Les fonctions exécutives (FE), et en particulier le Contrôle Inhibiteur (CI), jouent un rôle très important dans la réussite académique et professionnelle ainsi que dans la physiopathologie de nombreux troubles psychiatriques. L'adolescence est une période critique du développement du CI, ce dernier étant sous-tendu en particulier par la maturation tardive du cortex préfrontal jusqu’au début de l'âge adulte. Le premier objectif de cette thèse a été de cartographier les bases neurales du CI durant le développement et d'en évaluer leurs spécificités en les comparant avec celles de la mémoire de travail (MdT), une autre composante clef des FE. À partir d'une méta-analyse des études en IRMf du CI et de la MdT incluant 845 enfants, 1377 adolescents et 10235 adultes, nous avons identifié des modifications de l'activité fonctionnelle, à savoir le passage d'un réseau diffus à un réseau focal plus spécialisé avec l'âge, en accord avec un modèle dynamique du développement cérébral. Un large recouvrement de régions fronto-pariétales pour le CI et la MdT a également été détecté, ce qui soulève la question de la spécificité des processus et des tâches de ces deux FE. Par la suite, nous avons analysé l'effet à long terme du neuro-développement précoce sur le CI à partir de l'étude de la morphologie sulcale, un paramètre anatomique du cerveau déterminé lors de la vie fœtale. Dans un premier temps, nous avons montré, d'après une analyse longitudinale de 243 IRM, la stabilité du motif des sillons durant le développement. Nous avons par la suite établi que les polymorphismes sulcaux du cortex cingulaire antérieur et du sillon frontal inférieur contribuaient, de manière complémentaire, à l'efficience du CI chez l'enfant et également chez l'adulte. Enfin, nous nous sommes intéressés à l’entraînement cognitif au CI à l'adolescence, une période de très grande plasticité cérébrale et de sensibilité à l'environnement. Nous avons étudié chez 49 adolescents de 16-17 ans l'effet d'un entraînement intensif sur tablette tactile (25 sessions de 15 minutes par jour) au CI versus Contrôle Actif aux niveaux cognitif et cérébral (IRMf : tâches de stop-signal, de matrice de points, du réseau attentionnel et de gratification retardée). Nous avons en particulier évalué l'effet des facteurs neurodéveloppementaux précoces sur la réceptivité à l’entraînement au CI. Ces travaux s'inscrivent dans un nouveau champ de recherche interdisciplinaire à l'interface entre les neurosciences et la psychologie. Dans une perspective translationnelle éducative et thérapeutique, il vise à évaluer le plus finement possible, grâce à l'imagerie cérébrale anatomique et fonctionnelle, quelles interventions pédagogiques et thérapeutiques sont susceptibles d'aider au mieux le cerveau à surmonter des difficultés d'ordre cognitif. / Executive functions (EF), including Inhibitory Control (IC), play a major role in academic and professional achievement, as well as in the pathophysiology of many psychiatric disorders. Adolescence is a critical period in IC development as it is underlain by the protracted maturation of prefrontal cortex until early adulthood. The first objective of this thesis was to examine the neural bases of IC during development and to evaluate their specificities by comparing them with the working memory (WM), another key component of EF. Based on a meta-analysis of IC and WM fMRI studies including 845 children, 1377 adolescents and 10235 adults, we identified changes in functional activity with a shift from a diffuse to a more focal and specialized network with age. These results support the model of dynamic neurofunctional development. Moreover, a large overlap of fronto-parietal regions was found for IC and WM, which raises issues regarding the specificities of IC and WM processes and tasks. Second, we analyzed the long-term effect of early neurodevelopment on IC based on the sulcus morphology, an anatomical brain feature determined during fetal life. We showed, using a longitudinal analysis of 243 MRIs, that folding patterns are fixed from childhood to adulthood. Subsequently, we established that the sulcal polymorphisms of the anterior cingulate cortex and the inferior frontal sulcus complementary contributed to IC efficiency in both children and adults. Finally, we studied IC training in adolescence, a period of high brain plasticity and environmental sensitivity. We examined the effects of an intensive IC training (25 sessions of 15 minutes per day) versus active control training group on touchscreens in 49 adolescents (16-17 years-old) on cognitive and brain levels (fMRI: stop-signal, dot matrix, attentional network and delayed gratification tasks). We also assessed the effect of early neurodevelopmental factors on IC training receptivity. This thesis is part of a new field of interdisciplinary research, at the interface between neurosciences and psychology. It includes translational educational and therapeutic perspectives, with aims at evaluating as finely as possible, using anatomical and functional brain imaging, what pedagogical and therapeutic interventions are likely to help the brain to overcome cognitive difficulties.

