selected several processes which could explain these disorders such has speed of information processing, working memory for mental retardation and implicit procedural learning for childhood apraxia of speech. In our first study, we have demonstrated within two groups of typical children without disorders that speed of processing increased with chronological age. In the second study, our results have demonstrated the same speed of processing between a group with mental retardation and with mental age matched control group. Moreover, Down and Fragile X syndrome have the same speed of information processing. On the contrary, in our third study, children with CAS and chronological age matched control group have the same speed as process visual information. All results are important to discuss both theories of intelligence we have chosen: the cascade model (Fry and Hall, 1990) and the minimal cognitive architecture (Anderson, 1992). In the second experimental part, our first results have shown a different reaction time between the two groups of young children but both have learned the sequence in a serial reaction time task (implicit procedural learning test). The second study have demonstrated preserved implicit learning in Fragile X but altered learning in Down syndrome. The difference between to these two genetics syndromes is a proof of implicit sequence learning is independent of IQ. The latest results have shown severe implicit procedural learning impairment in CAS. We conclude that this is the cause of CAS.Our discussion is about all results and links between intelligence and disorders with regard to previous studies. Those results aim for both theorical and clinical openings.

La conduite automobile continue d'être le mode de transport dominant dans le monde et le nombre de véhicules sur la route ne devrait qu’augmenter au cours des prochaines décennies. Dans un même temps, l'évolution démographique qui se produit actuellement dans le monde industrialisé implique que la proportion de conducteurs âgés sur la route devrait augmenter considérablement. L'âge s'accompagne de changements de grande envergure dans les systèmes physiques, sensoriels et cognitifs, entraînant des changements fonctionnels qui peuvent être subtils ou profonds. Nous commençons seulement à comprendre comment la variabilité normale et pathologique de ces mesures fonctionnelles affecte les performances de conduite et la sécurité. Le développement d'un outil fiable et fondé sur des données probantes pour distinguer les conducteurs prudents des conducteurs dangereux continue d'être une préoccupation majeure pour les chercheurs en gérontologie, en accidentologie et en clinique. L'accumulation de preuves suggère maintenant qu'il existe un lien important entre des capacités cognitives spécifiques telles que la vitesse de traitement de l’information et l'attention, et les performances de conduite. Continuer à explorer cette relation pour peut-être un jour développer un tel outil est une entreprise importante. Une autre implication de la relation entre les capacités cognitives et les performances de conduite est que les interventions conçues pour les améliorer ou les maintenir pourraient éventuellement améliorer ou maintenir la sécurité et le confort de conduite des individus à court et à long terme. L'objectif de cette thèse est triple. Premièrement, il développe et valide une nouvelle méthodologie pour évaluer les performances de conduite des jeunes adultes et des adultes plus âgés à l'aide de scénarios de simulation de conduite personnalisés. Deuxièmement, elle pousse l'état de nos connaissances sur la façon dont les capacités cognitives sont liées à la performance de conduite en démontrant que la performance sur un test intégratif d'attention dynamique et de vitesse de traitement - c'est-à-dire le suivi d'objets multiples en 3D (3D-MOT) - prédit les performances des conducteurs de différents groupes d'âge. Enfin, elle offre des preuves suggérant que la formation 3D-MOT améliore réellement la fonction attentionnelle et la vitesse de traitement en transférant la performance sur un test indépendant de ces capacités et, finalement, que cette amélioration pourrait se traduire par une amélioration des performances de conduite. / Driving continues to be the world’s dominant form of transportation and the number of vehicles on the road is only projected to increase in the coming decades. At the same time, the demographic shift currently occurring in the industrialized world implies that the proportion of older adult drivers on the road is set to increase substantially. With age comes wide-ranging changes in physical, sensory and cognitive systems resulting in functional changes that can be subtle or profound. We are only beginning to understand how both normal and pathological variability in these functional measures affect driving performance and safety. Developing a reliable, evidence-based tool to distinguish safe from unsafe drivers continues to be a major preoccupation for gerontology, accidentology, and clinical researchers alike. Accumulating evidence now suggests that there is an important link between specific cognitive abilities such as speed-of-processing, attention, and driving performance. Continuing to explore this relationship in order to perhaps one day develop such a tool is an important endeavour. Another implication of the relationship between cognitive abilities and driving performance is that interventions designed to improve or sustain these might conceivably enhance or maintain individuals’ driving safety and comfort in the short- and long-term. The purpose of this thesis is threefold. First, it develops and validates a novel methodology for assessing both young adult and older adult driving performance using custom driving simulator scenarios. Second, it pushes the state of our knowledge of how cognitive abilities relate to driving performance by demonstrating that performance on an integrative test of dynamic attention and speed-of-processing—i.e., 3-dimensional multiple object tracking (3D-MOT)— predicts how drivers of different age groups perform. Finally, it offers evidence to suggest that training 3D-MOT actually enhances attentional function and speed-of-processing by transferring to performance on an unrelated test of these abilities and, ultimately, that this improvement might translate to improved driving performance.

