L’objectif général de cette thèse était de caractériser les trajectoires de déclin cognitif et fonctionnel dans les phases précliniques et précoces de la maladie d’Alzheimer, faisant appel à deux grandes approches: l’étude du trouble cognitif léger dans la maladie d’Alzheimer sporadique et l’étude du phénotype cognitif d’individus porteurs de mutations autosomiques dominantes dans la maladie d’Alzheimer familiale. La thèse comprend 6 articles, dont 4 empiriques. Le premier article (Chapitre II) visait à faire une revue de littérature sur le trouble cognitif léger, son contexte historique, ses critères diagnostiques et les connaissances actuelles dans les domaines cognitif, génétique et de neuroimagerie. L’objectif de la deuxième étude (Chapitre III) visait à caractériser les différents domaines cognitifs (mémoire épisodique, fonctions exécutives, mémoire de travail, traitement visuospatial et langage) et leurs trajectoires dans le temps, chez des personnes avec un trouble cognitif léger, en distinguant celles qui ultérieurement progressent vers une démence, ou progresseurs, et celles qui ne progressent pas vers une démence, ou non-progresseurs. Les résultats indiquent que, chez les progresseurs, les trajectoires de déclin se distinguent selon le domaine cognitif : une fonction quadratique (fonction polynomiale de second degré, qui peut être interprétée comme représentant un plateau suivi d’un déclin accéléré) caractérise le rappel différé en mémoire épisodique et la mémoire de travail/vitesse de traitement de l’information et une fonction linéaire (plus graduelle et progressive) caractérise le rappel immédiat en mémoire, les fonctions exécutives et les habiletés visuospatiales. L’objectif de la troisième étude (Chapitre IV) était de caractériser les trajectoires de déclin des capacités à réaliser les activités de la vie quotidienne instrumentales chez ces mêmes individus ayant un trouble cognitif léger qui ont progressé vers une démence et de comparer ces trajectoires à celles que l’on retrouve chez les individus avec un trouble cognitif léger n’ayant pas progressé. Les résultats montrent que les capacités autorapportées à réaliser les activités de la vie quotidienne suivent une trajectoire quadratique chez les progresseurs (ont rencontré les critères de démence au cours de l’étude), linéaire chez les déclineurs (ont présenté un déclin cognitif sans rencontrer les critères de démence au cours de l’étude) et n’ont pas changé à travers le temps chez les stables (sont demeurés cognitivement stables au cours de l’étude). Les résultats indiquent que ces patrons peuvent être surtout expliqués par une catégorie d’activités, les activités complexes (p.ex. gérer le budget), qui suivent les mêmes trajectoires. L’objectif du quatrième article (Chapitre V) était de présenter les différentes composantes (génétique, imagerie et cognition) d’un projet de collaboration initié en 2012 entre le Canada et la Chine, ayant pour but d’étudier les phrases précliniques de la maladie d’Alzheimer de type familial. L’objectif de la cinquième étude (Chapitre VI) était d’examiner l’apparition et l’évolution des atteintes cognitives dans la maladie d’Alzheimer de type familial, en distinguant les personnes porteuses de mutations PSEN1 menant à un diagnostic de démence de celles non-porteuses de ces mutations. Les résultats montrent que, chez les porteurs de mutation, le temps estimé au diagnostic suit une trajectoire quadratique pour le rappel différé et la reconnaissance en mémoire épisodique et une trajectoire linéaire pour le rappel immédiat en mémoire, la fluence verbale sémantique/catégorielle et les habiletés visuoconstructives. Enfin, l’objectif de la sixième étude (Chapitre VII) était de présenter les données d’imagerie préliminaires de la cohorte canadienne avec mutations PSEN1, avec une série de cas. Chez les porteurs de mutation, l’amyloïde est un marqueur précoce, significatif même chez les individus non symptomatiques. Le marqueur tau est significatif uniquement près de l’âge estimé du diagnostic chez les porteurs et semble être davantage associé aux déficits cognitifs. / The main objective of this thesis was to characterize the trajectories of cognitive and functional decline in the preclinical and early stages of Alzheimer's disease, using two methodological approaches: the study of mild cognitive impairment in sporadic Alzheimer's disease and the study of the cognitive phenotype of individuals with autosomal dominant mutations in familial Alzheimer's disease. The thesis comprises 6 articles, 4 of which are empirical. The first article (Chapter II) aimed to review the literature on mild cognitive impairment, its historical context, its diagnostic criteria and current knowledge in the cognitive, genetic and neuroimaging fields. The objective of the