Le ligament croisé antérieur (LCA) demeure un des ligaments du genou le plus souvent blessé. Un mauvais positionnement des tunnels osseux est souvent mis en cause dans les échecs de reconstructions du LCA. Une meilleure compréhension biomécanique du phénomène devient essentielle. Par l’utilisation de l’imagerie biplanaire stéréoradiographique à faible irradiation EOS , notre groupe a développé une méthode de reconstruction 3D permettant une description morphologique osseuse remarquable. Par l’entremise de ce système, un référentiel permet d’évaluer, de manière automatisée, précise et reproductible, le positionnement tridimensionnel des tunnels osseux. Notre groupe souhaite partager ce référentiel afin d’assister les chirurgiens orthopédistes à restaurer une biomécanique optimale dans les reconstructions du LCA. / The anterior cruciate ligament (ACL) remains one of the most injured ligament of the knee. Mispositioning the tunnels remains a common cause of ACL reconstruction failure. A better biomechanical description of this phenomenon is therefore essential. Using the low irradiation biplanar stereoradiographic EOStm imaging system, our group developed a 3D reconstruction method allowing a precise morphologic description of the knee. With this system, the tridimensional positioning of the femoral tunnel can be evaluated in a novel, computerized, precise and reproducible coordinate system. With this referential, our group wish to assist orthopedic surgeons in the restoration of optimal biomechanics in ACL reconstructions.

Parmi les blessures sportives reliées au genou, 20 % impliquent le ligament croisé antérieur (LCA). Le LCA étant le principal stabilisateur du genou, une lésion à cette structure engendre une importante instabilité articulaire influençant considérablement la fonction du genou. L’évaluation clinique actuelle des patients ayant une atteinte au LCA présente malheureusement des limitations importantes à la fois dans l’investigation de l’impact de la blessure et dans le processus diagnostic. Une évaluation biomécanique tridimensionnelle (3D) du genou pourrait s’avérer une avenue innovante afin de pallier à ces limitations. L’objectif général de la thèse est de démontrer la valeur ajoutée du domaine biomécanique dans (1) l’investigation de l’impact de la blessure sur la fonction articulaire du genou et dans (2) l’aide au diagnostic. Pour répondre aux objectifs de recherche un groupe de 29 patients ayant une rupture du LCA (ACLD) et un groupe contrôle de 15 participants sains ont pris part à une évaluation biomécanique 3D du genou lors de tâches de marche sur tapis roulant. L’évaluation des patrons biomécaniques 3D du genou a permis de démontrer que les patients ACLD adoptent un mécanisme compensatoire que nous avons intitulé pivot-shift avoidance gait. Cette adaptation biomécanique a pour objectif d’éviter de positionner le genou dans une condition susceptible de provoquer une instabilité antérolatérale du genou lors de la marche. Par la suite, une méthode de classification a été développée afin d’associer de manière automatique et objective des patrons biomécaniques 3D du genou soit au groupe ACLD ou au groupe contrôle. Pour cela, des paramètres ont été extraits des patrons biomécaniques en utilisant une décomposition en ondelettes et ont ensuite été classifiés par la méthode du plus proche voisin. Notre méthode de classification a obtenu un excellent niveau précision, de sensibilité et de spécificité atteignant respectivement 88%, 90% et 87%. Cette méthode a donc le potentiel de servir d’outil d’aide à la décision clinique. La présente thèse a démontré l’apport considérable d’une évaluation biomécanique 3D du genou dans la prise en charge orthopédique de patients présentant une rupture du LCA; plus spécifiquement dans l’investigation de l’impact de la blessure et dans l’aide au diagnostic. / The anterior cruciate ligament (ACL) is involved in approximately 20% of all sports-related knee injuries. An injury to the ACL, the primary stabilizer of the knee, will lead to knee joint instability and functional impairment. Unfortunately, current clinical assessments of ACL-deficient patients present limitations with respect to the investigation of the impact of the injury on knee function. A 3D knee biomechanical assessment could provide innovative information to overcome these drawbacks. The main objective of the doctoral theses is to demonstrate the role of biomechanics in (1) the investigation of the impact of the injury on knee function and in (2) the diagnostic process. Twenty-nine ACL-deficient patients and a control group of fifteen healthy participants took