Le but de cette thèse est d’investiguer l’organisation fonctionnelle du contrôle cognitif au sein du cortex préfrontal latéral dans la schizophrénie. Chez le sujet sain, Koechlin et coll. (Science, 2003) ont montré que le cortex préfrontal latéral était structuré en une cascade de processus de contrôle allant des régions antérieures aux régions postérieures, intégrant respectivement les informations épisodiques (événements antérieurs) et contextuelles (le contexte immédiat de l’action) au choix de l’action en réponse à un stimulus externe. En utilisant le paradigme expérimental de Koechlin et coll. en IRM fonctionnelle, nous avons investigué l’architecture fonctionnelle du contrôle cognitif au sein du cortex latéral préfrontal chez 15 patients schizophrènes et 14 sujets contrôles appariés. Dans une première étude, nous avons trouvé que les patients schizophrènes présentaient un déficit sélectif du contrôle contextuel associé à une hypoactivation des régions postérieures préfrontales, expliquant la désorganisation du discours et du comportement observés chez ces patients. Par ailleurs, les patients schizophrènes hyperactivaient leurs régions rostrales du cortex préfrontal latéral pendant le contrôle des informations de nature épisodique, ce que nous avons interprété comme une tentative de compensation infructueuse des dysfonctions du contrôle contextuel. Dans une seconde étude, nous avons montré que les patients schizophrènes présentaient également une perturbation du traitement top-down des informations de nature épisodique, liée à une dysconnectivité des régions rostrales vers les régions caudales du cortex préfrontal latéral. / The goal of this thesis is to investigate the functional organization of cognitive control within the LPFC in schizophrenia. We used a model postulating that cognitive control is functionally organized within the lateral prefrontal cortex (LPFC) as a cascade of representations ranging from premotor to anterior LPFC regions according to stimuli, the present perceptual context, and the temporal episode in which stimuli occur. Using functional magnetic resonance imaging, we investigated the functional architecture of cognitive control within the LPFC in 15 schizophrenic patients and 14 matched healthy controls. In a first study, we found that immediate contextual signals insufficiently bias the caudal LPFC activity required to select the appropriate behavioral representation. This specific deficit could thus alter the internal consistency of schizophrenic patients’ behavior. To compensate for this weakening of contextual influence, schizophrenic patients may inefficiently use temporal episodic information through higher activation in rostral LPFC regions. In a second study, we showed that schizophrenic patients inappropriately process episodic information flow along a rostro-caudal axis within the LPFC. This top-down episodic control dysfunction could lead to a disruption of episodic memory that could account for the patients’ difficulties in organizing their behavior across time. All the results argue in favor of both dysfunctional specialization and integration within the LPFC in schizophrenia.

La mémoire épisodique correspond à la reviviscence consciente d'expériences personnelles ancrées dans un contexte spécifique. Ce travail de thèse porte sur l'étude des processus cognitifs et des mécanismes neuronaux du rappel épisodique chez l'Homme. Les souvenirs rappelés par les odeurs sont plus détaillés et plus émotionnels que ceux évoqués par d'autres modalités sensorielles. Ces spécificités expliquent pourquoi nous nous intéressons à l'évocation des souvenirs par des odeurs. Tout d'abord, une tâche comportementale novatrice est développée pour permettre l'étude contrôlée de la mémoire d'épisodes complexes constitués d'odeurs non familières (Quoi), localisées à des emplacements distincts (Où), d'un environnement visuel donné (Quel contexte). A l'aide de cette tâche, nous montrons que, lorsque les dimensions d'un épisode sont étroitement liées, la perception de l'odeur permet le rappel de l'ensemble du souvenir. Le rappel épisodique est essentiellement fondé sur des processus de recollection, la familiarité n'étant pas suffisante pour récupérer l'ensemble du souvenir. De plus, les odeurs associées à une émotion, quelle que soit leur valence, facilitent le rappel épisodique correct. Fonctionnellement, la mémoire épisodique est sous-tendue par un large réseau neuronal, constitué de régions typiquement impliquées dans la mémoire de laboratoire et la mémoire autobiographique. Les souvenirs corrects sont associés à un réseau neuronal différent des souvenirs incorrects, de la perception de l'odeur à la ré-expérience du souvenir. Des analyses de modularité indiquent que les interactions fonctionnelles au sein du réseau de la mémoire épisodique dépendent également de l'exactitude du souvenir. L'ensemble de ces travaux suggère que le rappel épisodique est un processus dynamique complexe, initié dès la perception des odeurs, et interdépendant d'autres systèmes de mémoire tels que les mémoires perceptive et sémantique / Episodic memory is the memory that permits the conscious re-experience of specific personal events and associated with a specific context. This doctoral research aims at investigating the cognitive processes and the neural bases of episodic retrieval in humans. Odor-evoked memories are known to be more detailed and more emotional than memories triggered by other sensorial cues. These specificities explain why we studied odor-evoked memories. First, a novel behavioral task has been designed to study in a controlled way the memory of complex episodes comprising unfamiliar odors (What), localized spatially (Where), within a visual context (Which context). From this approach, we suggest that when the binding between the episodes’ dimensions is strong, the odor perception evokes the whole episodic memory. The episodic retrieval is mainly based on recollection processes, the feeling of knowing being insufficient to induce complete memory recovery. Moreover, emotion carried by odors, whatever its valence, promote accurate episodic retrieval. Functionally, episodic memory is underpinned by a distributed network, constituted of regions typically found in laboratory and autobiographical memory approaches. Accurate memories are associated with a specific neural network, from odor perception to memory re-experience. Modularity analyses show that neural interactions within this network also depend on memory accuracy. Altogether, results of this research suggest that episodic retrieval is a dynamic and complex process, triggered by odors perception, closely linked to other memory systems such as perceptual and semantic memories