second study (Chapter III) was to characterize the different cognitive domains (episodic memory, executive functions, working memory, visuospatial processing and language) and their trajectories over time, in individuals with mild cognitive impairment, by distinguishing those who progressed to dementia, or progressors, and those that did not progress to dementia, or non-progressors. The results indicate that, in the case of progressors, the trajectories of decline are distinguished according to the cognitive domain: a quadratic function (a plateau followed by an accelerated decline) characterizes the delayed recall in episodic memory and working memory/processing speed and a linear function characterizes immediate recall, executive functions and visuospatial abilities. The objective of the third study (Chapter IV) was to characterize the trajectories of decline in the ability to perform instrumental activities of daily living in these same individuals with mild cognitive impairment who progressed to dementia and to compare these trajectories with those found in individuals with mild cognitive impairment who did not progress. The results show that the self-reported abilities to perform activities of daily living follow a quadratic trajectory in the progressors (met the dementia criteria during the study), a linear trajectory in the declinors (presented a cognitive decline without meeting the dementia criteria during the course of the study) and did not change over time in the stable (remained cognitively stable during the study). The results indicate that these patterns can be mainly explained by a category of activities, the complex activities (e.g. managing the budget), which follow the same trajectories. The objective of the fourth article (Chapter V) was to present the different components (genetics, imaging and cognition) of a collaborative project initiated in 2012 between Canada and China, aimed at studying the preclinical phases of familial Alzheimer’s disease. The objective of the fifth study (Chapter VI) was to examine the onset and course of cognitive impairment in familial Alzheimer's disease, by distinguishing individuals with PSEN1 mutations leading to a diagnosis of dementia from those not carrying these mutations. The results show that, in mutation carriers, the time to the estimated age of onset follows a quadratic trajectory for delayed recall and recognition in episodic memory and a linear trajectory for immediate recall, semantic/categorical verbal fluency and visuospatial abilities. Finally, the objective of the sixth study (Chapter VII) was to present preliminary imaging data for the Canadian cohort with PSEN1 mutations, using a case series. In mutation carriers, amyloid is an early marker, with a significant deposition, even in non-symptomatic individuals. The tau marker is significant only near the estimated age of onset in mutation carriers and appears to be more associated with cognitive deficits.

Background: Subjective cognitive decline (SCD), i.e., the self-perceived feeling of worsening cognitive function, may be the first notable syndrome of preclinical Alzheimer’s disease and other dementias. However, not all individuals with SCD progress. Stability of SCD, i.e., repeated reports of SCD, could contribute to identify individuals at risk, as stable SCD may more likely reflect the continuous neurodegenerative process of Alzheimer’s and other dementias. Methods: Cox regression analyses were used to assess the association between stability of SCD and progression to MCI and dementia in data derived from the population-based Leipzig Longitudinal Study of the Aged (LEILA75+). Results: Of 453 cognitively unimpaired individuals with a mean age of 80.5 years (SD = 4.2), 139 (30.7 %) reported SCD at baseline. Over the study period (M = 4.8 years, SD = 2.2), 84 (18.5 %) individuals had stable SCD, 195 (43.1 %) unstable SCD and 174 (38.4 %) never reported SCD. Stable SCD was associated with increased risk of progression to MCI and dementia (unadjusted HR = 1.8, 95 % CI = 1.2–2.6; p < .01), whereas unstable SCD yielded a decreased progression risk (unadjusted HR = 0.5, 95 % CI = 0.4–0.7; p < .001) compared to no SCD. When adjusted for baseline cognitive functioning, progression risk in individuals with stable SCD was significantly increased in comparison to individuals with unstable SCD, but not compared to individuals without SCD. Conclusions: Our results, though preliminary, suggest that stable SCD, i.e., repeated reports of SCD, may yield an increased risk of progression to MCI and dementia compared to unstable SCD. Baseline cognitive scores, though within a normal range, seem to be a driver of progression in stable SCD. Future research is warranted to investigate whether stability could hold as a SCD research feature.

