Si les régions cérébrales du langage ont étélargement explorées grâce à l’IRM fonctionnelle (IRMf) et la stimulation électrique directe (SED)peropératoire, leur connectivité reste encore incomplètement documentée. Il n’est pas seulement débattuquels faisceaux de SB contribuent au langage, mais également quelle est leur anatomie précise et leur rôlefonctionnel spécifique. Une meilleure compréhension du connectome du langage est requise pourdiminuer la morbidité postopératoire en neurochirurgie et développer de nouveaux traitements cibléspour la rééducation des aphasies. Notre objectif était de cartographier structurellement etfonctionnellement, in vivo, la connectivité du langage. Dans une première étude préclinique portant sur 2Oadultes sains, nous avons combiné des informations structurelles axonales révélées par la tractographieavec des informations fonctionnelles corticales dérivées de l’IRMf (tâche de lecture compréhensive). Huitfaisceaux de SB ont été explorés —i.e. faisceau arqué, faisceau longitudinal supérieur, faisceau frontooccipitalinférieur, faisceau unciné, faisceau longitudinal inférieur, faisceau longitudinal moyen, faisceauoperculo-prémoteur, faisceau frontal transverse—, dont le rôle fonctionnel a été analysé en recherchantune connexion entre leurs terminaisons corticales et les activations IRMf. Les caractéristiquesanatomiques des faisceaux (i.e. volume, longueur, terminaisons corticales), leurs asymétries interhémisphériqueset leurs variations interindividuelles ont été colligées. Ce protocole a permis deconstruire le connectome du langage et d’étudier en détails son organisation structurelle macroscopique.Dans une seconde partie, ces données ont été transposées à la clinique pour le traitement chirurgical depatients souffrant de tumeurs cérébrales (gliomes) en régions du langage. Pendant la résection tumorale,des images de tractographie intégrées à un système de neuronavigation ont été systématiquementcombinées à la SED au cours d’un test de dénomination orale d’images. Ce protocole opératoire a permisd’optimiser les résultats chirurgicaux en termes de qualité d’exérèse et de préservation du langage, et aconstitué une opportunité unique d’étudier en temps réel les corrélations structure – fonction. Encouplant la localisation anatomique précise où chaque SED a été délivrée —obtenue grâce aux images detractographie naviguées— et la sémiologie des paraphasies induites par la SED —colligée par unorthophoniste présent au bloc opératoire—, nous avons déterminé le rôle spécifique de 5 faisceaux tantcortico-corticaux (faisceau arqué, faisceau fronto-occipital inférieur, faisceau frontal transverse) quecortico-sous-corticaux (fibres prémotrices orofaciales, faisceau fronto-striatal) dans différentes souscomposantesdu langage, i.e. traitement phonologique, traitement sémantique, contrôle moteur,planification articulatoire, contrôle exécutif/cognitif de la réponse verbale. Considérés de façon globale,nos résultats permettent d’envisager une meilleure compréhension de l’organisation anatomofonctionnelledes réseaux cérébraux du langage. Au-delà de l’intérêt scientifique, la possibilité deconstruire le connectome du langage spécifique à chaque individu ouvre la voie vers d’importantesapplications en neurochirurgie, dans une perspective de médecine personnalisée. Aujourd’hui, la chirurgiedes tumeurs cérébrales guidée par l’image. Demain, le développement de nouveaux traitements pour larééducation des aphasies, e.g. la déposition ciblée d’agents pharmacologiques, de cellules souches ou deneuromodulations, interagissant directement avec la connectivité résiduelle épargnée par la lésion. / The langage connectome is defined as the neuronal networks that subserve languagefunctions. Anatomically, it comprises specialized cortical areas and modulatory subcortical areas (i.e. deepgray nuclei and cerebellum), as well as their interconnections trough white matter (WM) fascicles.Although brain regions involved in language have been largely explored thanks to functional MRI (fMRI)and intraoprative electrical stimulation (IES), the underlying WM connectivity is still not mastered. It isnot only unknown which WM fascicles specifically contribute to language, but there is also much debateabout their precise anatomy and the functions they subserve during language processing. Betterunderstanding of the structural and functional organization of the language connectome is requisite toreduce postoperative morbidity in neurosurgery and develop targeted treatments for aphasiarehabilitation. Herein, our objective was to map structurally and functionally, in vivo, the subcorticalconnectivity of language. First, we conducted a preclinical study in 20 healthy subjects, combining DTItractography and fMRI (reading comprehension task) to yield connectivity associated with language. Weexplored 8 WM fascicles that have been proposed as putative candidates for language —i.e. arcuatefascicle, superior longitudinal fascicle, inferior fronto-occipital fascicle, uncinate fascicle, inferiorlongitudinal fascicle, middle longitudinal fascicle, operculopremotor fascicle, frontal aslant tract—, towhich we assigned functionality by tracking their connections to the fMRI-derived clusters. We generateda normative database of anatomical characteristics for each WM fascicle, such as volume, length, corticalterminations and their interhemispheric and interindividual variations. By using this construct, weprovided in explicit details the structural map of the language connectome. Second, this body ofknowledge was transposed to brain tumor surgery. Patients suffering of gliomas located close to languageregions were operated on under local anesthesia (i.e. awake surgery) in order to perform intraoperativelanguage mapping (object naming task). Essential language sites were localized through IES andanatomically characterized thanks to navigated tractography images. This intraoperative protocol allowedmaximum tumor resection while preserving language functions. Furthermore, it gave us a uniqueopportunity to perform reliable, real-time structure – function relationships, determining the role of 5WM fascicles (arcuate fascicle, inferior fronto-occipital fascicle, frontal aslant tract, orofacial premotorfibers, frontostriatal fascicle) in different subcomponents of language, i.e. phonological processing,semantic processing, articulatory planning, motor control and executive/cognitive control of verbalresponse. Globally considered, our results allow a better understanding of the anatomo-functionalorganization of the language network in the human brain. Beyond the scientific interest, the possibility toconstruct the individual (patient-specific) connectome paves the way for major applications inneurosurgery, in the perspective of personalized medicine. Today, the maximum safe resection of braintumors located in eloquent language areas, guided by navigated, multimodal images. Tomorrow, thedevelopment of new treatments for rehabilitation of post-stroke aphasia patients, such as the targeteddelivery of drugs, stem cells, or neuromodulation devices, fitting with the residual functional connectivityspared by the lesion.

