La majeure partie des études menées pour comprendre les aspects fonctionnels du cerveau se concentre sur la notion de spécialisation fonctionnelle c’est-à-dire qu’elles visent à identifier les « rôles » des différentes structures cérébrales et les ensembles de structures qui s’activent lors d’une tâche donnée. Partant de l’hypothèse que pour comprendre comment le cerveau génère les fonctions, l’architecture du réseau de structures est tout aussi important que l’identification des structures activées, nous avons choisi d’utiliser une approche basée sur l’étude de la connectivité intracérébrale afin d’appréhender la complexité des processus cognitifs en général et des systèmes de mémoire en particulier. Pour ce faire, nous avons caractérisé la connectivité intracérébrale induite lors de tâches de mémoire spatiale (« emplacement » et « indice ») et décrit son évolution au cours de l’apprentissage et à la suite d’une lésion de l’hippocampe. La comparaison de la connectivité fonctionnelle induite par chacune des deux stratégies a permis de mettre en évidence qu’alors que la stratégie « emplacement » induit la convergence de la connectivité vers l’hippocampe, l’utilisation de la stratégie « indice » coïncide avec la convergence de la connectivité des mêmes structures vers l’amygdale. Ces résultats nous mènent à penser qu’il serait possible d’établir des dissociations entre les systèmes de mémoire en se basant sur l’étude de leurs connectivités. Dans une deuxième partie, nous avons montré que la maîtrise de la tâche « emplacement » s’accompagnait d’une modification de la connectivité fonctionnelle. En effet, au cours de l’acquisition, l’hippocampe semble se désengager du réseau sous-tendant la procédure au profit du striatum. Enfin, la dernière partie de notre travail visait à caractériser la réorganisation du réseau neuronal associée aux phénomènes compensatoires post-lésionnels. Cette étude s’est appuyée sur des techniques d’analyses statistiques multivariées. Nous avons montré que la récupération comportementale observée suite à la lésion de l’hippocampe était couplée à l’établissement d’un nouveau réseau composé des cortex entorhinal, périrhinal, rétrosplénial, prélimbique, cingulaire, piriforme, visuel et somatosensoriel ainsi que du subiculum. L’ensemble de ces résultats suggère que les processus cognitifs reposent sur la formation de clusters fonctionnels dynamiques, décrits par des schémas de connectivité entre des structures cérébrales spécialisées. / In order to understand the processes underlying memory systems, the first part of my PhD has concerned the way common cerebral structures differentially interact to sustain two different strategies tested in a spatial memory task, the water cross maze. The functional connectivity among these structures has been evaluated by using the matrices of correlation among the structure activities (revealed by counting the number of Zif 268 immunoreactive cells). We have observed a rearrangement of the functional connectivity according to the learning condition, what suggests that the activation of a memory system should be described as the focusing of functional connectivity toward the central structure of the system. My second aim has been to study the effect of brain injuries on the network supporting memory retrieval test inducing bilateral dorso-hippocampal lesions to mice. Though impaired during the first three days, lesioned-mice had the same level of performance than the sham-mice on the last day of behavioural training. Our recent studies have shown that structural equation modeling can accurately be used on low sample sizes. Therefore, we applied this method on imaging data to describe how the pattern of effective connectivity induced by learning is changed face to the lesion of the hippocampus. In other words we have shown that behavioural recuperation is coupled with a change in the pattern of connectivity. Although, this change in connectivity may be due to the use of a different strategy, this study gives an insight into understanding how decreasing cognitive resources due to age (or pathology) may be compensated.