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Certaines études ont montré que des odeurs subliminales – odeurs d'intensité très faible activant le système olfactif mais non perçues consciemment – peuvent impacter le comportement alimentaire. Cependant, les mécanismes sensoriels et cognitifs impliqués dans le traitement des odeurs subliminales demeurent mal connus. Ce travail de thèse avait pour but d'explorer les activations cérébrales induites par des odeurs subliminales au moyen de l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle. Durant les acquisitions IRM, les participants sont exposés à leur insu à deux odeurs présentées à intensité subliminale puis supraliminale. Quatre réseaux cérébraux mis en évidence par Analyse en Composantes Indépendantes s’avèrent spécifiques de la condition subliminale. Ces réseaux ne sont pas propres au traitement des odeurs et semblent liés à des processus attentionnels et de contrôle exécutif. La modulation de leur activité par des odeurs subliminales apporte des éléments nouveaux pour comprendre l’impact de ces odeurs sur le comportement, et suggère des applications possibles d'utilisation de ces odeurs pour réguler le comportement alimentaire. / Some studies showed that subliminal odours – odours of very low intensity which activate the olfactory system but are not consciously perceived – can impact food behaviours. However, the sensory and cognitive mechanisms involved in subliminal odours processing remain poorly known. This work aims exploring cerebral activity induced by subliminal odours by the means of functional Magnetic Resonance Imaging. During MRI acquisitions, participants were unknowingly exposed to two odours presented at subliminal intensity and then at supraliminal intensity. Four cerebral networks highlighted by Independent Component Analysis (ICA) prove to be specific to the subliminal condition. These networks are not particular to olfactory processing and seem to be linked to attentional and executive control processes. The modulation of their activity by subliminal odours brings new elements to understand the impact of these odours on behaviour, and suggests possible applications for using these odours to regulate food behaviour.

Le cerveau endormi tend à se déconnecter dans sa progression vers le sommeil lent (SL) chez les jeunes adultes et se déconnecte moins chez les plus âgés. Les ondes lentes (OL) sont les caractéristiques principales du sommeil lent sur l’électroencéphalogramme (EEG). Notre groupe a récemment montré que deux types d’OL co-existent, les « slow switcher » (SlowS) et les « fast switcher » (FastS), caractérisées par leur vitesse de transition entre les maximums d’hyperpolarisation et de dépolarisation. Sur l’EEG, la connectivité globale pendant la transition des SlowS et des FastS diffère et diminue avec le vieillissement. Dans cette étude, nous utilisons des enregistrements de magnétoencéphalographie pour évaluer les changements relatifs à l’âge sur les générateurs des OL pendant la transition entre les maximums d’hyperpolarisation et de dépolarisation en termes de 1) topographie et 2) connectivité, avec l’indice de délais de phase pondéré basé sur le délai de phase moyen dans la transition des OL. Nous avons fait l’hypothèse que comparativement aux OL des individus jeunes, les OL des individus plus âgés vont 1) impliquer des régions corticales plus étendues et 2) montrer plus de connectivité, spécialement pour les SlowS. Nos résultats révèlent que comparativement aux jeunes participants, les plus vieux montrent 1) plus d’implication du précuneus droit pendant les SlowS et 2) une connectivité globale supérieure, surtout pour les SlowS. Finalement, les individus plus jeunes montrent plus de connectivité que les individus plus âgés entre des régions spécifiques, plus précisément dans le réseau antéropostérieur pour les SlowS que les FastS. Ensemble, nos résultats suggèrent une perte de flexibilité des réseaux pendant la transition des OL chez les individus plus âgés par rapport aux individus plus jeunes. / The sleeping brain tends to disconnect as it progresses toward slow wave sleep (SWS) in young adults and disconnects less in older adults. Slow waves (SW) are the main characteristics of slow wave sleep on the electroencephalogram (EEG). Our group recently showed that two types of SW co-exist, the “slow switcher” (SlowS) and the “fast switcher” (FastS), characterized by the transition speed between the hyperpolarized and depolarized peaks. On the EEG, the global connectivity during the transition of the SlowS and FastS differs and is reduced with aging. In this study, we used magnetoencephalography recordings to investigate age-related differences on the SW generators during the transition between the hyperpolarized and depolarized peaks in terms of 1) topography and 2) connectivity, using the weighted phase lag index based on the average phase lag during the SW transition. We hypothesised that as compared to younger individuals, SW of older participants would 1) involve broader cortical areas and 2) show higher connectivity than younger individuals, particularly for the SlowS. Our results revealed that as compared to younger participants, older individuals showed 1) more involvement of the right precuneus during the SlowS and 2) globally higher connectivity, more significantly for the SlowS. Finally, younger individuals showed higher connectivity than older individuals between specific regions, more precisely in the anteroposterior network for the SlowS than the FastS. Altogether, our results suggest an impaired flexibility of the network during the SW transition in older individuals as compared to younger individuals.