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The preterm delivery (<37 weeks gestation) rates are generally 5-9% in Europe, 12-13% in the US, and each year about 13 millions preterm infants are born worldwide (MacDorman and Mathews, 2009; Slattery and Morrison, 2002). The early exposure to the extra-uterine environment increases the risks of perinatal brain injury, involving more often the white matter. The white matter injury is characterized by a potential subsequent occurrence of cognitive problems, of developmental delay and of major motor deficits (e.g. cerebral palsy). <p>The most widely used imaging technique for studying neonatal brain is cranial ultrasound that can be performed at bedside and detects major brain abnormalities (hemorrhage, infarctions, cysts, dilatation of the lateral ventricles). However, it has a poor sensitivity for non-cystic or diffuse white matter abnormalities (WMA), the most common form of white matter injury in preterm infants. In comparison to ultrasound, MR (magnetic resonance) imaging has been reported to be superior in detecting WMA and is considered as an essential modality for imaging the neonatal brain. The standard sequences (e.g. T1-, T2-weighted imaging) are routinely performed for assessing not only brain anatomy, but also for evaluating brain lesions. Nevertheless, ¡§conventional MR imaging¡¨ has been criticized because it is limited in qualitative assessment and it does not provide information on the extent of specific white matter pathways injuries. <p>Currently, diffusion tensor imaging (DTI) enables more detailed exploration of white matter microstructure. Furthermore, DTI is now the best in vivo technique capable of delineating white matter pathways and quantifying microstructural changes not visible on conventional MR imaging. Diffusion tensor tractography allows the reconstruction of the principal white matter fibers. Moreover, it also provides diffusion indices like fractional anisotropy (FA), mean diffusivity (MD), longitudinal diffusivity (£f//), transverse diffusivity (£f¢r) that help assess the changes in fiber tracts, even before myelination becomes histologically evident. <p>Structural MR imaging studies performed in neonates are scarce. A number of essential questions are still under debate, concerning the normal white matter structure, as well as premature brain injury. First, left language lateralization and right handedness are complex phenomena incompletely understood and the question rises whether structural lateralization already exist in healthy preterm neonates at term-equivalent age. Second, it is of interest to know whether gender-related structural differences exist in healthy preterm neonates. Finally, in the assessment of preterm brain injury, the relationship between WMA on conventional imaging and altered diffusion indices in fiber tracts is still unclear. Therefore, the aims of the thesis were to investigate the brain structure in a population of preterm neonates at term-equivalent age by DTI and probabilistic tractography.<p>The first part of this thesis (Study I and Study II) was devoted to the study of white matter structural characteristics in healthy preterm neonates. Previous studies have shown that structural asymmetries in language and motor related fibers are present in adults and in infants (Dubois et al. 2009; Westerhausen et al. 2007). Our hypothesis was that these structural asymmetries are already present in preterm neonates at term-equivalent age. In Study I, DTI and probabilistic tractography were performed and we found volume and microstructural asymmetries in the language related parieto-temporal superior longitudinal fasciculi (SLF), in the motor related corticospinal tract (CST) and in the motor part of the superior thalamic radiation (STR) as well. In Study II, we found that compared to boys, girls have larger relative tract volumes and an advanced maturation in language and motor related fiber tracts. <p>The second part of this thesis (Study III) investigated whether WMA on conventional MR imaging are related to abnormalities within the fiber tract microstructures. WMA were classified as normal, mild, moderate and severe according to Woodward¡¦s classification (Woodward et al. 2006). Woodward and colleagues studied a large population (167 infants) of preterm infants at term equivalent age with MRI. They demonstrated that WMA were important predictors of neurological outcomes by comparing their results with the neurological outcomes of those infants at corrected age of two. We found that compared to neonates with no abnormalities, infants with mild abnormalities have significantly higher ƒÜ¢r in the right CST, the left anterior thalamic radiation (ATR), the left sensory STR and bilateral motor STR. Those findings might be related to injuries of premyelinating oligodendrocytes resulting in subsequent failure of both development and ensheathment of axons. Considering that those fiber tracts connect important cortical zones, microstructural changes in those fiber tracts might be responsible for the later neurodevelopment deficits in motor and cognitive functions. <p>We concluded that structural asymmetries and gender differences in motor and language related fibers are present in healthy preterm neonates at term-equivalent age well before the development of speech and hand preference. Structural asymmetries and gender differences have to be considered in neonatal white matter assessment. Finally, altered DTI indices are associated with WMA on conventional MR imaging in preterm neonates. Our results suggest that disrupted premyelination is the major correlate with WMA rather than axonal pathology. Non-invasive DTI and tractography constitute an additional tool for the assessment of white matter injuries, as it could provide more adequate diagnostic information on brain microstructure in preterm neonates at term-equivalent age. / Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Doctorat en sciences psychologiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’essor récent de l’imagerie hybride