Objective: To study awareness of cognitive dysfunction in patients with very mild Alzheimer’s disease (AD) and subjects with mild cognitive impairment (MCI). Methods: A complaint interview covering 13 cognitive domains was administered to 82 AD and 79 MCI patients and their caregivers. The patient groups were comparable according to age and education, and Mini Mental State Examination (MMSE) scores were ≥24 in all cases. The discrepancy between the patients’ and caregivers’ estimations of impairments was taken as a measure of anosognosia. Results: Self-reports of cognitive difficulties were comparable for AD and MCI patients. However, while in comparison to caregivers MCI patients reported significantly more cognitive impairment (p < 0.05), AD patients complained significantly less cognitive dysfunctions (p < 0.001). Conclusions: While most MCI patients tend to overestimate cognitive deficits when compared to their caregiver’s assessment, AD patients in early stages of disease underestimate cognitive dysfunctions. Anosognosia can thus be regarded as a characteristic symptom at a stage of very mild AD (MMSE ≥24) but not MCI. Accordingly, medical history even in mildly affected patients should always include information from both patient and caregiver. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Extracellular accumulation of Aβ in β-amyloid plaques is thought to be associated with the neurodegeneration observed in Alzheimer’s disease (AD) patients, although a lack of correlation with cognitive decline raised doubts on this hypothesis. In different transgenic mouse models Aβ accumulates inside the cells and mice develop behavioral deficits well before visible extracellular β-amyloid accumulation. Here we show that intracellular Aβ accumulates in flotillin-1 positive endocytic vesicles. We also demonstrate that flotillin-1 is not only associated with intracellular Aβ in transgenic mice but also with extracellular β-amyloid plaques in AD patient brain sections. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

La prévalence de changements cérébraux pathologiques dans la population âgée est très élevée, même chez des individus en bonne santé et pleinement autonomes. L’accumulation anormale de la protéine bêta-amyloïde (A), un biomarqueur-clé de la maladie d’Alzheimer (MA), et les hypersignaux de la substance blanche (HSB), qui sont des lésions des petits vaisseaux cérébraux de la substance blanche, sont parmi les pathologies cérébrales liées à l’âge les plus répandues. Un ensemble de preuves scientifiques s’appuyant sur des données neuropathologiques, neuropsychologiques et d’imagerie cérébrale suggère que les personnes âgées cognitivement normales ayant une charge lésionnelle cérébrale importante présentent un déclin cognitif accentué. Ainsi, les changements neuropathologiques chez les aînés en bonne santé sont particulièrement intéressants, car ils constituent des cibles thérapeutiques prometteuses et pourraient contribuer au dépistage précoce de la MA. Cette thèse avait pour but d’examiner les associations entre la charge A, les HSB et l’épaisseur corticale à travers différents domaines de la cognition dans une cohorte de 104 personnes âgées cognitivement normales, en tenant compte de l’âge, du sexe et du niveau d’éducation. Tous les participants ont été soumis à une évaluation neuropsychologique détaillée, ainsi qu’à des examens en résonance magnétique (IRM) structurelle et en tomographie par émission de positons (TEP) avec le Pittsburgh Compound B (PIB). La sévérité des HSB a été quantifiée avec l’échelle Age-Related White Matter Changes (ARWMC). Mis ensemble, les résultats des deux articles empiriques composant cette thèse font ressortir des effets indépendants et additifs de la charge A et du volume de l’hippocampe droit sur la mémoire épisodique, de sorte qu’une pathologie A élevée et un volume plus faible prédisaient des performances moindres. La charge A et les HSB contribuaient de façon additive à une mémoire de travail diminuée et exerçaient des effets délétères synergiques sur la flexibilité mentale et l’attention. Les HSB étaient négativement associés au langage, dont ils étaient le plus important prédicteur. À l’inverse, ni les dépôts A ni les HSB n’étaient corrélés à la mémoire sémantique, la vitesse de traitement de l’information et les fonctions visuospatiales. Dans l’article 1, nous avons démontré que le déclin lié à l’âge au niveau de la mémoire épisodique, la mémoire de travail, la flexibilité mentale et le langage était entièrement médié par le degré de pathologie cérébrale. Dans l’article 2, nous avons démontré qu’il n’y avait pas d’association positive entre les cartes d’épaisseur corticale et les fonctions cognitives, à l’exception de la mémoire sémantique. En outre, la charge A, les HSB et les mesures d’IRM structurelle étaient indépendants les uns des autres, appuyant plutôt la notion de trajectoires physiopathologiques distinctes. Un résultat important de l’article 2 était la relation positive entre la mémoire sémantique et l’épaisseur corticale dans le lobe temporal antérieur (LTA), une région connue pour son rôle unique dans l’intégration des connaissances sémantiques à un niveau transmodal. Les résultats de cette thèse mettent en lumière le rôle médiateur de pathologies cérébrales prévalentes, soit la charge A et