Le vieillissement des sociétés dans le monde s’accompagne d’immenses possibilités en même temps que de nombreux défis en matière de santé et de bien-être. Comme en témoignent les aînés, la qualité de vie lors du vieillissement dépend fortement de l’état de santé cognitive. Une meilleure compréhension des constituants de la santé cognitive constitue donc un élément central dans le défi qui attend les neuroscientifiques. Pour accomplir efficacement les activités cognitives quotidiennes, les régions du cerveau synchronisent leur activité l’une avec l’autre, tel que mesuré par la connectivité fonctionnelle basée sur les données de l’imagerie cérébrale. Les méthodes utilisant la connectivité fonctionnelle ont permis de mettre en avant une architecture relativement stable en soutien aux processus cognitifs. Cette organisation fonctionnelle serait en grande partie déterminée par l’architecture présente au « repos » (l’activité spontanée non contrôlée), mais serait également modulée par le type et le niveau d’activité dans les réseaux spécifiques à la tâche. À ce jour, il n’est pas clair si l’activité cognitive module l’association entre les mesures de connectivité fonctionnelle et l’âge, ou encore les expériences de vie, suspectées de soutenir le maintien des performances cognitives à travers un phénomène de réserve neurocognitive. Cette question est particulièrement d’intérêt dans le cadre des habiletés lexico-sémantiques, qui apparaissent -de manière générale- exceptionnellement bien préservées avec l’âge. Cette thèse, articulée en trois études, vise donc à décrire et comparer l’effet de l’âge sur les patrons de connectivité fonctionnelle lors de tâches lexico-sémantiques et au repos, ainsi qu’à caractériser l’influence de la complexité de la tâche et des expériences de vie sur les relations unissant âge et performance cognitive. Une première étude -grâce à l’imagerie cérébrale- décrit les interactions fonctionnelles entre régions lors de diverses tâches de vocabulaire. L’objectif de cette première étude est de décrire les changements de connectivité fonctionnelle liés à l’âge en utilisant trois tâches langagières et de comparer ces changements avec ceux observés dans un état de repos, et ce, dans une cohorte de 300 adultes âgés entre 18 et 85 ans. Il faut en effet rappeler que la compréhension de la réorganisation du cerveau dans le vieillissement repose principalement sur des études au repos; ou sur un plus petit nombre d’études ayant exploré les capacités cognitives qui, typiquement, déclinent avec l’âge. Cette littérature a mené à l’élaboration de concepts et de modèles du vieillissement cognitif qui semblent transversaux aux domaines cognitifs. Toutefois, certaines habiletés, comme les capacités langagières lexico-sémantiques, sont caractérisées par la préservation générale de la performance dans le vieillissement, offrant ainsi une potentielle fenêtre privilégiée pour observer des mécanismes cognitifs efficaces. L’exploration des caractéristiques spécifiques à une activité pourrait donc offrir un nouveau regard sur les mécanismes qui sous-tendent un vieillissement cognitif optimal. Les résultats indiquent que les différences de connectivité fonctionnelles liées à l’âge varient d’un paradigme à l’autre et que l’état de repos présente des caractéristiques très distinctes des tâches. En particulier, les régions du réseau du langage montrent des augmentations de la connectivité au cours du vieillissement, tandis que seules des diminutions de connectivité caractérisent l’état de repos. Ces résultats ont été reproduits en manipulant différentes variables du modèle, suggérant une certaine robustesse. Une seconde étude s’attarde à décrire les différences d’architecture fonctionnelle entre jeunes et aînés dans le contexte de la réalisation de tâches de dénomination. La connectivité fonctionnelle induite par une tâche offre le potentiel de révéler des processus neurofonctionnels particulièrement adaptés à l’état cognitif. La manipulation méthodologique de la tâche devait donc permettre d’étudier avec précision les mécanismes neurofonctionnels qui soutiennent la préservation de la performance pour une activité cognitive donnée. Par exemple, l’utilisation d’un paradigme de tâche permet l’utilisation d’un atlas propre à la tâche et à l’échantillon au lieu des atlas génériques issus d’un état de repos, ou la manipulation du niveau de complexité. Le but de la deuxième étude est de décrire les changements de connectivité fonctionnelle liés à l’âge pendant l’accomplissement d’une tâche cognitive qui est typiquement préservée dans le vieillissement sain, ainsi que de comparer les différences liées à une complexité plus élevée, tel que défini par la fréquence lexicale. Les résultats suggèrent des mécanismes propres à l’âge et à la tâche. Les adultes plus âgés présentent une gamme complexe de différences dans l’architecture fonctionnelle, en particulier dans les régions motrices de la parole, mais aussi sous la forme d’une ségrégation accrue des régions classiquement attribuée au traitement sémantique. Seules quelques régions présentent un effet d’interaction significatif entre la demande intrinsèque de la tâche et les différences liées à l’âge, ce qui suggère des mécanismes spécifiques à la tâche plutôt que transversaux aux domaines cognitifs. Dans l’ensemble, les résultats de ces deux études confirment donc l’intérêt complémentaire des analyses en connectivité fonctionnelle induite par une tâche pour comprendre l’organisation cérébrale qui sous-tend le maintien de la performance cognitive au cours du vieillissement sain. Une troisième étude se focalise en conséquence sur les liens entre les expériences de vie cognitivement stimulantes et la performance comportementale durant l’accomplissement d’une tâche cognitive en décrivant l’architecture neurofonctionnelle d’adultes jeunes et âgés. Dans l’étude des facteurs sous-tendant la préservation cognitive dans le vieillissement, l’impact des expériences de vie cognitivement stimulantes (p.ex.: niveau d’éducation, activité professionnelle, activités quotidiennes) a attiré l’intérêt de nombreux chercheurs au cours des 20 dernières années. Il est par exemple suggéré que les expériences de vie cumulées contribuent à la préservation cognitive dans le vieillissement sain ainsi qu’aux premiers stades d’une maladie neurodégénérative. Une relation indirecte est soupçonnée entre les expériences de vie et l’activité cognitive, à travers l’activité neuronale. Toutefois, l’impact des expériences de vie sur les capacités de dénomination – une activité cognitive parmi les mieux conservées avec l’âge -- est encore inconnu. L’objectif de la troisième étude est de décrire les relations directes et indirectes entre la connectivité fonctionnelle, la performance aux tâches et les activités cognitivement stimulantes (éducation, profession, activités quotidiennes) chez les personnes âgées. Les résultats montrent que le niveau de performance est associé à des patrons distincts de connectivité fonctionnelle chez les personnes jeunes et âgées pendant la dénomination de mots. Dans le contexte d’une tâche généralement réussie, il n’existe toutefois pas de relation entre le niveau de participation à des activités stimulantes (p.ex. : éducation, profession, activités de loisirs) et la performance à la tâche chez les ainés, contrairement à ce qui est