combinant la Tomographie par Emission de Positons (TEP) à l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une opportunité permettant d’exploiter des images d’un même territoire anatomo-pathologique obtenues simultanément et apportant des informations complémentaires. Cela représente aussi un véritable défi en raison de la différence de nature et de résolution spatiale des données acquises. Cette nouvelle technologie offre notamment des perspectives attrayantes en oncologie, et plus particulièrement en neuro-oncologie grâce au contraste qu’offre l’image IRM entre les tissus mous. Dans ce contexte et dans le cadre du projet PIM (Physique et Ingénierie pour la Médecine) de l’Université Paris-Saclay, l’objectif de cette thèse a été de développer un processus de segmentation multimodale adapté aux images TEP et IRM, comprenant une méthode de détection des volumes tumoraux en TEP et IRM, et une technique de segmentation précise du volume tumoral IRM. Ce processus doit être suffisamment générique pour s’appliquer à diverses pathologies cérébrales, différentes par leur nature même et par l’application clinique considérée. La première partie de la thèse aborde la détection de tumeurs par une approche hiérarchique. Plus précisément, la méthode de détection, réalisée sur les images IRM ou TEP, repose sur la création d’un nouveau critère de contexte spatial permettant de sélectionner les lésions potentielles par filtrage d’une représentation de l’image par max-tree. La deuxième partie de la thèse concerne la segmentation du volume tumoral sur les images IRM par une méthode variationnelle par ensembles de niveaux. La méthode de segmentation développée repose sur la minimisation d’une énergie globalement convexe associée à une partition d’une image RM en régions homogènes guidée par des informations de la TEP. Enfin, une dernière partie étend les méthodes proposées précédemment à l’imagerie multimodale IRM, notamment dans le cadre de suivi longitudinal. Les méthodes développées ont été testées sur plusieurs bases de données, chacune correspondant à une pathologie cérébrale et un radiotraceur TEP distincts. Les données TEP-IRM disponibles comprennent, d’une part, des examens de méningiomes et de gliomes acquis sur des machines séparées, et d’autre part, des examens réalisés sur le scanner hybride du Service Hospitalier Frédéric Joliot d’Orsay dans le cadre de recherches de tumeurs cérébrales. La méthode de détection développée a aussi été adaptée à l’imagerie multimodale IRM pour la recherche de lésions de sclérose en plaques ou le suivi longitudinal. Les résultats obtenus montrent que la méthode développée, reposant sur un socle générique, mais étant aussi modulable à travers le choix de paramètres, peut s’adapter à diverses applications cliniques. Par exemple, la qualité de la segmentation des images issues de la machine combinée a été mesurée par le coefficient de Dice, la distance de Hausdorff (DH) et la distance moyenne (DM), en prenant comme référence une segmentation manuelle de la tumeur validée par un expert médical. Les résultats expérimentaux sur ces données montrent que la méthode détecte les lésions visibles à la fois sur les images TEP et IRM, et que la segmentation contoure correctement la lésion (Dice, DH et DM valant respectivement 0, 85 ± 0, 09, 7, 28 ± 5, 42 mm et 0, 72 ± 0, 36mm). / The recent development of hybrid imaging combining Positron Emission Tomography (PET) and Magnetic Resonance Imaging (MRI) is an opportunity to exploit images of a same structure obtained simultaneously and providing complementary information. This also represents a real challenge due to the difference of nature and voxel size of the images. This new technology offers attractive prospects in oncology, and more precisely in neuro-oncology thanks to the contrast between the soft tissues provided by the MRI images. In this context, and as part of the PIM (Physics in Medicine) project of Paris-Saclay University, the goal of this thesis was to develop a multimodal segmentation pipeline adapted to PET and MRI images, including a tumor detection method in PET and MRI, and a segmentation method of the tumor in MRI. This process must be generic to be applied to multiple brain pathologies, of different nature, and for different clinical application. The first part of the thesis focuses on tumor detection using a hierarchical approach. More precisely, the detection method uses a new spatial context criterion applied on a max-tree representation of the MRI and PET images to select potential lesions. The second part presents a MRI tumor segmentation method using a variational approach. This method minimizes a globally convex energy function guided by PET information. Finally, the third part proposes an extension of the detection and segmentation methods developed previously to MRI multimodal segmentation, and also to longitudinal follow-up. The detection and segmentation methods were tested on images from several data bases, each of them standing for a specific brain pathology and PET radiotracer. The dataset used for PET-MRI detection and segmentation is composed of PET and MRI images of gliomas and meningiomas acquired from different systems, and images of brain lesions acquired on the hybrid PET-MRI system of Frédéric Joliot Hospital at Orsay. The detection method was also adapted to multimodal MRI imaging to detect multiple sclerosis lesions and follow-up studies. The results show that the proposed method, characterized by a generic approach using flexible parameters, can be adapted to multiple clinical applications. For example, the quality of the segmentation of images from the hybrid PET-MR system was assessed using the Dice coefficient, the Hausdorff distance (HD) and the average distance (AD) to a manual segmentation of the tumor validated by a medical expert. Experimental results on these datasets show that lesions visible on both PET and MR images are detected, and that the segmentation delineates precisely the tumor contours (Dice, HD and MD values of 0.85 ± 0.09, 7.28 ± 5.42 mm and 0.72 ± 0.36mm respectively).

