Le trouble obsessionnel-compulsif (TOC) est un trouble anxieux fréquent et invalidant. Pour un grand nombre de patients, il existe une résistance aux thérapeutiques actuellement disponibles, soulignant toute l'importance de mieux préciser la physiopathologie du TOC. Le principal objectif de cette thèse est d’étudier les altérations anatomiques et fonctionnelles des voies thalamo-corticales intéressant le cortex orbitofrontal (COF) et le cortex cingulaire antérieur (CCA) dans le TOC. Pour cela, nous avons utilisé plusieurs outils complémentaires permettant d’appréhender cette problématique sous différents angles méthodologiques.Concernant les altérations anatomiques associées au TOC, nous avons rapporté les données de méta-analyses des études de neuro-imagerie volumétrique et morphométrique ainsi que les résultats d'une étude originale d'imagerie volumétrique. Une diminution du volume orbitofrontal, une augmentation du volume thalamique et une relation entre ces modifications de volumes ont été observées chez les patients avec TOC comparativement aux témoins. Les modifications de densité de matière grise concernaient le COF et le putamen dans le sens d'une augmentation et les cortex pariétal et préfrontal dorsolatéral dans le sens d'une diminution dans le TOC.Concernant les altérations fonctionnelles associées au TOC, nous avons détaillé un travail de méta-analyse des études d'imagerie fonctionnelle, un travail expérimental chez le primate basé sur des manipulations pharmacologiques intra-cérébrales, puis un travail expérimental chez l'homme reposant sur le développement d'une tâche comportementale originale couplée à l'imagerie fonctionnelle. Dans notre méta-analyse, nous avons décrit la participation fonctionnelle de régions comme le COF, le thalamus et le striatum lorsque des symptômes obsessionnels et compulsifs étaient provoqués chez des patients. Chez le primate subhumain, nous avons montré qu'une hyperactivation du noyau ventral-antérieur, par levée de l'inhibition GABAergique, entraînait l'apparition de comportements pseudo-compulsifs. Ensuite, à l'aide d'une tâche originale qui mettait les sujets en situation de vérifier, nous avons mis en évidence que les dysfonctions orbitofrontales associées au doute lors de la prise de décision n'étaient pas modulées ni par les informations contextuelles (signaux d'erreur), ni par la réponse comportementale chez les patients avec TOC comparativement à des sujets témoins.Enfin, la superposition des cartes morphométriques et fonctionnelles a trouvé une relation entre les altérations anatomiques et fonctionnelles au sein du COF. Nos résultats soulignent toute l'importance des voies thalamo-orbitofrontales dans la physiopathologie du TOC. / Obsessive-compulsive disorder (OCD) is a frequent and disabling anxiety disorder. Available treatments are effective for most patients but impairing residual symptoms and treatment resistance are common in OCD patients. Therefore, a better understanding of OCD pathophysiology is essential for further improvement of therapeutic strategies. The main goal of my thesis was to assess the anatomical and funtional thalamocortical alterations associated with OCD. Concerning the anatomical thalamocortical alterations associated with OCD, we conducted two meta-analyses of anatomical neuroimaging studies and an original volumetric neuroimaging study. We reported a smaller thalamic volume and a greater orbitofrontal volume, but also an inverse relationship between the volume changes in OCD patients compared with healthy subjects. Furthermore, we showed that gray matter density within the orbitofrontal cortex and the putamen were enhanced in OCD. Concerning the functional thalamocortical alterations associated with OCD, we reported data coming from a meta-analysis of functional neuroimaging studies, an experimental study in subhuman primates using local brain pharmacological manipulations and an event-related neuroimaging study in OCD patients. In our meta-analysis, we showed that the orbitofrontal cortex, the thalamus and the striatum were involved in the mediation of OCD symptoms. In subhuman primates, the pharmacologically induced overactivity within the ventralanterior thalamic nucleus leaded to the emergence of compulsive-like behaviors. Then, in our neuroimaging study, we found that doubt-related orbitofrontal dysfunctions were not modulated by neither error signals nor compulsive-like behaviors in OCD patients, compared with healthy subjects. Finally, we described by using meta-analytic data that anatomical and functional brain alterations overlap with the lateral orbitofrontal cortex in OCD. In conclusion, our results suggest that the thalamo-orbitofrontal network may play a primary role in the genesis and mediation of OCD symptoms.