observé chez les adultes jeunes. En somme, les travaux de cette thèse supportent l’hypothèse selon laquelle les mesures de connectivité fonctionnelle s’avèrent sensibles à l’état cognitif, offrant ainsi un appui à l’utilisation de paradigmes soigneusement conçus pour répondre à des questions spécifiques sur le vieillissement cognitif. Lors de l’exécution réussie d’une tâche de dénomination de mots, les adultes plus âgés font preuve d’une synchronisation spécifique à la tâche entre régions cérébrales, en association avec le niveau de performance. Bien que les expériences de vie cognitivement stimulantes interagissent avec la connectivité fonctionnelle chez les personnes âgées, celles-ci semblent peu corrélées à la performance dans le contexte d’une habileté préservée. Ces résultats offrent une perspective alternative aux rapports sur les mécanismes neuronaux de domaine général dans le vieillissement et suggèrent que l’utilisation d’une méthodologie propre à l’échantillon et à la tâche peut s’avérer utile pour parvenir à un portrait complet des processus cognitifs sains en matière de vieillissement. / The aging of societies worldwide comes with both immense opportunities as well as numerous challenges regarding health and wellness. As reported by older adults, quality of life in aging is heavily dependent upon cognitive health. A better understanding of the constituents of cognitive health is thus a central piece of the scientific challenge that awaits neuroscientists. For a cost-effective functioning in everyday cognitive activities, brain regions synchronize their activity one with another, as is measured by functional connectivity using neuroimaging. Functional connectivity has allowed for the recognition of a relatively stable architecture in charge of cognitive processes. This functional organization would be in large part determined by the architecture present at “rest” (the unconstrained spontaneous activity), but would also be modulated by the cognitive activity and by the cognitive demand in task-specific networks. The current understanding of the brain reorganization in aging relies mostly on either resting-state studies, or on a smaller number of studies that explored cognitive abilities typically declining with age. This literature led to the development of domain-general models and concepts regarding cognitive aging. Yet, little is known about task-specific patterns in functional connectivity with age. For example, lexical-semantic abilities are characterized by general preservation of performance in aging, therefore offering a potentially privileged window to observe efficient cognitive mechanisms. The exploration of task-specific characteristics could thus offer a new insight on neurofunctional mechanisms that define healthy aging, including potential reserve phenomenon. The general aim of this thesis, articulated in three studies, is to describe and compare the effect of age on functional connectivity patterns during lexico-semantic tasks and at rest, as well as to characterize the influence of task complexity and life experiences on the relationship between age and cognitive performance. The goal of the first study was to describe the age-related changes in functional connectivity using three language tasks in a large cohort of aging adults [18-85 years old] and to compare these changes with those observed in a resting state. Results show that age-related differences vary from one paradigm to another and that resting-state present very distinct pattern when compared with tasks. Notably, regions of the language network show age-related increases in connectivity while only age-related decreases characterize resting-state. These results remained stable even after manipulation of the model’s confounding variables, suggesting a certain robustness. Task-induced functional connectivity thus holds a potential to reveal neurofunctional processes that are distinctly adapted to the cognitive state. In consequence, a precise neurofunctional characterization for a given cognitive activity may benefit from a methodological fine-tuning. Such manipulation of the task may reveal neurofunctional mechanisms that support preserved cognitive abilities. For example, task paradigm allows the use of a sample and task-specific template instead of generic -resting-state- atlases, or the manipulation of the cognitive demand level. The goal of the second study was to describe the age-related changes of the functional connectivity patterns during the accomplishment of a cognitive task that is typically preserved in healthy aging, as well as to compare age-related differences under higher task demand, defined by lexical frequency. Results suggest both age and task-specific mechanisms. Older adults show a complex array of differences in functional connectivity architecture, especially so in speech motor regions, but also in the form of increased segregation of regions classically attributed to semantic processing. Only a few regions show a significant interaction effect between intrinsic task demand and age-related differences in functional connectivity. Altogether, the findings from the first two studies confirm the complementary interest of task-induced functional connectivity analysis to uncover the brain organization that subserves lexico-semantic abilities during healthy aging. Yet, little is known about what processes underly inter-individual differences in performance. In the investigation of preserved performance in aging, the impact of cognitively stimulating life experiences has drawn many interests in the past 20 years. Life experiences were indeed demonstrated to contribute to the preservation of cognitive performance in healthy aging and in the early stages of neurodegenerative diseases. This mechanism is suspected of operating through an indirect relationship between life experiences and cognitive activity via neural activity. It may also be mediated by the individual capacity to cope with the demand of the task. The impact of such lifetime experience on naming abilities --- amongst the best-preserved with age --- is still unknown. The goal of the third study was thus to describe the direct and indirect relationships between lifelong activities (i.e., education, occupation, everyday activities), functional connectivity, and task performance in older individuals. Results show that life experiences interact with functional connectivity during successful word naming among older individuals. An interaction with task demand was also noted in some brain regions, suggesting demand-dependent neural mechanisms. In conclusion, functional connectivity proves to be sensitive to the actual cognitive state, supporting the use of carefully designed paradigms to answer specific questions about cognitive aging. During the successful performance of a word naming task, older adults show a task-specific use of the brain connectome. While cognitively stimulating life experiences interact with functional connectivity in older adults, it appears poorly related to task performance in the context of preserved naming abilities. These findings offer an alternative perspective to previous reports of domain-general neural mechanisms in aging. Task and sample-specific designs may reveal useful to reach a complete characterization of successful cognitive processes in healthy aging.