les HSB, dans le vieillissement cognitif, et suggèrent que celles-ci induisent des changements cognitifs par le biais de mécanismes physiopathologiques autres que l’atrophie cérébrale. Sur le plan clinique, nos travaux soulignent la pertinence de diversifier les outils d’évaluation utilisés pour le dépistage des troubles cognitifs chez la personne âgée, avec un accent particulier sur la mémoire sémantique. / Compelling evidence shows that pathological changes are highly prevalent in the aging brain, even in otherwise healthy individuals who remain fully functional. Among the most common age-related brain lesions are the abnormal deposition of beta-amyloid (A) peptide, a well-known hallmark of Alzheimer’s disease (AD), and white matter hyperintensities (WMH), which are regarded as a radiological marker of cerebral small vessel disease. Converging evidence from neuropathological, neuropsychological and neuroimaging data suggests that normal older adults harboring high levels of brain pathology exhibit exacerbated cognitive decline. Thus, neuropathological changes in healthy elderly people deserve particular attention as they are potential targets for early intervention and might contribute to the early identification of AD. This thesis sought to examine the associations between Aβ burden, WMH, cortical thickness and cognitive performances across multiple domains in a cohort of 104 cognitively normal older adults, while accounting for age, sex and years of formal education. All participants underwent an extensive neuropsychological assessment along with structural magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET) with Pittsburgh Compound B (PIB). WMH severity was assessed using the age-related white matter changes (ARWMC) scale. Combined findings from the two empirical articles making up this thesis demonstrate independent, additive effects of A burden and right hippocampal volume on episodic memory whereby increased A deposition and reduced volume predict decreased performance. A burden and WMH contributed additively to poorer working memory and exerted deleterious synergistic effects on mental flexibility and attention. WMH was the most important predictor of linguistic abilities with higher lesion severity being associated with worse performances on language tasks. Conversely, neither A deposition nor WMH were correlated with semantic memory, processing speed and visuospatial abilities. In article 1, we demonstrated that age-dependent decline in episodic memory, working memory, mental flexibility and language was fully mediated by the extent of brain pathology. In article 2, cognition was not found to be positively associated with cortical thickness in the vertex-wise analyses, except for the domain of semantic memory. Furthermore, A burden, WMH and structural MRI measures were independent of one another, supporting the notion of distinct pathophysiological pathways. A notable finding of article 2 was that thinner cortical thickness in the left anterior temporal lobe (ATL) predicted poorer semantic memory, which is coherent with the role of the ATL in heteromodal semantic processing. The results presented in this thesis shed light on the role of prevalent brain pathologies, namely A burden and WMH, in driving age-related cognitive changes, and suggest that these changes can occur through pathways that are distinct from brain atrophy. Clinically speaking, this work lends support for the inclusion of a wider array of measures to routine screening for cognitive impairment in older adults, with an emphasis on semantic memory.

La maladie d’Alzheimer (MA) et les aphasies progressives primaires (APP) s’accompagnent de perturbations du langage expressif parfois subtiles, mais précoces dans l’évolution de ces maladies neurodégénératives. Considérés dans une approche automatisée, ces changements pourraient constituer des marqueurs de dégénérescence identifiés de façon non invasive et peu onéreuse. À ce titre, ils font l’objet d’études visant à automatiser leur utilisation clinique. Cependant, l’intégration des marqueurs langagiers à une approche diagnostique centrée sur les biomarqueurs reste à faire. À cette fin, la présente thèse a deux objectifs. D’abord, recenser systématiquement les marqueurs du discours qui distinguent le mieux les personnes avec une MA de témoins en santé. Ensuite, appliquer une approche automatisée et à un large éventail de marqueurs de discours pour identifier, dans un groupe hétérogène de patients avec une APP, lesquels ont une pathologie Alzheimer sous-jacente. Afin de mettre en contexte ces deux objectifs, nous proposons une introduction générale comprenant les éléments suivants : la pathophysiologie de la MA et des APP, le rôle croissant des biomarqueurs dans la prise de décision clinique dans les maladies neurodégénératives, les études pionnières du discours en neurodégénérescence, ainsi que de récentes études computationnelles sur les marqueurs de discours dans la MA et les APP. Nos résultats font émerger un patron multidimensionnel (acoustique, lexical, syntaxique, sémantique et pragmatique) de changements langagiers qui distinguent les personnes avec une MA de témoins en santé, avec une prépondérance des marqueurs lexicosémantiques. Dans le groupe de patients avec une APP avec une imagerie amyloïde positive ou