La mémoire à court terme visuelle (MCTv) est un système qui permet le maintien temporaire de l’information visuelle en mémoire. La capacité en mémoire à court terme se définit par le nombre d’items qu’un individu peut maintenir en mémoire sur une courte période de temps et est limitée à environ quatre items. Il a été démontré que la capacité en MCTv et les habiletés mathématiques sont étroitement liées. La MCTv est utile dans beaucoup de composantes liées aux mathématiques, comme la résolution de problèmes, la visualisation mentale et l’arithmétique. En outre, la MCTv et le raisonnement mathématique font appel à des régions similaires du cerveau, notamment dans le cortex pariétal. Le sillon intrapariétal (SIP) semble être particulièrement important, autant dans la réalisation de tâches liées à la MCTv qu’aux habiletés mathématiques. Nous avons créé une tâche de MCTv que 15 participants adultes en santé ont réalisée pendant que nous enregistrions leur activité cérébrale à l’aide de la magnétoencéphalographie (MEG). Nous nous sommes intéressés principalement à la composante SPCM. Une évaluation neuropsychologique a également été administrée aux participants. Nous souhaitions tester l’hypothèse selon laquelle l’activité cérébrale aux capteurs pariéto-occipitaux pendant la tâche de MCTv en MEG sera liée à la performance en mathématiques. Les résultats indiquent que l’amplitude de l’activité pariéto-occipitale pendant la tâche de MCTv permet de prédire les habiletés mathématiques ainsi que la performance dans une tâche de raisonnement perceptif. Ces résultats permettent de confirmer le lien existant entre les habiletés mathématiques et le fonctionnement sous-jacent à la MCTv. / Visual short-term memory (VSTM) is a memory system that permits the temporary retention of visual information. Short-term memory capacity can be defined by the amount of information that an individual can remember over a short period of time and is limited to about four items. It was shown that VSTM capacity and mathematical abilities are closely related. VSTM is useful for a lot of components linked to mathematical skills like word problem solving, mental visualisation and arithmetic. Moreover, VSTM and mathematical reasoning activate similar brain regions, mainly within the parietal cortex. The intraparietal sulcus (IPS) appears to be particularly important both in the realization of VSTM tasks and mathematical reasoning tasks. We created a VSTM task which 15 healthy adult participants completed while we recorded their brain activity using magnetoencephalography (MEG). We were mainly interested in the SPCM component. A neuropsychological assessment was also administrated to the participants. We wanted to verify the hypothesis stipulating that cerebral activity recorded at parieto-occipital sensors during the VSTM task should be linked to performance in mathematics. The results indicate that parieto-occipital activity during the VSTM tasks predicted mathematical abilities as well as performance on a perceptive reasoning task. These results confirmed the link existing between mathematical abilities and VSTM functioning.