part in a 3D knee biomechanical assessment during treadmill walking. By assessing the 3D knee biomechanical patterns of each group we observed that ACL-deficient patients adopted a gait compensatory mechanism: the Pivot-shift avoidance gait. The explanation for this adaptative strategy is to avoid placing the knee in a position biomechanically favorable to anterolateral rotatory instability during gait. Furthermore, an automatic classification method capable of distinguishing ACL deficient patients from an asymptomatic population was developed. Features were extracted from the 3D knee biomechanical patterns using a wavelet decomposition method and then classified by the nearest neighbour rule. The proposed classification method obtained a level of accuracy, sensitivity and specificity of 88%, 90% and 87% respectively. This method shows great potential as a diagnostic aid in a clinical setting. This thesis demonstrates that biomechanics plays a substantial role in the management of ACL injuries by improving the understanding of the impact of the injury on knee function and by its capacity to serve as a diagnostic aid.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Avec l'émergence des voyages spatiaux, plusieurs adaptations physiologiques ont été recensées en état d'apesanteur. L'apesanteur dans l'espace décroît l'activité et le chargement mécanique des muscles les plus importants pour déplacer et supporter le poids du corps, dans le but de maintenir une posture droite. Ces muscles, principalement les groupes musculaires des membres inférieurs, sont appelés muscles supporteurs du poids ; en réponse à une utilisation réduite, ils s'affaissent et dépérissent, ou s'atrophient. Les changements incluent une réduction de la grosseur du muscle [59, 60], la décomposition des protéines musculaires [61], la réduction de la force [69, 70] et de l'endurance [60] musculaires, de même que des changements dans les types de fibres présentes dans les muscles [61]. La faiblesse et le mauvais fonctionnement musculaire survenant suite à une exposition aux vois spatiaux réfèrent communément à l'atrophie musculaire fonctionnelle induite par microgravité (l'atrophie musculaire fonctionnelle signifie une réduction du volume des muscles liée à l'inactivité). Aucun de ces changements ne présente un problème pour les astronautes tant et aussi longtemps qu'ils n'effectuent que de légers travaux. Pour les astronautes, le problème devient critique lorsqu'ils reviennent sur terre et que les muscles affaiblis sont de nouveau soumis à la force de gravité intégrale. Dans une situation d'urgence, les individus aux muscles affaiblis seraient moins aptes à répondre rapidement ou à utiliser la force musculaire. À présent, l'atrophie musculaire fonctionnelle des muscles des membres inférieurs induite par microgravité demeure un sérieux problème pour les astronautes qui poursuivent un vol spatial prolongé. Des contremesures comme l'exercice physique [91] peuvent aider au maintien de la -force et des fonctions musculaires, toutefois l'exercice seul est insuffisant pour prévenir l'excès en perte musculaire. Ainsi, il est nécessaire de développer des solutions plus efficaces. La présente recherche a été entreprise afin d'évaluer l'efficacité de la stimulation électrique thérapeutique (SET) pour minimiser l'atrophie musculaire fonctionnelle et le mauvais fonctionnement musculaire chez des patients ayant subi une reconstruction du ligament croisé antérieur (LCA). Le LCA est fréquemment lésé au cours de pratiques sportives. Une atrophie et un affaiblissement significatifs du groupe musculaire du quadriceps femoris (GMQF) survient suite à la reconstruction du LCA [131] et s'applique aux adaptations neuromusculaires survenant chez les astronautes suite à une exposition prolongée en état d'apesanteur. L'objectif de cette recherche était d'entreprendre des expériences préliminaires afin de déterminer le paradigme de stimulation le plus efficace pour minimiser l'atrophie musculaire fonctionnelle des membres inférieurs induite par microgravité chez les astronautes. Le recours à des patients ayant subi une reconstruction du LCA fournit un modèle adéquat servant à étudier les traitements pouvant minimiser de tels déficits des fonctions musculaires. Au total, 24 patients ont été assignés au hasard dans deux groupes, soit un groupe expérimental (n=12) ou un groupe contrôle (n=12), suite à la reconstruction du LCA grâce à une greffe du tendon patellaire. Durant les 12 semaines suivant l'opération, tous les patients ont suivi un programme standard de réhabilitation. De plus, le groupe expérimental a reçu un traitement par SET