négative, nous mesurons ensuite le pouvoir de classification d’un court échantillon de discours et montrons qu’il peut être avantageusement comparé à d’autres biomarqueurs. Nous discutons du patron spécifique de marqueurs discriminants pour ce sous-groupe de patients, notamment l’importance des marqueurs psycholinguistiques pour prédire le résultat de l’imagerie amyloïde à partir du discours. / Alzheimer’s disease (AD) and primary progressive aphasias (PPA) feature changes in expressive language that appear early in the course of the disease. Within an automated analysis framework, these language changes could offer a non-invasive and inexpensive alternative to the collection of biomarkers which are not readily available in most settings. Current research is thus focused on the automated analysis of language data for clinical use. The usefulness of connected speech (CS) markers has not yet been established in a diagnostic perspective focused on biomarkers. To this aim, the present thesis contains two phases. First, we systematically review the CS markers that best differentiate persons with AD from healthy controls. Second, we automatically extract a wide array of CS markers in a heterogenous group of PPA patients by combining expert knowledge and the latest natural language processing software. A machine-learning classification approach identifies PPA patients for the presence of underlying AD pathology. The most discriminant CS features are identified. To integrate the two phases of the thesis, we provide a general introduction with the following sections: the pathophysiology of AD and PPAs, the growing importance of biomarkers in clinical decision-making for neurodegenerative diseases, the seminal studies of CS in neurodegenerative diseases, and the latest computational studies of CS markers in AD and PPA. Our results bring forth a multidimensional pattern (acoustic, lexical, syntactic, semantic, pragmatic) of language changes that distinguish people with AD from healthy controls, with an emphasis on lexical-semantic features. In the group of PPA patients with either positive or negative amyloid imaging, we then describe the classificatory power of a short sample of CS and show that it compares favorably to other biomarkers. We discuss the specific pattern of discriminant markers for this subgroup of patients, in particular the role of psycholinguistics.

Dans le cadre de cette thèse, nous proposons une prothèse de mémoire « intelligente », appelée CAPTAIN MEMO, destinée aux malades d’Alzheimer, pour pallier leurs problèmes mnésiques. Cette prothèse est basée sur l’ontologie temporelle, floue et multilingue appelée MemoFuzzyOnto.Cette prothèse offre des interfaces accessibles à cette classe particulière d’utilisateurs. Nous proposons, pour mettre en œuvre ces interfaces, une méthodologie de conception appelée InterfaceToAlz pour concevoir des interfaces accessibles aux malades d’Alzheimer, et qui offre un guide de 146 bonnes pratiques ergonomiques. De plus, nous proposons un outil de visualisation d’ontologies appelé Memo Graph qui génère un graphe dont la visualisation et la manipulation sont accessibles aux malades d’Alzheimer. Cette proposition est motivée par le fait que CAPTAIN MEMO a besoin de générer et d’éditer le graphe de la famille et de l’entourage du patient, à partir de l’ontologie MemoFuzzyOnto qui structure sa base de connaissances. Memo Graph est fondé sur notre guide de bonnes pratiques ergonomiques et notre approche, appelée Incremental Key-Instances Extraction and Visualisation, qui permet une extraction et une visualisation incrémentale du résumé des assertions ABox de l’ontologie. Il supporte également la visualisation des données ouvertes liées (Linked Data) et le passage à l’échelle. Par ailleurs, nous proposons, dans le cadre de cette thèse, une typologie de l’imperfection des données saisies (principalement due à la discordance mnésique provoquée par la maladie), et une méthodologie pour permettre à CAPTAIN MEMO d’être tolérante à la saisie des données fausses. Nous proposons un modèle d’évaluation de la crédibilité et une approche, nommée Data Believability Estimation for Applications to Alzheimer Patients, permettant d’estimer qualitativement et quantitativement la crédibilité de chaque donnée saisie. Enfin, pour que CAPTAIN MEMO soit tolérante à la saisie des intervalles temporels imprécis nous proposons deux approches : l’une basée sur un environnement précis et l’autre basée sur un environnement flou. Dans chacune des deux approches, nous étendons l’approche 4D-fluents pour représenter les intervalles temporels imprécis et les relations temporelles qualitatives, puis nous étendons l’algèbre d’Allen pour prendre en compte les intervalles imprécis dans le cadre de notre ontologie MemoFuzzyOnto. Nos contributions sont implémentées et évaluées. Nous avons évalué l’accessibilité de ses interfaces utilisateurs, le service de CAPTAIN MEMO qui a pour but de stimuler la mémoire du patient, notre approche pour l’estimation quantitative de la crédibilité des données saisies ainsi que la visualisation du graphe générée à l’aide de Memo Graph. Nous avons également évalué la performance de Memo Graph et son utilisabilité par des experts du domaine. / In the context of this thesis, we propose a “smart” memory prosthesis, called CAPTAIN