Over the last two decades, several studies have revealed the presence of olfactory disorders (OD) following moderate and severe traumatic brain injuries (TBI). Specifically, previous authors have shown that, following a TBI, several patients had quantitative (hyposmia/anosmia) and qualitative (parosmia) loss of sense of smell in important proportions. For moderate and severe TBI, the presence of such disorders, following trauma, is usually due to a coup-contrecoup mechanism responsible for the shearing of olfactory nerves penetrating the cribriform plate or to contusions or secondary hemorrhages within the olfactory bulb and cortical olfactory areas. Since these types of TBI cause obvious lesions, it was relatively simple to understand the nature of such disorders as well as identify the patients at risk of developing olfactory losses. A close follow-up of these patients is necessary since different studies have demonstrated associations between OD following TBI and long-term development of mood (depression, anxiety). Patients developing OD following moderate to severe TBI exhibited more symptoms of anxiety and depression for several weeks following the trauma, when compared to patients without OD. On the other hand, there are only three studies that have investigated the presence of OD and their consequences in patients with mild traumatic brain injury (mTBI), even though they represent nearly 85% of TBI. Moreover, due to the presence of several methodological flaws (choice of invalid evaluation tools, omission of a control group) a great heterogeneity regarding the proportion of mTBI patients who develop OD after the trauma, is found within the literature. So, the studies included in this thesis aim to give, with the establishment of a valid and controlled methodology, the very first idea of the proportion of patients with mTBI who will develop quantitative and qualitative OD. In addition, the predictive value of OD following mTBI on the development of anxiety and depressive symptoms and general health, is also covered in the manuscript. The first study aimed to assess the presence of olfactory disorders within the first 24 hours and one year after the mTBI. The results of this cross-sectional study demonstrated that, in the acute phase, more than half of the patients with mTBI exhibited a partial loss of their sense of smell (hyposmia). In fact, when compared to an orthopedic control group, the proportion of mTBI patients with OD following their accident was significantly higher. When evaluated one year after their mTBI, the patients did not have OD and no significant difference was found between control and mTBI groups. However, when comparing mTBI patients with OD (OD+) to those who did not present OD (OD-) at baseline, we found that OD+ mTBI patients reported significantly more anxiety and post-concussion symptoms, when evaluated one year following their trauma. The second study of this thesis aimed to deepen the results of the previous one, with the help of a larger group of patients, a longitudinal design as well as the implementation of new tools in order to evaluate a broader spectrum of post-concussive symptoms. In this study, olfaction and mood of patients with mTBI were evaluated 1 and 6 months following the trauma. The results show that, when compared to a group of control participants, a significantly high proportion of mTBI patients report a distortion of their olfaction (parosmia), 1 and 6 months following the trauma. In addition, the hierarchical regression analyzes indicate that, within the mTBI group, the presence of baseline parosmia significantly increases the value of the predictive model for the development of depression and anxiety. In conclusion, these two studies provided a much more accurate picture of the actual proportion of mTBI patients at risk of developing post-traumatic OD. Indeed, due to the numerous methodological controls applied, these results paint a more realistic portrait of the short and long term presence of OD following mTBI. Thus, these two projects have revealed alarming proportions, going far beyond what is recorded in the restricted literature available to date. In addition, it appears that baseline presence of qualitative OD following mTBI is a significant predictor of the development of symptoms of anxiety and depression. / Au cours des deux dernières décennies, plusieurs études ont révélé la présence de troubles olfactifs suite à des traumatismes crâniens (TCC) modérés et sévères. Spécifiquement, les précédents auteurs ont montré que, suite à leur TCC, plusieurs patients présentaient des pertes quantitative (hyposmie, anosmie) et qualitative (parosmie) de leur odorat. Dans le cas des TCC de types modérés et sévères, la présence de tels troubles est généralement causée par l’effet de coupcontre coup provoquant des lésions du nerf olfactif pénétrant dans la lame criblée de l’ethmoïde ainsi que par des contusions et des hémorragies au niveau du bulbe olfactif et des régions corticales traitant les stimuli olfactifs. En effet, puisque ces types de TCC provoquent des lésions assez apparentes, il a été facile de comprendre la nature de tels troubles ainsi que d’identifier les patients à risque de développer des pertes olfactives. Un suivi de ces patients est d’autant plus nécessaire puisque différentes études ont démontré des associations entre les pertes olfactives suite au TCC et la chronicisation de troubles de l’humeur (dépression, anxiété) et cognitifs. En effet, il a été démontré que, les patients développant des troubles olfactifs suite à un TCC modéré/sévère, présentaient davantage de symptômes d’anxiété et de dépression plusieurs semaines suite au trauma, lorsque comparés à des patients n’ayant pas de troubles olfactifs. En revanche, il n’y a que trois études qui ont, jusqu’à aujourd’hui, étudié la présence de troubles olfactifs et leurs conséquences auprès de patients ayant subi un traumatisme craniocérébral léger (TCCL), malgré le fait qu’ils représentent près de 85% des patients TCC. De plus, dû à la présence de plusieurs faiblesses méthodologiques dans les précédentes études (choix d’outils d’évaluation non valides, omission de groupe contrôle) une grande hétérogénéité, en ce qui a trait à la proportions de patient TCCL vivant avec un trouble olfactif, est retrouvée dans la littérature. Ainsi, les études composant le présent ouvrage visent globalement à évaluer, à l’aide d’une méthodologie valide et contrôlée, la réelle proportion de patients ayant subi un TCCL qui