La mémoire n’est pas un processus unitaire et est souvent divisée en deux catégories majeures: la mémoire déclarative (pour les faits) et procédurale (pour les habitudes et habiletés motrices). Pour perdurer, une trace mnésique doit passer par la consolidation, un processus par lequel elle devient plus robuste et moins susceptible à l’interférence. Le sommeil est connu comme jouant un rôle clé pour permettre le processus de consolidation, particulièrement pour la mémoire déclarative. Depuis plusieurs années cependant, son rôle est aussi reconnu pour la mémoire procédurale. Il est par contre intéressant de noter que ce ne sont pas tous les types de mémoire procédurale qui requiert le sommeil afin d’être consolidée. Entre autres, le sommeil semble nécessaire pour consolider un apprentissage de séquences motrices (s’apparentant à l’apprentissage du piano), mais pas un apprentissage d’adaptation visuomotrice (tel qu’apprendre à rouler à bicyclette). Parallèlement, l’apprentissage à long terme de ces deux types d’habiletés semble également sous-tendu par des circuits neuronaux distincts; c’est-à-dire un réseau cortico-striatal et cortico-cérébelleux respectivement. Toutefois, l’implication de ces réseaux dans le processus de consolidation comme tel demeure incertain. Le but de cette thèse est donc de mieux comprendre le rôle du sommeil, en contrôlant pour le simple passage du temps, dans la consolidation de ces deux types d’apprentissage, à l’aide de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle et d’analyses de connectivité cérébrale. Nos résultats comportementaux supportent l’idée que seul l’apprentissage séquentiel requiert le sommeil pour déclencher le processus de consolidation. Nous suggérons de plus que le putamen est fortement associé à ce processus. En revanche, les performances d’un apprentissage visuomoteur s’améliorent indépendamment du sommeil et sont de plus corrélées à une plus grande activation du cervelet. Finalement, en explorant l’effet du sommeil sur la connectivité cérébrale, nos résultats démontrent qu’en fait, un système cortico-striatal semble être plus intégré suite à la consolidation. C’est-à-dire que l’interaction au sein des régions du système est plus forte lorsque la consolidation a eu lieu, après une nuit de sommeil. En opposition, le simple passage du temps semble nuire à l’intégration de ce réseau cortico-striatal. En somme, nous avons pu élargir les connaissances quant au rôle du sommeil pour la mémoire procédurale, notamment en démontrant que ce ne sont pas tous les types d’apprentissages qui requièrent le sommeil pour amorcer le processus de consolidation. D’ailleurs, nous avons également démontré que cette dissociation de l’effet du sommeil est également reflétée par l’implication de deux réseaux cérébraux distincts. À savoir, un réseau cortico-striatal et un réseau cortico-cérébelleux pour la consolidation respective de l’apprentissage de séquence et d’adaptation visuomotrice. Enfin, nous suggérons que la consolidation durant le sommeil permet de protéger et favoriser une meilleure cohésion au sein du réseau cortico-striatal associé à notre tâche; un phénomène qui, s’il est retrouvé avec d’autres types d’apprentissage, pourrait être considéré comme un nouveau marqueur de la consolidation. / Memory in humans is generally divided into two broad categories: declarative (for facts and events) and procedural (for skills and motor abilities). To persist, memories undergo a process referred to as consolidation, where a fresh, initially labile memory trace becomes more robust and stable. Sleep is known to play an important role in declarative memory consolidation, and in the past decade, there has been increasing evidence for a role of sleep in the consolidation of procedural memory as well. Interestingly, however, the beneficial effects of sleep do not seem to be homogenous. Motor sequence learning consolidation, in particular, has been found to be particularly sensitive to sleep effects, while the consolidation of motor adaptation has not. Moreover, neuroimaging research, has demonstrated that the long term retention of these two types of motor abilities rely on different neuronal networks, namely the cortico-striatal and cortico-cerebellar systems, respectively. Yet the implication of these networks in the consolidation of these two types of motor memory remains unclear. The aim of the present doctoral thesis was thus to determine the influence of sleep, while controlling for the simple passage of daytime, on the consolidation of a motor sequence learning task vs. a motor adaptation task. We further aimed to bring new insights into the underlying brain regions involved in consolidating these two forms of motor skills. Consistent with previous research, we found off-line improvements in performance for motor adaptation learning, independent of whether participants had a night of sleep or remained awake during daytime. Furthermore, these improvements were correlated with activity in the cerebellum. In contrast, we found that off-line increases in performance in motor sequence learning were evident after a night of sleep but not over the day; and the putamen was strongly associated with this sleep-dependent consolidation process. Finally, while measuring brain changes in connectivity associated with the latter process, we observed that sleep-dependent consolidation is reflected by an increased level of integration within the cortico-striatal system, but not in other functional networks. Conversely, the simple passage of daytime in the wake state seems to result in decreased cortico-striatal integration. In sum our results highlight that not all motor memories undergo sleep-dependent consolidation. We demonstrated that these different paths to consolidation are also reflected by distinct underlying neuronal systems, namely a cortico-striatal and cortico-cerebellar network associated with the consolidation of motor sequence and motor adaptation learning respectively. Furthermore, we propose that consolidation of motor sequences during sleep protects and favors cohesion within the cortico-striatal system, a phenomenon that, if replicated in other types of memories, may be considered as a new marker of sleep-dependent consolidation.