Le lobe temporal est classiquement divisé en deux systèmes fonctionnels: la voie visuelle ventrale et le système mnésique temporal médial. Cependant, cette séparation fonctionnelle a été remise en question par plusieurs études suggérant que le lobe temporal médial serait mieux compris comme une extension de la voie visuelle ventrale hiérarchiquement organisée. Le but de cette thèse était d’étudier le rôle perceptivo-mnésique du lobe temporal médial. Nous avons ainsi voulu tester à l’aide d’enregistrement électro-encéphalographiques intracérébraux (SEEG) si : (i) les régions médiale, ventrale et latérale du lobe temporal pouvaient être regroupées dans des ensembles fonctionnellement distincts et, (ii) quelles régions étaient à l’interface de ces ensembles fonctionnels. Pour répondre à ces questions, nous avons étudié la connectivité effective dérivée de potentiels évoqués cortico-corticaux issus de stimulations électriques de faible intensité et de basse fréquence (0.5mA, 1Hz, 4ms) réalisées chez 16 patients atteints d’épilepsies pharmaco-résistantes temporale ou temporo-occipitale, lors de leur évaluation pré-chirurgicale par la surveillance à long terme des activités intracérebrales électro-encéphalographiques. Onze régions d'intérêt ont été délimitées au sein du lobe temporal en fonction de repères anatomiques tels que les gyri et sulci. Un modèle de connectivité effective au sein du lobe temporal a été extrait, basé sur les caractéristiques électrophysiologiques des potentiels évoqués cortico-corticaux, telles que les occurrences, amplitudes et latences des pics de la première composante du potentiel évoqué. Le modèle a été discuté du point de vue d’une organisation fonctionnelle globale du fait de la non-indépendance de ses caractéristiques électrophysiologiques. L’amplitude et la latence des potentiels évoqués ont montré des distributions de probabilité cohérente avec les observations de transfert d'informations cognitive. La théorie des graphes nous a fourni des algorithmes pouvant extraire les caractéristiques pertinentes du réseau, telles que la centralité des régions, leur ségrégation fonctionnelle ou les voies d’interaction entre les sous-ensembles fonctionnels des régions du lobe temporal. En particulier, le cortex rhinal est apparu comme la structure la plus centrale du lobe temporal alors que le gyrus temporal supérieur était la moins centrale. Le lobe temporal médial a pu être ségrégué en un ensemble fonctionnel à part entière. Le pôle temporal est apparu comme une zone de convergence et de transfert de l’information provenant des structures du lobe temporal latéral vers les structures médiales. Le gyrus fusiforme antérieur a montré des caractéristiques d’interface duale de convergence d’afférences néocorticales et de rétrocontrôle issu des structures médiales. Par ailleurs, l'hippocampe a montré un rôle d’amplificateur du signal des afférences néocorticales passant par l’amygdale et le cortex rhinal, pour être redistribuée vers les structures limbiques. L’hippocampe postérieur se comportait comme une voie de sortie des structures médiales modulant le gyrus parahippocampique postérieur de manière quasi-unidirectionnelle. Notre étude fournit un modèle régional ou macroscopique du transfert de l’information électro-physiologique au sein du lobe temporal humain. Nos résultats ont été discutés à la lumière des modèles cognitifs actuels de ‘complétion de l’information’ et du ‘binding temporel’ / The temporal lobe is conventionally divided into two functional systems: the ventral visual pathway and the medial temporal mnemonic system. However, this functional separation has been questioned by several studies suggesting that the medial temporal lobe would be better understood as an extension of the ventral visual pathway hierarchically organized. The aim of this thesis was to study the perceptive-mnestic role of the medial temporal lobe. We have tested using intracerebral EEG recordings (SEEG) if (i) the medial, lateral and ventral regions of the temporal lobe could be grouped into functionally distinct modules and, (ii) which areas were at the interface of these functional modules. To answer these questions, we studied the effective connectivity derived from cortico-cortical evoked potentials elicited by electrical stimulations from low intensity, low frequency (0.5mA, 1Hz, 4ms) conducted in 16 patients with drug-resistant temporal or temporo-occipital epilepsies at their pre-surgical long-term monitoring of intracerebral electroencephalographic activity. Eleven regions of interest were defined within the temporal lobe based on anatomical landmarks such as gyri and sulci. We built an effective connectivity model within the