MEMO, to help Alzheimer’s disease patients to palliate mnesic problems. It is based on a temporal, fuzzy and multilingual ontology named MemoFuzzyOnto. It provides accessible user interfaces to this demographic. To design these interfaces, we propose a methodology named InterfaceToAlz which serves as an information base for guiding and evaluating the design of user interfaces for Alzheimer’s disease patients. It identifies 146 design guidelines.Besides, we propose an ontology visualization tool called Memo Graph which offers an accessible and understandable visualization to Alzheimer’s disease patients. In fact, in the context of CAPTAIN MEMO, there is a need to generate the patient entourage/family tree from its personal data structured according to MemoFuzzyOnto. Memo Graph is based on our design guidelines and our approach, named Incremental Key-Instances Extraction and Visualisation, to extract and visualize descriptive instance summarizations from a given ontology and generate “summary instance graphs” from the most important data. It supports Linked Data visualization and scaling.Furthermore, we propose a typology of the imperfection of the data entered (mainly due to the memory discordance caused by this disease), and a methodology to allow false data entry. We propose a believability model and an approach called Data Believability Estimation for Applications to Alzheimer Patients to estimate qualitatively and quantitatively the believability of each data entered. Finally, CAPTAIN MEMO allows imprecise time intervals entry. We propose two approaches: a crisp-based approach and a fuzzy-based approach. The first one uses only crisp standards and tools and is modeled in OWL 2. The second approach is based on fuzzy sets theory and fuzzy tools and is modeled in Fuzzy-OWL 2. For the two approaches, we extend the 4D-fluents model to represent imprecise time intervals and qualitative interval relations. Then, we extend the Allen’s interval algebra to compare imprecise time interval in the context of MemoFuzzyOnto. Our contributions are implemented and evaluated. We evaluated the service of CAPTAIN MEMO which has the aim to stimulate the patient’s memory, the accessibility of its user interfaces, the efficiency of our approach to estimate quantitatively the believability of each data entered and the visualization generated with Memo Graph. We also evaluated Memo Graph with domain expert users.

Neuroscience / La démence de type d’Alzheimer est la plus commune des démences. Elle entraîne un déclin dans les capacités cognitives et fonctionnelles, se traduisant dans des difficultés au niveau de la prise de décision, de l’accomplissement de tâches quotidiennes, de la communication ainsi qu’au niveau de la mémoire et de l’attention. On remarque également une diminution de l’état émotionnel et une apathie chez ces patients. Ce mémoire explore une nouvelle approche pour atténuer les effets psychologiques et cognitifs de la maladie. Les recherches effectuées dans ce mémoire explorent les impacts cognitifs et les effets sur le bien-être d'une intervention utilisant la réalité virtuelle sur les personnes souffrant de déclin cognitif subjectif. Deux environnements virtuels ont été testés : le premier étant un environnement dans lequel le participant voyage en train à travers différents climats, et le second étant un environnement de musicothérapie qui s’adapte en fonction de la réponse émotionnelle du participant. Pour mesurer les impacts sur l'état affectif, des lectures électroencéphalographiques ont été prises et analysées afin de déduire l'émotion ressentie par le participant avant, pendant et après l'expérience. Les résultats montrent une amélioration générale de l'état émotionnel pour les deux environnements. Quant à la mesure des effets sur les fonctions cognitives, des tâches d'attention et de mémoire ont été effectuées par les participants avant et après l'immersion. Les résultats montrent une légère amélioration des capacités d'attention et une meilleure amélioration de la mémoire. Nous approprions cet écart dans l'expérience de musicothérapie à l'activation musicale d'un réseau de structures cérébrales impliquées dans les expériences agréables : le circuit de récompense. Nous proposons que la musique facilite la rétention de la mémoire chez les personnes souffrant de démence. En effet, les résultats de l’amélioration des fonctions cognitives pour les deux expériences précédentes dépendent fortement de la précision de l'outil de mesure cognitive utilisé pour évaluer les performances d'attention et de mémoire avant et après l'intervention. Pour assurer cette précision, ce mémoire présente un outil de mesure des performances cognitives basé sur des tâches cognitives qui ont montré à plusieurs reprises leur fiabilité. Cet outil d’adresse aux personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer pré-clinique et diagnostiquée. / Alzheimer’s disease is an irreversible disease which causes progressive memory loss and cognitive decline, eventually leading to severe inability to perform basic day-to-day tasks. The urgency to find an effective cure to the disease is crucial, as the medical and economical spin-offs could be disastrous. The present thesis explores a novel approach to help attenuate the psychological and cognitive effects of the disease. The