pendant six à huit heures, et ce, cinq soirs par semaine. Le torque maximal isocinétique du GMQF, le travail et la puissance moyenne ont été mesurés dans les deux membres inférieurs à 60°/sec et à 180°/sec, en plus de l'activation neurale (iEMG) et de la fréquence de la puissance -médiane (MED) des muscles vastus medialis et vastus lateralis, avant l'opération et à six et 12 semaines après l'opération. Toutes les mesures ont été standardisées en pourcentage du GMQF sain. Les résultats indiquent qu'après l'opération, le torque maximal isocinétique, le travail et la puissance moyenne étaient significativement réduits (p<0,01) dans le GMQF lésé, et ce pour les deux vitesses, à six et à 12 semaines, comparativement aux valeurs préopératoires. L'activité iEMG du muscle vastus lateralis était significativement réduite à six (p<0,01) et à 12 semaines (p<0,05) suite à l'opération. Toutefois, aucune réduction significative de l'activité iEMG du vastus medialis n'a été observée, et ce pour les deux vitesses, à six et à 12 semâmes après l'opération. Le MED est passé à des fréquences plus basses dans les muscles vastus lateralis (p<0,01) et vastus medialis (p<0,05) lorsque mesurée à six semaines. Cependant, 12 semaines après l'opération, le MED du vastus lateralis était revenu aux valeurs préopératoires, alors que le changement de MED du vastus medialis persistait (p<0,05). Aucune différence significative n'a été observée entre les groupes contrôle et expérimental en terme de mesures du torque maximal isocinétique et d'activation des muscles vastus lateralis et vastus medialis tout au long de l'étude. En conclusion, la SET combinée à la réhabilitation n'a pas fourni de bénéfice supplémentaire en terme d'amélioration de la récupération du GMQF au début de la phase postopératoire chez des patients ayant subi une reconstruction du LCA grâce à une greffe du tendon patellaire.

Les fonctions cognitives reposent sur la communication dynamique de régions cérébrales interconnectées. Dans la maladie d’Alzheimer (MA), les travaux antérieurs suggèrent que le processus neuropathologique cible de façon précoce un ou plusieurs systèmes anatomo-fonctionnels spécifiques. La dysfonction du réseau par défaut a été objectivée de façon consistante. Cependant, ses relations avec les symptômes cliniques et avec l’atteinte des régions du lobe temporal interne qui lui sont fonctionnellement connectées restent à clarifier. L’IRM fonctionnelle de repos est une technique pertinente pour caractériser in vivo chez l’Homme la connectivité cérébrale.Par une approche des systèmes neuraux, ce travail de thèse a pour objectif de caractériser la réorganisation fonctionnelle neuronale dans la MA, ses corrélats cliniques, ainsi que l’influence de l’âge de début des symptômes. Par le recueil et l’analyse des données neuropsychologiques, en IRMf de repos et en IRM structurale, acquises chez des sujets avec des troubles de la mémoire et avec une forme mnésique légère de MA, notre travail apporte des éclairages : i) sur l’implication du réseau temporal antérieur dans la mémoire déclarative décontextualisée et ses modifications dans le cours de la MA ; ii) sur les similitudes et spécificités des systèmes anatomo-fonctionnels ciblés dans les deux formes cliniques distinctes - à début précoce et tardif - de la MA ; iii) sur la réorganisation de l’organisation topologique cérébrale dans son ensemble de ces deux formes de la maladie. / Cognitive functions rely on the dynamic interplay of connected brain regions. Previous studies suggest that in Alzheimer disease (AD), early pathological changes target one or several specific anatomo-functional networks. Dysfunction of the default mode network is a consistent finding. However, its relationship with clinical symptoms and interconnected medial temporal regions remains to be clarified. Resting state functional MRI (fMRI) is an emerging method aimed at characterizing in vivo brain connectivity in the Human.Using a neural system approach, the aim of this thesis was to characterize neuronal functional reorganization in AD, its clinical correlates, and to determine the influence of age at onset. Neuropsychological data, structural and fMRI were obtained in subjects with early memory impairment and mild “amnestic” AD. This work provides new insights into : i) the functional role of the anterior temporal network in context-free declarative memory and its changes throughout the course of AD; ii) the common and specific features in targeted anatomo-functional networks between early and late onset AD ; iii) the reorganization of whole brain topological properties in the two forms of the disease.