développeront un trouble olfactif. De plus, un regard sera posé sur les capacités prédictives de la présence de troubles olfactifs suite au TCCL sur le développement, à long terme, de symptômes anxieux et dépressifs. La première étude visait à évaluer la présence de troubles olfactifs dans les premières 24 heures et un an suite au TCCL. Les résultats de cette étude transversale, à caractère exploratoire, ont démontré que, en phase aiguë, plus de la moitié des patients ayant subi un TCCL présentaient une perte partielle de leur odorat (hyposmie). En effet, lorsque comparée à un groupe de patients contrôle, ayant subi une blessure orthopédique, la proportion de patients TCCL ayant un trouble olfactif suite à leur accident s’est révélée significativement plus élevée. Lorsqu’évalués un an suite à leur TCCL, les patients ne présentaient plus de troubles olfactifs et aucune différence significative ne fut retrouvée entre les patients TCCL et orthopédique. Cependant, lorsque nous avons comparé les patients TCCL qui, à l’évaluation initiale, présentaient un trouble olfactif (OD+) à ceux qui n’en présentaient pas (OD-) à l’évaluation initiale, nous avons trouvé que les patients TCCL OD+ rapportaient significativement plus de symptômes anxieux et post-commotionnels, lorsqu’évalués un an suite à leur trauma. La deuxième étude de cet ouvrage visait à approfondir les résultats de la précédente, à l’aide d’un plus grand groupe de patients, d’un devis longitudinal ainsi que l’implantation de nouveaux outils d’évaluation permettant d’évaluer un plus large spectre de symptômes post-commotionnels. Dans cette étude, l’olfaction et l’humeur des patients ayant subi un TCCL furent évaluées 1 et 6 mois suite au trauma. Les résultats montrent que, lorsque comparé à un groupe de participants contrôles, une proportion significativement élevée de patients TCCL rapporte avoir remarqué une distorsion de leur olfaction (parosmie), 1 et 6 mois suite au trauma. De plus, les analyses de régression hiérarchique indiquent qu’au sein du groupe de patients TCCL, la présence de parosmie au premier temps de mesure (court-terme) augmente significativement la valeur du modèle de prédiction de la présence de symptômes dépressifs et anxieux à long terme. En somme, ces deux études ont permis de dresser un portrait beaucoup plus précis de la réelle proportion de patients TCCL qui risquent de développer un trouble olfactif. En effet, grâce aux divers contrôles méthodologiques que nous avons appliqués, les présents résultats permettent de peindre un portrait plus réaliste de la présence, à court et long-terme, de troubles olfactifs suite à un TCCL. Ainsi, ces deux projets ont mis en lumière des proportions allant bien au-delà de ce qui est recensé dans le peu de littérature disponible à ce jour. De plus, il semble que la présence initiale de troubles olfactifs suite au TCCL soit un prédicteur significatif du développement des symptômes d’anxiété et de dépression des patients.

Cette étude compare les variations d’efficacité du traitement visuel dans le temps entre 16 autistes adultes ayant un retard initial du langage et 16 participants contrôles présentant un développement typique, en utilisant la technique d’échantillonnage temporel aléatoire. Les participants devaient nommer des objets familiers (expérience 1) ou des mots écrits (expérience 2) présentés sur un écran d’ordinateur pendant 200 ms et dont la visibilité (i.e. ratio signal/bruit) variait aléatoirement à travers le temps. Pour chacun des 32 participants, des images de classification (IC) temps-fréquence ont été obtenues en soustrayant la moyenne des fonctions d’échantillonnage (i.e. les ratio signal/bruit) ou leur recodage en temps-fréquence associées aux réponses erronées de celle associée aux réponses correctes. Les résultats démontrent que l’efficacité du traitement visuel chez les deux groupes de participants est modulée à travers le temps et est affectée par le contenu fréquentiel des oscillations du rapport signal-sur-bruit. Des différences inter-groupes importantes sont toutefois observées quant à la chronologie des mécanismes oscillatoires sont mis en branle pour la réalisation de la tâche de reconnaissance d’objets. Pour la tâche de reconnaissance de mots écrits, les différences entre les groupes ne sont que marginalement significatives. Il est proposé que la plus grande sensibilité de la tâche de reconnaissance d’objets puisse s’expliquer par 3 chose essentielles : 1. la plus grande complexité des mécanismes auxquels elle doit faire appel pour atteindre une bonne réponse. 2. Le surfonctionnement perceptif des autistes dans le traitement des informations locales ou de bas niveau. 3. Une variabilité de la localisation des activations qui soulève la possibilité que l'autisme implique une amélioration et/ou une altération des mécanismes de plasticité typiques. / Variations in visual processing efficiency over time were compared between 16 adult autistic participants with initial language delay and 16 typically developing control participants, using the random temporal sampling technique. Participants were asked to name familiar objects (experiment 1) or written words (experiment 2) presented on a computer screen for 200 ms and whose visibility (i.e., signal-to-noise ratio) varied randomly across time. For each of these 32 participants, time-frequency classification images (CI) were obtained by subtracting the average of the sampling functions (i.e., signal-to-noise ratio) or time-frequency recordings thereof associated with incorrect responses from that associated with correct responses. The efficiency of visual processing in the two groups of participants is modulated through the time and is affected by the frequency content of signal-to-noise ratio oscillations. Significant inter-group differences were observed in the timing of the oscillatory mechanisms for the object recognition task. For the written word recognition task, the differences between groups are only marginally significant. It is proposed that three essential things can explain the greater sensitivity of the object recognition task: 1. the greater complexity of the mechanisms it must call up to reach correct answer. 2. The perceptual over-functioning of autistic people, more evident in the detection, the categorization and the memory of perceptual information. 3. An increased variability in the localization of activations that raises the possibility that autism involves enhancement and/or alteration of typical plasticity mechanisms.