research carried out for this thesis explored cognitive effects and impacts on overall well-being of a virtual reality intervention on people suffering from subjective cognitive decline. Two virtual environments were tested: the first being an environment in which the participant travels through different climates by train, and the second being a music therapy environment modified as a function of emotional response. To measure the effects on affective state, electroencephalography readings were taken and analyzed to infer the emotion felt by the participant before, during the experiment. Results show a general improvement in emotional state. To measure the effects of the environments on cognitive functions, attention and memory tasks were carried out by the participants before and after the immersion. Results show a small improvement in attention skills and a more substantial improvement in memory skills. We appropriate this discrepancy in the music therapy experiment to the musical activation of a network of brain structures involved in rewarding and pleasurable experiences. We propose that music could facilitate memory retention in people sufferance for dementia. Importantly, the results of the previous experiments rely heavily on the accuracy of the cognitive measurement tool used to evaluate attention and memory performances before and after the intervention. To provide this accuracy, this thesis presents a cognitive performance measurement tool based on cognitive tasks which have repeatedly shown to output reliable results. This tool is created to serve for people with pre-clinical Alzheimer’s disease and diagnosed Alzheimer’s disease. Additionally, this tool is designed in such a way as to minimize the effects of repetition as well as varying levels of education and language. This thesis presents a novel and promising research in the realms of computer sciences and health care.

Le vieillissement normal est caractérisé par un déclin cognitif subtil. Ce vieillissement cognitif est hétérogène : il existe des différences inter- et intra-individuelles dans la nature et l’étendue du déclin cognitif. L’hétérogénéité inter-individuelle se manifesterait par la présence de plusieurs profils cognitifs distincts parmi les personnes âgées normales (PAN). L’hétérogénéité cognitive peut également s’observer de manière intra-individuelle par une plus grande variabilité, soit une plus forte dispersion, dans les performances cognitives lors d’un contexte d’évaluation neuropsychologique chez un individu. Chez les PAN, certains profils cognitifs et mesures de dispersion ont été associés à un risque de développer une démence. Par ailleurs, la présence de biomarqueurs de la maladie d’Alzheimer (MA) est retrouvée chez une proportion significative de PAN et ces biomarqueurs auraient un impact délétère sur le fonctionnement cognitif dans le vieillissement normal. Ainsi, l’objectif de cette thèse est de mieux comprendre l’impact de différents biomarqueurs de la MA sur le fonctionnement cognitif des PAN, plus spécifiquement sur l’hétérogénéité cognitive que l’on retrouve au sein du vieillissement normal. Dans le cadre de cette thèse, composée de deux articles, 104 PAN ont réalisé une évaluation neuropsychologique approfondie, un examen de tomographie par émission de positons (PIB-TEP) permettant de quantifier la présence cérébrale du peptide bêta-amyloïde (βA), ainsi qu’un examen d’imagerie par résonance magnétique (IRM) permettant de mesurer les hyperintensités de la substance blanche (HSB) ainsi que l’épaisseur corticale. Le premier article de cette thèse porte sur l’hétérogénéité cognitive inter-individuelle. Les objectifs étaient : (1) de caractériser les différents profils cognitifs présents au sein du groupe PAN et (2) d’évaluer s’il existait des liens entre ces profils et les biomarqueurs de la MA. Trois profils cognitifs ont été identifiés : un profil où les performances cognitives sont globalement supérieures à la moyenne de l’échantillon, un profil où les performances sont généralement dans la moyenne et un dernier profil, minoritaire, où la majorité des performances se situent sous la moyenne. Uniquement ce dernier profil était associé à une charge amyloïde accrue et la présence plus importante d’HSB. Ces résultats suggèrent qu’au sein du vieillissement normal, un sous-groupe de participants présente un fonctionnement cognitif sous-optimal qui est en lien avec la présence de biomarqueurs de la MA. Le deuxième article porte sur l’hétérogénéité intra-individuelle et avait pour objectif de déterminer si la dispersion cognitive était associée à la présence des biomarqueurs de la MA. Les résultats montrent que, globalement, la dispersion n’est pas significativement associée à la présence de biomarqueurs de la MA. Seuls les scores de dispersion pour les domaines de la mémoire épisodique et en fonctionnement exécutif étaient associés aux HSB. Ces résultats suggèrent que la dispersion dans le vieillissement cognitif normal n’est pas directement associée à la pathologie Alzheimer. Cependant, certains éléments de cette dispersion pourraient être en lien avec une santé cérébrovasculaire sous-optimale. En conclusion, les résultats de cette thèse sont discutés à la lumière des connaissances actuelles. Les implications théoriques et cliniques de ces résultats sont abordées