En plus de la triade de symptômes caractérisant l’autisme, ce trouble neurodévelopmental est associé à des particularités perceptives et motrices et, au niveau cérébral, par une connectivité atypique entre les différentes régions du cerveau. Au niveau anatomique, un des résultats les plus communs est la réduction du corps calleux. Toutefois, des effets directs de cette altération anatomique sur l’intégrité et l’efficacité du transfert interhémisphérique restent à être démontrés. Pour la présente thèse, trois différentes études investiguent différents aspects du traitement de l’information visuomotrice : le transfert interhémisphérique entre les régions bilatérales motrices et visuelles, la vitesse de traitement perceptif, et les habiletés motrices visuellement guidées. Dans la première étude, le paradigme visuomoteur de Poffenberger a été utilisé pour mesurer le temps de transfert interhémisphérique (TTIH). L’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) et structurale ainsi que l’imagerie de diffusion ont aussi été utilisées pour étudier les réseaux cérébraux impliqués dans la tâche de Poffenberger. Les autistes ont été comparés à un groupe d’individus à développement typique. La deuxième étude avait pour but d’investiguer la vitesse de traitement perceptif en autisme. Dans la troisième étude, deux tâches motrices (Purdue et Annett) ont été utilisées pour examiner la nature et l’importance des déficits moteurs. La tâche de Purdue inclut deux conditions bimanuelles utilisées comme indice additionnel d’intégration interhémisphérique. Dans les études 2 et 3, le groupe d’autistes a aussi été comparé à un groupe d’individus Asperger afin de voir si, et comment, les deux sous-groupes peuvent être distingués en ce qui concerne le traitement visuel et les déficits moteurs. Aucune différence entre les groupes n’a été observée en termes de TTIH. Les résultats de l’étude IRMf révèlent des différences d’activations corticales en lien avec la tâche de Poffenberger. Dans les groupes d’autistes et de typiques, l’efficacité de la communication interhémisphérique était associée à différentes portions du corps calleux (frontales/motrices chez les typiques, postérieures/visuelles chez les autistes). De façon globale, les résultats de cette étude démontrent un patron atypique de transfert interhémisphérique de l’information visuomotrice en autisme, reflétant un rôle plus important des mécanismes visuels dans le comportement sensorimoteur possiblement en lien avec une réorganisation cérébrale. Les résultats des études comportementales 2 et 3 indiquent que les autistes excellent dans la tâche mesurant la vitesse de traitement perceptif alors que les Asperger accomplissent la tâche à des niveaux similaires à ceux des typiques. La nature des déficits moteurs diffère aussi entre les deux sous-groupes; la dextérité et la coordination bimanuelle est affectée chez les individus Asperger mais pas chez les autistes, qui eux sont plus atteints au niveau de la rapidité unimanuelle. Les sous-groupes d’autistes et de syndrome d’Asperger sont caractérisés par des profils cognitifs différents dont les particularités perceptives et motrices font partie intégrante. / In addition to the triad of symptoms characterizing autism, this neurodevelopmental condition is characterized by visual and motor atypicalities and, at the cerebral level, by atypical connectivity between the different brain areas. Anatomically, one of the most replicated finding is a reduction of the corpus callosum. However, evidence of a direct effect of the corpus callosum reductions on integrity and efficiency of interhemispheric transfer is lacking. Three different studies were designed to investigate different aspect of visuo-motor processing: interhemispheric transfer between bilateral motor and visual brain areas, perceptual processing speed, visually guided motor performance. In the first study, the visuo-motor Poffenberger paradigm was used to measure interhemispheric transfer time (IHTT). Structural and functional magnetic resonance imaging (fMRI) and diffusion tensor imaging (DTI) were also used to study the brain networks involved in the Poffenberger task. Autistics were compared to typically developing individuals. The second study investigates whether perceptual processing speed (Inspection Time task) is atypical in autism. In the third study, two visually-guided motor tasks (the Purdue pegboard and Annett peg moving task) were used to verify the nature and magnitude of motor deficits. The Purdue task includes two bimanual conditions used as additional measures of interhemispheric communication integrity. Moreover, in studies 2 and 3, behavioral differences between autistic and Asperger individuals were investigated in order to see if and how the two subgroups can be distinguished in terms of perceptual processing and motor deficits. No group difference was observed in terms of IHTT. The fMRI results reveal a different pattern of cortical activations associated to the Poffenberger task. In the autism and typical groups, the efficiency of interhemispheric communication was associated with different portions of the corpus callosum (frontal/premotor in typicals, posterior/visual in autistics). These results demonstrate an atypical pattern of interhemispheric visuo-motor information transfer, possibly reflecting a more prominent role of visual mechanisms guiding sensorimotor behavior in autism, related to cerebral reorganizations. Results of the behavioral studies indicate that autistics have an excellent visual processing speed while Asperger individuals performed like typicals. Motor impairments also differed between the two subgroups; dexterity and bimanual coordination was impaired in Asperger individuals but not in autistics, who presented more difficulties in unimanual conditions. Autism and Asperger subgroups are characterized by different cognitive profiles in which visual processing and motor deficits are important factors.