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Can the brain register the emotional valence of brief exposures of complex natural stimuli under conditions of forward and backward masking, and under conditions of attentional competition between foveal and peripheral stimuli? To address this question, three experiments were conducted. The first, a behavioural experiment, measured subjective valence of response (pleasant vs unpleasant) to test the perception of the valence of natural images in brief, masked exposures in a forward and backward masking paradigm. Images were chosen from the International Affective Picture System (IAPS) series. After correction for response bias, responses to the majority of target stimuli were concordant with the IAPS ratings at better than chance, even when the presence of the target was undetected. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), the effects of IAPS valence and stimulus category were objectively measured on nine regions of interest (ROIs) using the same strict temporal restrictions in a similar masking design. Evidence of affective processing close to or below conscious threshold was apparent in some of the ROIs. To further this line of enquiry, a second fMRI experiment mapping the same ROIs and using the same stimuli were presented in a foveal (‘attended’) peripheral (‘to-be-ignored’) paradigm (small image superimposed in the centre of a large image of the same category, but opposite valence) to investigate spatial parameters and limitations of attention. Results are interpreted as showing both valence and category specific effects of ‘to-be-ignored’ images in the periphery. These results are discussed in light of theories of the limitations of attentional capacity and the speed in which we process natural images, providing new evidence of the breadth of variety in the types of affective visual stimuli we are able to process close to the threshold of conscious perception.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Chaque jour, nous prenons des décisions impliquant de choisir les options qui nous semblent les plus avantageuses, en nous basant sur nos expériences passées. Toutefois, les mécanismes et les bases neurales de l’apprentissage par renforcement restent débattus. D’une part, certains travaux suggèrent l’existence de deux systèmes opposés impliquant des aires cérébrales corticales et sous-corticales distinctes lorsque l’on apprend par la carotte ou par le bâton. D’autres part, des études ont montré une ségrégation au sein même de ces régions cérébrales ou entre des neurones traitant l’apprentissage par récompenses et celui par évitement des punitions. Le but de cette thèse était d’étudier la dynamique cérébrale de l’apprentissage par renforcement chez l’homme. Pour ce faire, nous avons utilisé des enregistrements intracérébraux réalisés chez des patients épileptiques pharmaco-résistants pendant qu’ils réalisaient une tâche d’apprentissage probabiliste. Dans les deux premières études, nous avons d’investigué la dynamique de l’encodage des signaux de renforcement, et en particulier à celui des erreurs de prédiction des récompenses et des punitions. L’enregistrement de potentiels de champs locaux dans le cortex a mis en évidence le rôle central de l’activité à haute-fréquence gamma (50-150Hz). Les résultats suggèrent que le cortex préfrontal ventro-médian est impliqué dans l’encodage des erreurs de prédiction des récompenses alors que pour l’insula antérieure, le cortex préfrontal dorsolatéral sont impliqués dans l’encodage des erreurs de prédiction des punitions. De plus, l’activité neurale de l’insula antérieure permet de prédire la performance des patients lors de l’apprentissage. Ces résultats sont cohérents avec l’existence d’une dissociation au niveau cortical pour le traitement des renforcements appétitifs et aversifs lors de la prise de décision. La seconde étude a permis d’étudier l’implication de deux noyaux limbiques du thalamus au cours du même protocole cognitif. L’enregistrement de potentiels de champs locaux a mis en évidence le rôle des activités basse fréquence thêta dans la détection des renforcements, en particulier dans leur dimension aversive. Dans une troisième étude, nous avons testé l’influence du risque sur l’apprentissage par renforcement. Nous rapportons une aversion spécifique au risque lors de l’apprentissage par évitement des punitions ainsi qu’une diminution du temps de réaction lors de choix risqués permettant l’obtention de récompenses. Cela laisse supposer un comportement global tendant vers une aversion au risque lors de l’apprentissage par évitement des punitions et au contraire une attirance pour le risque lors de l’apprentissage par récompenses, suggérant que les mécanismes d’encodage du risque et de la valence pourraient être indépendants. L’amélioration de la compréhension des mécanismes cérébraux sous-tendant la prise de décision est importante, à la fois pour mieux comprendre les déficits motivationnels caractérisant plusieurs pathologies