et différentes pistes de recherches futures sont évoquées. / Normal aging is characterized by subtle cognitive decline. This cognitive decline is heterogeneous: there are interindividual and intraindividual differences in the nature and extent of cognitive decline. Interindividual heterogeneity is thought to be manifested by the presence of several distinct cognitive profiles among normal older adults. Cognitive heterogeneity can also be observed in an intraindividual fashion through greater variability, or greater dispersion, in cognitive performance, in the context of an individual's neuropsychological assessment. In normal aging, certain cognitive profiles and measures of dispersion have been associated with a risk of developing dementia. Additionally, the presence of Alzheimer's disease (AD) biomarkers is found in a significant proportion of normal older adults and these biomarkers have a deleterious impact on cognitive functioning in normal aging. Thus, the objective of this thesis is to better understand the impact of different AD biomarkers on the cognitive functioning of normal older adults, more specifically, on the cognitive heterogeneity that is found in normal aging. As part of this thesis, composed of two articles, 104 normal older adults carried out an in-depth neuropsychological evaluation and cerebral imaging scan, a positron emission tomography (PIB-PET) examination and a magnetic resonance imaging (MRI) exam, to measure cerebral beta-amyloid peptides, white matter hyperintensities (WMH) and cortical thinning. The first article of this thesis deals with interindividual cognitive heterogeneity. The objectives were: (1) to characterize the different cognitive profiles present within the normal older adult group and (2) to assess whether there are links between these profiles and AD biomarkers. Three cognitive profiles have been identified: a profile where cognitive performance is overall higher than the sample average, a profile where performance is generally average and a final profile, where the majority of performance is below the average. This last profile was the only one associated with a greater amyloid load and an increased presence of WMH. These results suggest that within normal aging, a subgroup of participants exhibits suboptimal cognitive functioning and that this cognitive functioning is related to a greater AD biomarkers presence. The second article examines intraindividual heterogeneity and aimed to determine whether or not cognitive dispersion is associated with the presence of AD biomarkers. The results show that overall, dispersion is not significantly associated with the presence of AD biomarkers. Only dispersion scores for the domains of episodic memory and executive functioning were associated with WMH. These results suggest that dispersion in normal cognitive aging is not directly associated with AD biomarkers. However, some elements of cognitive dispersion could be linked to suboptimal cerebrovascular health. In conclusion, the results of this thesis are discussed in light of current knowledge. The theoretical and clinical implications of these results are explored and various avenues for future research are proposed.

Alzheimer’s sjukdom är en neurodegenerativ sjukdom som leder till demens. Den kan börja tyst i de tidiga stadierna och fortsätta under åren till en allvarlig och obotlig fas. Språkstörningar uppstår ofta som ett av de tidiga symptomen och kan till slut leda till fullständig mutism i de avancerade stadierna av sjukdomen. Därför är tal- och språkbaserad analys en lovande och icke-invasiv metod för att upptäcka Alzheimer’s sjukdom i dess tidiga stadier. Vårt mål är att använda maskininlärning för att jämföra informationmängden hos språkliga representationer i stora språkmodeller och förtränade akustiska representationer. Såvitt vi vet är detta första gången som GPT-3 och wav2vec2.0 har använts tillsammans för klassificering av Alzheimer’s sjukdom. Dessutom utnyttjade vi för första gången en kombination av två stora språkmodeller, GPT-3 och BERT, för denna specifika uppgift. Genom att utvärdera vår metod på två datamängder på engelska och svenska kan vi också belysa språkskillnaderna mellan dessa två språk. / Alzheimer’s disease is a neurodegenerative disease that leads to dementia. It can begin silently in the early stages and progresses over the years to a severe and incurable stage. Language impairment often emerges as one of the early symptoms and can eventually progress to complete mutism in advanced stages of the disease. As a result, speech processing is a promising and non-invasive approach for detecting Alzheimer’s disease in its early stages. Our objective is to compare the informativeness levels of linguistic embedding derived from large language models and pre-trained acoustic embedding extracted using wav2vec2.0, in a machine learning-based approach. To the best of our knowledge, this is the first time that fusing GPT-3 text embedding and wav2vec2.0 acoustic embedding has been explored for Alzheimer’s disease classification. In addition, we utilized a combination of two large language models, GPT-3 and BERT, for the first time on this specific task. By evaluating our method on two datasets in English and Swedish, we can also highlight the language differences between these two languages.