La méditation par le ‘mindfulness’ favorise la stabilité émotionelle, mais les mécanismes neuroneux qui sous-tendent ces effets sont peu connus. Ce projet investiga l’effet du ‘mindfulness’ sur les réponses cérébrales et subjectives à des images négatives, positives et neutres chez des méditants expérimentés et des débutants au moyen de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Le ‘mindfulness’ atténua l’intensité émotionelle via différents mécanismes cérébraux pour chaque groupe. Comparés aux méditants, les débutants manifestèrent une déactivation de l’amygdale en réponse aux stimuli émotifs durant le ‘mindfulness’. Comparés aux débutants, les méditants exhibèrent une déactivation de régions du réseau du mode par défaut (RMD) pendant le ‘mindfulness’ pour tous stimuli (cortex médian préfrontal [CMP], cortex cingulaire postérieur [CCP]). Le RMD est constitué de régions fonctionnellement connectées, activées au repos et déactivées lors de tâches explicites. Cependant, nous ne connaissons pas les impacts de l’entraînement par la méditation sur la connectivité entre régions du RMD et si ces effets persistent au-delà d’un état méditatif. La connectivité fonctionnelle entre régions du RMD chez les méditants et débutants au repos fut investiguée au moyen de l’IRMf. Comparés aux débutants, les méditants montrèrent une connectivité affaiblie entre subdivisions du CMP, et une connectivité accrue entre le lobule pariétal inférieur et trois regions du RMD. Ces résultats reflètent que les bienfaits immédiats du ‘mindfulness’ sur la psychopathologie pourraient être dûs à une déactivation de régions limbiques impliquées dans la réactivité émotionelle. De plus, les bienfaits à long-terme de la méditation sur la stabilité émotionelle pourrait être dûs à une déactivation de régions corticales et cingulaires impliquées dans l’évaluation de la signification émotive et une connectivité altérée entre régions du RMD à l’état de repos. / Mindfulness meditation promotes emotional stability, yet little is known of the brain mechanisms through which this is achieved. The impact of mindfulness on the neural and subjective responses to negative, positive, and neutral pictures in experienced meditators and beginners was investigated using functional magnetic resonance imaging (fMRI). Mindfulness attenuated emotional intensity via distinct neural pathways for each group. For beginners, mindfulness induced a deactivation of the amygdala during emotional processing compared to meditators. For meditators (relative to beginners), mindfulness induced deactivations of areas involved in the evaluation of emotional significance and the default mode network (DMN) across all picture categories (medial prefrontal cortex [MPFC], posterior cingulate cortex). The DMN consists of functionally connected brain areas typically activated at rest and deactivated during goal-directed tasks. It remains unknown whether meditation training influences functional connectivity within DMN regions, and if so, whether these effects persist beyond a state of meditation per se. Functional connectivity within DMN regions at rest was examined using fMRI in beginners and meditators. Relative to beginners, meditators exhibited decreased connectivity between MPFC subdivisions, and increased connectivity between the right inferior parietal lobule and three other DMN regions. These findings may reflect that early beneficial effects of mindfulness on psychopathology are due to deactivations of limbic regions involved in emotional reactivity. On the other hand, long-term effects of meditation on emotional stability may occur through a down-regulation of prefrontal and cingulate regions involved in the evaluation of emotional significance, and altered functional connectivity within DMN regions at rest.