neuropsychiatriques, mais aussi pour mieux comprendre les biais décisionnels que nous pouvons exhiber. / We make decisions every waking day of our life. Facing our options, we tend to pick the most likely to get our expected outcome. Taking into account our past experiences and their outcome is mandatory to identify the best option. This cognitive process is called reinforcement learning. To date, the underlying neural mechanisms are debated. Despite a consensus on the role of dopaminergic neurons in reward processing, several hypotheses on the neural bases of reinforcement learning coexist: either two distinct opposite systems covering cortical and subcortical areas, or a segregation of neurons within brain regions to process reward-based and punishment-avoidance learning.This PhD work aimed to identify the brain dynamics of human reinforcement learning. To unravel the neural mechanisms involved, we used intracerebral recordings in refractory epileptic patients during a probabilistic learning task. In the first study, we used a computational model to tackle the brain dynamics of reinforcement signal encoding, especially the encoding of reward and punishment prediction errors. Local field potentials exhibited the central role of high frequency gamma activity (50-150Hz) in these encodings. We report a role of the ventromedial prefrontal cortex in reward prediction error encoding while the anterior insula and the dorsolateral prefrontal cortex encoded punishment prediction errors. In addition, the magnitude of the neural response in the insula predicted behavioral learning and trial-to-trial behavioral adaptations. These results are consistent with the existence of two distinct opposite cortical systems processing reward and punishments during reinforcement learning. In a second study, we recorded the neural activity of the anterior and dorsomedial nuclei of the thalamus during the same cognitive task. Local field potentials recordings highlighted the role of low frequency theta activity in punishment processing, supporting an implication of these nuclei during punishment-avoidance learning. In a third behavioral study, we investigated the influence of risk on reinforcement learning. We observed a risk-aversion during punishment-avoidance, affecting the performance, as well as a risk-seeking behavior during reward-seeking, revealed by an increased reaction time towards appetitive risky choices. Taken together, these results suggest we are risk-seeking when we have something to gain and risk-averse when we have something to lose, in contrast to the prediction of the prospect theory.Improving our common knowledge of the brain dynamics of human reinforcement learning could improve the understanding of cognitive deficits of neurological patients, but also the decision bias all human beings can exhibit.

Odorous sensations are based on trigeminal and olfactory perceptions. Both trigeminal and olfactory stimuli generate overlapping as well as distinctive activations in the olfactory cortex including the piriform cortex. Orbitofrontal cortex (OFC), an integrative center for all senses, is directly activated in the presence of olfactory stimulations. In contrast, the thalamus, a very important midbrain structure, is not directly activated in the presence of odors, but rather acts as a relay for portions of olfactory information between primary olfactory cortex and higher-order processing centers. The aims of the study were (1) to examine the number of streamlines between the piriform cortex and the OFC and also between the piriform cortex and the thalamus and (2) to explore potential correlations between these streamlines and trigeminal and olfactory chemosensory perceptions. Thirty-eight healthy subjects were recruited for the study and underwent diffusion MRI using a 3T MRI scanner with 67 diffusion directions. ROIs were adapted from two studies looking into olfaction in terms of functional and structural properties of the olfactory system. The “waytotal number” was used which corresponds to number of streamlines between two regions of interests. We found the number of streamlines between the piriform cortex and the thalamus to be higher in the left hemisphere, whereas the number of streamlines between the piriform cortex and the OFC were higher in the right hemisphere. We also found streamlines between the piriform cortex and the thalamus to be positively correlated with the intensity of irritating (trigeminal) odors. On the other hand, streamlines between the piriform cortex and the OFC were correlated with the threshold scores for these trigeminal odors. This is the first studying the correlations between streamlines and olfactory scores using tractography. Results suggest that different chemosensory stimuli are processed through different networks in the chemosensory system involving the thalamus.

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