Contexte. L’étiologie des comportements antisociaux est encore mal comprise. La population d’individus commettant ce type de comportements est hautement hétérogène, suggérant ainsi que plusieurs mécanismes biopsychosociaux pourraient augmenter ou réduire le risque de délinquance au cours du développement humain. Objectif. L’objectif principal de cette thèse est d’identifier ces mécanismes sous-jacents à la délinquance, par l’entremise de quatre méthodes scientifiques distinctes, mais complémentaires : les analyses de trajectoires développementales, l’activité cérébrale induite par une tâche, la connectivité cérébrale au repos ainsi que l’étude des lésions cérébrales. Méthodologie. Afin d’atteindre cet objectif, une première étude a été réalisée en réanalysant les données de l’Étude Longitudinale du Développement des Enfants du Québec (n=1309). Par l’entremise de modèles de trajectoires par classes latentes, cette étude visait à identifier des sous-groupes de jeunes présentant des trajectoires développementales de traits psychologiques (c.-à-d., l’insensibilité émotionnelle, les traits anxio-dépressifs, l’irritabilité et les traits d’hyperactivité/impulsivité) à risque de comportements antisociaux à l’enfance et l’adolescence. Par ailleurs, deux méta-analyses portant sur des études d’activation cérébrale (71 et 147 études) ont été réalisées afin d’identifier les principales altérations de l’activité cérébrale sous-jacent à différents domaines neurocognitifs, ainsi que leur similarité avec d’autres problématiques psychiatriques. De plus, une troisième méta-analyse (18 études) a été accomplie afin d’étudier si les individus antisociaux présentaient des déficits lors de la connectivité cérébrale au repos. De manière à combler les limites de la littérature sous-jacente à la connectivité cérébrale au repos des individus antisociaux, une étude transversale a été effectuée sur 1,416 enfants et adolescents issue Healthy Brain Network aux États-Unis. Outre l’objectif de valider les résultats de la méta-analyse précédente, cette étude a été conçue de manière à mieux comprendre le rôle de l’interaction entre des systèmes neurobiologiques dans l’explication des comportements antisociaux. Finalement, une récente revue de la littérature scientifique produite par des chercheurs américains a permis d’identifier 17 cas dans lesquels des lésions au cerveau étaient temporellement liés à l’émergence de comportements antisociaux. Grâce à une reconstruction des images de lesdites lésions, des analyses de coactivation méta- analytique ont été conduites afin de récréer les réseaux neurobiologiques altérés qui seraient possiblement à l’origine de de gestes délinquants. Résultats. Les résultats ont soutenu l’importance des traits d’insensibilité émotionnelle dans l’explication du risque de délinquance, et aussi montré que l’interaction développementale entre les traits psychologiques augmentait jusqu’à 10 fois le risque de comportements antisociaux à l’enfance. Sur une base neurobiologique, les résultats ont révélé que les personnes ayant commis des gestes délinquants rapporteraient d’importants déficits dans les régions cérébrales impliquées dans le contrôle cognitif, la réponse à une menace et les cognitions sociales. En comparaison avec le trouble du déficit de l’attention avec hyperactivité et les troubles anxieux et dépressifs, le trouble des conduites serait associé à un dysfonctionnement commun de régions cérébrales impliquées dans le contrôle des émotions et du système somato-moteur. Par ailleurs, les résultats indiquent que la population étudiée serait principalement caractérisée par une dysconnectivité fonctionnelle entre les réseaux socioaffectifse et attentionnels, mais aussi entre les systèmes somato-moteurs, attentionnels et ceux impliqués dans la détection de stimuli saillants. Finalement, les lésions cérébrales pourraient causer des comportements délinquants par l’entremise de trois mécanismes neurobiologiques, notamment par une défaillance du réseau de la récompense (lobe frontal), du réseau impliqué dans le traitement des émotions négatives (lobe temporal) ainsi que la reconnaissance émotionnelle faciale (amygdale). Conclusions. Les résultats des travaux présentés dans cette thèse soutiennent l’importance de mieux comprendre l’hétérogénéité de domaines neurocognitifs dans l’explication des comportements délinquants. D’une part, ceux-ci soulignent l’importance des systèmes neurobiologiques à valence négative (associés à l’anxiété et l’irritabilité), aux systèmes cognitifs (associés à l’hyperactivité/impulsivité et à l’inattention) ainsi qu’aux processus sociaux (associés à l’insensibilité émotionnelle). D’autre part, les résultats suggèrent un rôle limité des systèmes de récompense, mais un rôle prépondérant du système sensorimoteur (associé à l’action et au contrôle des mouvements). La présente thèse offre une perspective novatrice et exhaustive sur l’hétérogénéité neurocognitive sous-jacente à la délinquance. Or, la variabilité interindividuelle des systèmes neurobiologiques étudiés dans cette thèse reste à être identifiée, de manière à découvrir des cibles thérapeutiques prometteuses pour réduire le risque de délinquance. / Background. The etiology of antisocial behaviors remains largely misunderstood. Antisocial population is characterized as highly heterogeneous, therefore indicating that several biopsychosocial mechanisms may increase or reduce the risk for delinquency during human development. Aim. The principal aim of this thesis is to identify these mechanisms underlying delinquent behaviors through different yet complementary method: developmental trajectories, task-based brain activity, brain connectivity at rest as well as the study of brain lesions. Methodology. To do so, a first study was conducted by reanalyzing cohort data from the Quebec Longitudinal Study of Child Development (n=1,309). Latent growth curve models allowed to identify subgroups of children exhibiting developmental trajectories of psychological traits (i.e., callous-unemotional traits, anxio-depressive traits, irritability and hyperactivity/impulsivity) that are at risk for antisocial behaviors during childhood and adolescence. Also, two meta-analyses of neuroimaging studies (71 and 147 studies) were carried out to highlight main deficits in brain activity underlying distinct neurocognitive systems as well as their similarity with other psychiatric disorders. Moreover, a third meta-analysis (18 studies) is presented to better understand whether antisocial subjects may exhibit brain connectivity at rest. In order to overcome limitations of past studies examining resting-state functional connectivity, a cross-sectional study was performed on 1,416 children and adolescents derived from the Healthy Brain Network in the United States. Additionnally to examine reliability of meta-analytic findings, this study was conducted in order to better understand the role of the interaction between neurobiological systems in our understanding of antisocial behaviors. Finally, a recent literature review carried out by American researchers highlighted 17 cases during which focal brain lesions were temporally associated with emergence of antisocial behaviors. By reconstructing images of these brain lesions, meta-analytic coactivation modelling was conducted in order to recreate neurobiological systems which would possibly be the origins of delinquent acts. Results. The results observed in this thesis support the crucial role of callous- unemotional traits in our understanding of