Le but de cette thèse est d'étudier les corrélats comportementaux et neuronaux du transfert inter-linguistique (TIL) dans l'apprentissage d’une langue seconde (L2). Compte tenu de nos connaissances sur l'influence de la distance linguistique sur le TIL (Paradis, 1987, 2004; Odlin, 1989, 2004, 2005; Gollan, 2005; Ringbom, 2007), nous avons examiné l'effet de facilitation de la similarité phonologique à l’aide de la résonance magnétique fonctionnelle entre des langues linguistiquement proches (espagnol-français) et des langues linguistiquement éloignées (persan-français). L'étude I rapporte les résultats obtenus pour des langues linguistiquement proches (espagnol-français), alors que l'étude II porte sur des langues linguistiquement éloignées (persan-français). Puis, les changements de connectivité fonctionnelle dans le réseau langagier (Price, 2010) et dans le réseau de contrôle supplémentaire impliqué dans le traitement d’une langue seconde (Abutalebi & Green, 2007) lors de l’apprentissage d’une langue linguistiquement éloignée (persan-français) sont rapportés dans l’étude III. Les résultats des analyses d’IRMF suivant le modèle linéaire général chez les bilingues de langues linguistiquement proches (français-espagnol) montrent que le traitement des mots phonologiquement similaires dans les deux langues (cognates et clangs) compte sur un réseau neuronal partagé par la langue maternelle (L1) et la L2, tandis que le traitement des mots phonologiquement éloignés (non-clang-non-cognates) active des structures impliquées dans le traitement de la mémoire de travail et d'attention. Toutefois, chez les personnes bilingues de L1-L2 linguistiquement éloignées (français-persan), même les mots phonologiquement similaires à travers les langues (cognates et clangs) activent des régions connues pour être impliquées dans l'attention et le contrôle cognitif. Par ailleurs, les mots phonologiquement éloignés (non-clang-non-cognates) activent des régions usuellement associées à la mémoire de travail et aux fonctions exécutives. Ainsi, le facteur de distance inter-linguistique entre L1 et L2 module la charge cognitive sur la base du degré de similarité phonologiques entres les items en L1 et L2. Des structures soutenant les processus impliqués dans le traitement exécutif sont recrutées afin de compenser pour des demandes cognitives. Lorsque la compétence linguistique en L2 augmente et que les tâches linguistiques exigent ainsi moins d’effort, la demande pour les ressources cognitives diminue. Tel que déjà rapporté (Majerus, et al, 2008; Prat, et al, 2007; Veroude, et al, 2010; Dodel, et al, 2005; Coynel, et al ., 2009), les résultats des analyses de connectivité fonctionnelle montrent qu’après l’entraînement la valeur d'intégration (connectivité fonctionnelle) diminue puisqu’il y a moins de circulation du flux d'information. Les résultats de cette recherche contribuent à une meilleure compréhension des aspects neurocognitifs et de plasticité cérébrale du TIL ainsi que l'impact de la distance linguistique dans l'apprentissage des langues. Ces résultats ont des implications dans les stratégies d'apprentissage d’une L2, les méthodes d’enseignement d’une L2 ainsi que le développement d'approches thérapeutiques chez des patients bilingues qui souffrent de troubles langagiers. / The purpose of this thesis was to study the behavioral and neural correlates of Cross-linguistic Transfer effects (CLT) at the word level, in second language learning. Moreover, given that language distance has an impact on CLT, (Paradis, 1987, 2004, Odlin, 1989, 2004, 2005, Gollan, 2005, Ringbom, 2007), two distinct language pairs were examined: Close language pairs (Spanish-French) and distant language pairs (Persian-French). This thesis comprises three studies. In study I, Spanish speakers and in study II Persian speakers were trained for lexical learning until consolidation level. Cognates (phonologically and semantically similar words), Clangs (phonologically similar words with different meanings), and Non-cognate-non-clangs (semantically similar words), were presented in a picture naming task. Accuracy rates and response times as well as event-related fMRI BOLD responses to each word category were measured. Simple and direct contrasts with phonologically similar and phonologically distant words were performed. Thus, Study I reports the results of close languages (Spanish-French) and Study II, reports the results of distant languages (Persian-French). The neurocognitive processing of language learning was further investigated in terms of networks using functional connectivity analysis in distant languages (Persian-French) and the results are reported in Study III. The Results with the General Linear Model analysis show that with close language pairs (French-Spanish), the processing of phonologically similar words (cognates and clangs) relies upon a shared L1-L2 language specific neural areas, whereas processing of phonologically distant words (non-clang-non-cognates), activates L1 language processing areas, but also relies upon working memory, attentional, and processing structures. However, with distant language pairs (French-Persian), even phonologically similar words (cognates and clangs) activate areas known to be involved in attentional processing and cognitive control. Moreover, phonologically distant words (non-clang-non-cognates) also activate areas involved in working memory and executive function processing structures. Thus, the factor of L1-L2 cross-linguistic distance appears to modulate the executive load imposed to the system, on the basis of the degree of phonological overlap between L1-L2 items; thus in order to compensate for more effortful processing demands, the system recruits executive function supporting structures. The results of the connectivity analysis show that, in line with literature (Majerus, et al., 2008; Prat, et al., 2007; Veroude, et al., 2010; Dodel, et al., 2005; Coynel, et al., 2009), when the language proficiency is low, there is enhanced functional connectivity between and within language specific and other cognitive processing (working memory, attentional and cognitive control) networks. However, as proficiency increases, integration values (functional connectivity) decrease. This reflects that language tasks become less effortful and demand less cognitive resources. The results of this dissertation contribute to a better understanding of CLT effects on L2 learning, both in regards to different word types and L1-L2 language distance. These results have implications with regards to L2 learning and teaching strategies and approaches as well as with regards to the development of data-driven therapy approaches in the case of language break down in bilingual population.