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La rhinosinusite chronique (RSC) est une maladie avec une haute prévalence au Canada et des impacts économiques et individuels importants. Une des options thérapeutiques dans l’algorithme complexe de traitement est la chirurgie endoscopique des sinus (CES), qui est préconisée chez les patients qui ont une réponse insatisfaisante à la thérapie médicale. Le présent mémoire porte sur les critères minimaux nécessaires à l’atteinte du succès en matière de CES. Dans un premier temps, une consultation d’experts en RSC Canadiens provenant de 12 institutions nous a permis d’offrir des définitions du succès acceptable ainsi que du succès optimal du point de vue des prestataires de santé. Dans un deuxième temps, une étude auprès de 22 patients souffrant de RSC nous a permis d’identifier les thèmes importants qui doivent guider le processus décisionnel collaboratif. La première étude a permis de conclure qu’une définition du succès post-opératoire en CES se doit de comporter 2 composantes : un aspect objectif (endoscopie nasale) et un aspect subjectif (test d’issues mesurées par le patient ou questionnaire spécifique). Selon les experts, pour parler de succès optimal il faut une résolution complète des symptômes ainsi qu’un résultat endoscopique parfait. La deuxième étude a permis de démontrer que les patients accordent beaucoup plus d’importance à la résolution du symptôme cardinal qui les a amenés à consulter. Cette dernière étude a également permis une exploration plus large des objectifs et attentes, ainsi que de l’expérience patient en ce qui a trait à la RSC et à la CES. En conclusion, l’évaluation des aspects subjectifs devrait être l’aspect le plus important que les cliniciens évaluent pour parler de succès. Une évaluation de la cavité nasale et des sinus devrait complémenter cette évaluation environ 3 mois après la chirurgie. Ce mémoire inclus des algorithmes pour aider les cliniciens dans l’évaluation du succès opératoire après une CES. / Chronic rhinosinusitis (CRS) is a prevalent, complex disease with important economic and individual impacts. Functional endoscopic sinus surgery (FESS) is widely used treatment for CRS, which is considered in patients with an unsatisfactory response to maximal medical therapy. This thesis examines the different ways clinicians may obtain feedback with regards to post-operative success and aims to offer definitions of acceptable success and optimal success. First, a consultation of Canadian experts in CRS from 12 institutions permitted us to construct definitions of acceptable and optimal success from healthcare providers’ viewpoint. Second, a study in collaboration with 22 patients suffering from CRS allowed us to identify key themes which will facilitate the inclusion of primary stakeholders in shared decision-making. The first study allowed us to conclude that a definition of postoperative success must be based on 2 components: an objective aspect (nasal endoscopy) and a subjective aspect (patient-reported outcome measure or specific questionnaire). According to experts, optimal success requires a complete resolution of symptoms as well as a perfect endoscopic result. With the second study, we demonstrated that patients tend to focus on the resolution of their cardinal symptom. This last study also allowed us to widely explore patients’ objectives and expectations, as well as their experience with CRS and FESS. In conclusion, subjective aspects should be the most important determinants of success after FESS. In addition, an evaluation of the nasal cavity and sinuses should complement the subjective evaluation approximately 3 months after surgery. This thesis includes algorithms to aid clinicians in evaluating the outcome of FESS for patients with CRS.