the risk for delinquency, but also suggest that the developmental interaction between psychological markers increases up to 10 times this risk. On a neurobiological ground, results revealed that individuals that have committed antisocial behaviors were mainly characterized by dysfunctions in brain regions involved in cognitive control, threat detection as well as social cognition. In comparison to attention-deficit/hyperactivity disorder and anxiety and depressive disorders, conduct disorder was similarly associated with dysfunction in regions related to emotion regulation and somatomotor functions. Moreover, the results suggest that antisocial population may be characterized by dysconnectivity between socio-affective and attentional processes and between somatomotor and attentional processes as well as those involved in salient detection mechanism. Finally, brain lesions may cause antisocial behaviors by three neurobiological mechanisms, notably by disrupting the reward network (frontal lesions), the network involved in negative emotion processing (temporal lesions) and the emotional face processing (amygdala lesions). Conclusions. The results of the work presented in this thesis support the importance of studying the heterogeneity in neurocognitive systems for our understanding of antisocial behaviors. On the one hand, these results highlight the role of neurobiological systems of negative valence (related to anxiety and irritability), cognitive systems (related to hyperactivity/impulsivity and inattention) and social cognition (related to callous-unemotional traits). On the other hand, the results underline the limited contribution of positive valence system, but a prominent role of sensorimotor system (related to action and motor control). The current thesis offers a novel and exhaustive perspective on the heterogeneity of neurocognitive systems underlying delinquent behaviors. The interindividual variability of these systems is yet to be unveiled in order to uncover promising targets for treatment in a hopeful aim to reduce risk for delinquency.

Thèse de doctorat présentée en vue de l'obtention du doctorat en psychologie - recherche intervention, option neuropsychologie clinique (Ph.D) / Les oscillations endogènes cérébrales sont associées à des fonctions cognitives spécifiques et jouent un rôle important dans la communication entre les différentes régions corticales et sous-corticales. Les rythmes alpha (8-12 Hz) et bêta (13-30 Hz) ont été observés de façon dominante dans les aires sensorimotrices, avec des moyennes de fréquence autour de 10 et 20 Hz, et jouent un rôle dans les fonctions motrices. Ces oscillations cérébrales peuvent être entrainées par une stimulation externe, notamment par la stimulation électrique transcrânienne par courant alternatif (SEtCA). Ainsi, la SEtCA de 10 et 20 Hz a un effet sur certaines mesures physiologiques comme l’excitabilité corticospinale et la puissance des oscillations via la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) et l’électroencéphalogramme (EEG), respectivement. Toutefois, les effets post-stimulation sont variables et parfois incohérents. De plus, à ce jour, aucune étude n’a mesuré les effets physiologiques d’une stimulation bilatérale sensorimotrice tant sur l’activité locale que sur l’interaction entre les deux aires sensorimotrices. Les articles composant le présent ouvrage visent à explorer les effets post-stimulation de deux fréquences de stimulation, soit 10 Hz et 20 Hz, sur les régions sensorimotrices à l’aide d’un montage SEtCA bilatéral. Ce travail de recherche s’est effectué à travers une revue de la littérature ainsi que deux études avec des paramètres méthodologiques relativement similaires, mais avec des mesures différentes et complémentaires de SMT et d’EEG. L’article 1 sert d’assise à la pertinence de l’évaluation de la connectivité entre le cortex moteur et les différentes aires du cerveau. Cet excursus recense et décrit les différents protocoles de stimulation magnétique pairée qui ont été développés au cours des dernières années afin d’évaluer la connectivité effective entre les aires sensorimotrices du cerveau. L’article 2 montre que la SEtCA bilatérale à 10 Hz a permis de réduire l’excitabilité corticospinale via la SMT après la stimulation. La fréquence bêta de 20 Hz n’a cependant mené à aucun changement. De plus, la SEtCA n’a pas modulé de façon significative les mesures d’interaction entre les régions sensorimotrices, telles l’inhibition interhémisphérique et les mouvements miroirs physiologiques. Dans l’article 3, les résultats démontrent que la SEtCA bilatérale à 10 et 20 Hz appliquée sur les aires sensorimotrices peut modifier la puissance des oscillations alpha et bêta après la stimulation. Notons que les résultats étaient associés à une variabilité interindividuelle qui est également rapportée dans la littérature. Ces résultats peuvent avoir des implications dans la conception de protocoles visant à induire des changements persistants dans l'activité cérébrale. / Endogenous brain oscillations are associated with specific cognitive functions and are known to have an important role in regimenting communication between cortical and subcortical areas. Alpha (8-12 Hz) and beta (13-30 Hz) rhythms have been observed predominantly in sensorimotor areas, with averages around 10 and 20 Hz, and are believed to play a role in motor functions. These cerebral oscillations can be entrained by external stimulation, in particular by transcranial alternating current stimulation (tACS). Thus, tACS has shown an impact on certain physiological measures such as corticospinal excitability and the power of oscillations via transcranial magnetic stimulation (TMS) and electroencephalogram (EEG), respectively. However, the after-effects are variable and incoherent. In addition, to date no study has measured the physiological effects of a bilateral sensorimotor stimulation montage on both local activity and the interaction between the two sensorimotor areas. Thus, the studies included in the present thesis aim to explore the after-effects of two stimulation frequencies, 10 Hz and 20 Hz, on sensorimotor regions using a bilateral montage. This research was carried out through a review of the literature as well as two methodological studies with relatively similar parameters, but using different and complementary measures of TMS and EEG. Article 1 provides a basis for the relevance of assessing the connectivity between the motor cortex and different areas of the brain. This excursus identifies and describes the different paired magnetic stimulation protocols that have been developed in recent years to assess the effective connectivity between sensorimotor areas of the brain. Study 2 shows that bilateral 10 Hz tACS significantly reduced corticospinal excitability via TMS after stimulation. However, the 20 Hz frequency did not lead to any change. In addition, tACS did not significantly modulate measures of interaction between sensorimotor regions, such as interhemispheric inhibition and physiological mirror movements. In study 3, the results failed to demonstrate reliably that bilateral tACS at 10 and 20 Hz administered over sensorimotor areas could modulate offline alpha and beta oscillations power at the stimulation site. Note that the results were associated with inter-individual variability, which is also reported in the literature. These findings may have implications for the design and implementation of future protocols aiming to induce sustained changes in brain activity.