La mémoire n’est pas un processus unitaire et est souvent divisée en deux catégories majeures: la mémoire déclarative (pour les faits) et procédurale (pour les habitudes et habiletés motrices). Pour perdurer, une trace mnésique doit passer par la consolidation, un processus par lequel elle devient plus robuste et moins susceptible à l’interférence. Le sommeil est connu comme jouant un rôle clé pour permettre le processus de consolidation, particulièrement pour la mémoire déclarative. Depuis plusieurs années cependant, son rôle est aussi reconnu pour la mémoire procédurale. Il est par contre intéressant de noter que ce ne sont pas tous les types de mémoire procédurale qui requiert le sommeil afin d’être consolidée. Entre autres, le sommeil semble nécessaire pour consolider un apprentissage de séquences motrices (s’apparentant à l’apprentissage du piano), mais pas un apprentissage d’adaptation visuomotrice (tel qu’apprendre à rouler à bicyclette). Parallèlement, l’apprentissage à long terme de ces deux types d’habiletés semble également sous-tendu par des circuits neuronaux distincts; c’est-à-dire un réseau cortico-striatal et cortico-cérébelleux respectivement. Toutefois, l’implication de ces réseaux dans le processus de consolidation comme tel demeure incertain. Le but de cette thèse est donc de mieux comprendre le rôle du sommeil, en contrôlant pour le simple passage du temps, dans la consolidation de ces deux types d’apprentissage, à l’aide de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle et d’analyses de connectivité cérébrale. Nos résultats comportementaux supportent l’idée que seul l’apprentissage séquentiel requiert le sommeil pour déclencher le processus de consolidation. Nous suggérons de plus que le putamen est fortement associé à ce processus. En revanche, les performances d’un apprentissage visuomoteur s’améliorent indépendamment du sommeil et sont de plus corrélées à une plus grande activation du cervelet. Finalement, en explorant l’effet du sommeil sur la connectivité cérébrale, nos résultats démontrent qu’en fait, un système cortico-striatal semble être plus intégré suite à la consolidation. C’est-à-dire que l’interaction au sein des régions du système est plus forte lorsque la consolidation a eu lieu, après une nuit de sommeil. En opposition, le simple passage du temps semble nuire à l’intégration de ce réseau cortico-striatal. En somme, nous avons pu élargir les connaissances quant au rôle du sommeil pour la mémoire procédurale, notamment en démontrant que ce ne sont pas tous les types d’apprentissages qui requièrent le sommeil pour amorcer le processus de consolidation. D’ailleurs, nous avons également démontré que cette dissociation de l’effet du sommeil est également reflétée par l’implication de deux réseaux cérébraux distincts. À savoir, un réseau cortico-striatal et un réseau cortico-cérébelleux pour la consolidation respective de l’apprentissage de séquence et d’adaptation visuomotrice. Enfin, nous suggérons que la consolidation durant le sommeil permet de protéger et favoriser une meilleure cohésion au sein du réseau cortico-striatal associé à notre tâche; un phénomène qui, s’il est retrouvé avec d’autres types d’apprentissage, pourrait être considéré comme un nouveau marqueur de la consolidation. / Memory in humans is generally divided into two broad categories: declarative (for facts and events) and procedural (for skills and motor abilities). To persist, memories undergo a process referred to as consolidation, where a fresh, initially labile memory trace becomes more robust and stable. Sleep is known to play an important role in declarative memory consolidation, and in the past decade, there has been increasing evidence for a role of sleep in the consolidation of procedural memory as well. Interestingly, however, the beneficial effects of sleep do not seem to be homogenous. Motor sequence learning consolidation, in particular, has been found to be particularly sensitive to sleep effects, while the consolidation of motor adaptation has not. Moreover, neuroimaging research, has demonstrated that the long term retention of these two types of motor abilities rely on different neuronal networks, namely the cortico-striatal and cortico-cerebellar systems, respectively. Yet the implication of these networks in the consolidation of these two types of motor memory remains unclear. The aim of the present doctoral thesis was thus to determine the influence of sleep, while controlling for the simple passage of daytime, on the consolidation of a motor sequence learning task vs. a motor adaptation task. We further aimed to bring new insights into the underlying brain regions involved in consolidating these two forms of motor skills. Consistent with previous research, we found off-line improvements in performance for motor adaptation learning, independent of whether participants had a night of sleep or remained awake during daytime. Furthermore, these improvements were correlated with activity in the cerebellum. In contrast, we found that off-line increases in performance in motor sequence learning were evident after a night of sleep but not over the day; and the putamen was strongly associated with this sleep-dependent consolidation process. Finally, while measuring brain changes in connectivity associated with the latter process, we observed that sleep-dependent consolidation is reflected by an increased level of integration within the cortico-striatal system, but not in other functional networks. Conversely, the simple passage of daytime in the wake state seems to result in decreased cortico-striatal integration. In sum our results highlight that not all motor memories undergo sleep-dependent consolidation. We demonstrated that these different paths to consolidation are also reflected by distinct underlying neuronal systems, namely a cortico-striatal and cortico-cerebellar network associated with the consolidation of motor sequence and motor adaptation learning respectively. Furthermore, we propose that consolidation of motor sequences during sleep protects and favors cohesion within the cortico-striatal system, a phenomenon that, if replicated in other types of memories, may be considered as a new marker of sleep-dependent consolidation.