temporal lobe, based on the electrophysiological characteristics of cortico-cortical evoked potentials, such as the occurences, latencies and amplitudes of the peaks of the first component of the evoked potential. The model was discussed from the perspective of a global functional organization due to the non-independence of its electrophysiological characteristics. The amplitude and latency of the evoked potentials showed consistent probability distributions with the information transfer in cognitive observations. Graph theory has provided algorithms that can extract the relevant characteristics of the network, such as the centrality of the regions, their functional segregations or the ways of interaction between functional subsets of the regions within the temporal lobe. In particular, the rhinal cortex appeared as the most central structure of the temporal lobe whereas the superior temporal gyrus appeared as the less central. The medial temporal lobe could be segregated as a functional module by itself. The temporal pole appeared as a convergence area of the information transfer from the lateral temporal lobe structures to the medial structures. Anterior fusiform gyrus acted as a dual interface of convergence of neocortical afferences and feedback from medial structures. Furthermore, the hippocampus behaved as an amplifier of neocortical afferent signal passing through the amygdala and the rhinal cortex, and redistributed this amplification to the limbic structures. The posterior hippocampus acted as a way out of the medial structures modulating the posterior parahippocampal gyrus in a almost unidirectional manner. Our study provides a regional or macroscopic model of the transfer of electro-physiological information within the human temporal lobe. Our results were discussed in line with current cognitive models of 'pattern completion' and 'temporal binding'

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans la problématique de l'identification de la connectivité effective, et, de ce fait, de graphes de propagation, pour détecter et quantifier les relations entre structures cérébrales impliquées lors de l'initiation et de la diffusion de crises d'épilepsie. Définie comme la possibilité de connexion offerte par une entité à des entités voisines et/ou distantes, la connectivité se décline au niveau cérébral suivant trois modes : la connectivité anatomique ou structurelle fait référence aux liens physiques qui existent entre différentes régions anatomiques du cerveau, la connectivité fonctionnelle permet de caractériser l'activité en réseau du cerveau et la connectivité effective complète les notions de connectivités structurelle et fonctionnelle en introduisant le concept d'influence causale exercée par un système neuronal sur un autre, soit directement soit indirectement. Dans cette optique, différentes approches ont été envisagées afin d'apporter des éléments de réponse à deux questions essentielles, à savoir l'identification de liaisons unilatérales et/ou bilatérales entre structures et la mise en évidence de liens directs et/ou indirects. Après avoir recensé les principales techniques de la littérature, nous nous sommes intéressés à l'indice de causalité de Granger ainsi qu'à des extensions fréquentielles et/ou conditionnées, avant d'explorer un indice de pente de phase, l'idée sous-jacente étant l'estimation de retard. Un nouvel indice construit sur la cohérence dirigée partielle a été proposé permettant non seulement de détecter des flux réciproques mais également de discriminer relations directes et indirectes entre signaux. Dans un troisième temps, nous nous sommes orientés vers des techniques plus complexes non paramétriques (à des horizons de prédiction près) relevant de la théorie de l'information et plus spécifiquement vers l'entropie de transfert. De par la subordination et la sensibilité de cette technique au choix de paramètres de calibration comme l'ordre des modèles de Markov, nous avons proposé une optimisation de l'estimation de l'ordre de ces modèles à partir du critère d'information bayésien avant de considérer une mesure d'entropie de transfert conditionnelle dans un souci d'analyse multivariée. Les différentes approches proposées ont été évaluées et comparées sur des signaux simulés suivant des processus vectoriels autorégressifs linéaires et non linéaires ainsi que sur des modèles physiologiques réalistes avant d'être appliquées sur des signaux réels enregistrés sur un modèle animal (cochon d'inde). En simulation, les résultats obtenus permettent d'établir des graphes de propagation cohérents et conformes aux modèles et, dans le cas réel, d'apprécier les variations de cette connectivité au cours du temps.