Jusqu’à tout récemment, la position des différents guides de prise en charge des adolescents ayant subi un traumatisme craniocérébral léger (TCCL) était de les consigner au repos complet suite à leur blessure jusqu’à ce qu’ils deviennent asymptomatiques pendant une période de 7 jours pour ensuite reprendre graduellement l’activité physique. Toutefois, ces lignes directrices sont à même de changer notamment puisque de nouvelles recherches tendent à démontrer que la restriction des activités en contexte de problèmes de santé peut contribuer directement à l’apparition de symptômes d’ordre psychologiques pouvant venir entraver la récupération. À ce propos, un panel d’experts s’est regroupé à Berlin en octobre 2016 afin d’émettre de nouvelles recommandations qui seront publiées en 2017. C’est donc dans l'optique d'évaluer l’influence de la quantité d’activité physique réalisée dans les 7 jours suivants le TCCL sur la sévérité des symptômes et la récupération des adolescents que ce projet prend forme. L’hypothèse posée par cette étude est qu’une plus grande quantité d’activités physiques dans les 7 jours suivants l’impact soit associée à une sévérité plus élevée de symptômes. Aussi, il était attendu qu’une faible quantité d’activité physique ait une meilleure influence sur la symptomatologie qu’une absence complète d’activité. Cinq adolescents, soit 3 filles et 2 garçons âgés entre 12 et 17 ans, ayant subi un TCCL lors de la pratique d’un sport ont été testés au cours de trois entrevues téléphoniques à 10-15 jours, 30 jours et 90 jours post-TCCL. Les résultats obtenus permettent de constater qu’un seul participant se distingue des autres quant à sa trajectoire de récupération alors qu’il présente une symptomatologie significativement plus élevée que les autres. Il apparaît que le mécanisme de la blessure ainsi que le portrait symptomatologique plus important en phase aiguë chez ce participant ont pu influencer négativement le temps de récupération. De plus, il présente une symptomatologie dépressive et anxieuse importante ayant probablement influencé négativement son rétablissement. Enfin, ce participant n’a pas respecté de période initiale de repos suite à la survenue de sa blessure avant de reprendre une activité physique légère. Les résultats de la présente étude sont discutés de façon plus large en tenant compte des données de la littérature actuelle. Les informations soulevées permettent de croire qu’il est important en clinique de veiller à ce qu’une période initiale de quelques jours de repos soit respectée et de tenir compte de la santé mentale du patient pour déterminer sa trajectoire de récupération et orienter les interventions. Néanmoins, des études additionnelles demeurent nécessaires afin de déterminer la durée et la nature exacte du repos à recommander afin d’élaborer des protocoles de prise en charge présentant un meilleur équilibre entre repos et activité physique. / Until recently, the position of the various guides for the management of mild traumatic brain injury (MTBI) in adolescents was to record them at full rest following their injury until they become asymptomatic for a period of 7 days and then gradually resume physical activity. However, these guidelines are in a position to change in particular as new research tends to show that restricting activities in the context of health problems can directly contribute to the development of psychological symptoms that may impede recovery. In this regard, a panel of experts gathered in Berlin in October 2016 to issue new recommendations to be published in 2017. It is therefore with a view to assessing the influence of the quantity of physical activity carried out within 7 days following TCCL on the severity of the symptoms and recovery of the adolescents that this project takes shape. The hypothesis posed by this study is that a greater amount of physical activity within 7 days after the impact is associated with a higher severity of symptoms. Also, it was expected that a small amount of physical activity had a better influence on the symptomatology than a complete absence of activity. Five teenagers, three girls and two boys aged 12 to 17 years old, who underwent a MTBI while playing a sport were tested in three telephone interviews at 10-15 days, 30 days and 90 days post- MTBI. The results obtained show that only one participant distinguishes himself from the others in his recovery trajectory while he has a significantly higher symptomatology than the others. It appears that the injury mechanism as well as the high severity level of the symptoms in the acute phase may have a negative influence on recovery time. In addition, he has an important depressive and anxious symptomatology that has probably had a negative impact on his recovery. Finally, this participant did not respect an initial period of rest following the occurrence of his injury before returning to a light physical activity. The results of this study are discussed in greater detail taking into account data from the current literature. The information gathered suggests that it is important in the clinic to ensure that an initial period of a few days of rest is respected and that the mental health of the patient is taken into account in determining its recovery trajectory and guiding interventions. Nevertheless, additional studies are still needed to determine the duration and exact nature of the rest to recommend in order to develop management protocols with a better balance between rest and physical activity.