Le contrôle cognitif est défini comme l'ensemble des processus guidant la sélection de nos actions en fonction de nos buts et des événements externes. Ce travail étudie les bases neurales du contrôle cognitif chez l'humain au moyen de l'imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf). Dans une première étude, nous montrons qu'il existe trois niveaux hiérarchiques du contrôle cognitif : le contrôle sensoriel, exercé par le cortex prémoteur, sélectionne les actions en fonction des stimuli ; le contrôle contextuel, exercé par le cortex préfrontal latéral (CPFL) postérieur, sélectionne les associations sensorimotrices (les tâches) en fonction du contexte immédiat des stimuli ; le contrôle épisodique, exercé par le CPFL antérieur, sélectionne les tâches et les réponses en fonction des événements passés. Dans une deuxième étude, nous montrons que les contrôles sensoriel, contextuel et épisodique interviennent également dans la sélection préparatoire des actions, et engagent alors respectivement les mêmes régions qui sont engagées au moment de l'exécution. Dans une troisième étude, nous montrons que chaque région du cortex frontal latéral possède une homologue fonctionnelle dans le cortex pariétal. La réciproque n'est toutefois pas vérifiée : nous révélons une région pariétale spécifique qui serait impliquée dans le calcul, et non dans la sélection des réponses possibles associées aux stimuli perçus. En outre, alors que les régions frontales présentent une organisation hiérarchique, les régions pariétales présentent une architecture parallèle. Nos résultats expérimentaux supportent ainsi un modèle global de l'organisation du contrôle cognitif dans le cortex cérébral.

L'étude de la conscience est un sujet d'investigation fascinant avec un large champ d'applications et d'implications. Les processus de la conscience peuvent être divisés en deux composantes indépendantes quoiqu'intimement liées : l'état conscient et le contenu conscient. L'état conscient correspond aux processus de variation de la vigilance, tandis que le contenu conscient fait référence aux expériences sensorielles perçues et manipulées dans un espace conscient. Bien que la conscience soit un élément essentiel de la cognition humaine, qui conditionne ce que les gens vivent et peuvent se remémorer, la légitimité et le bien-fondé de l'analyse scientifique et rigoureuse des corrélats neuronaux de la conscience soulèvent encore des débats houleux. Dans la première partie de cette thèse, j'utilise un célèbre paradigme de conflit sensorimoteur pour identifier des corrélats neuronaux de l'émergence de la conscience. Les travaux initiés par Torstein Nielsen (Nielsen 1963) ont démontré que la majorité des traitements sensorimoteurs s'effectuent sans nécessiter une analyse consciente. L'émergence de phénomènes conscients apparaissant à partir d'un seuil subjectif de conflit sensori-moteur appelé point d'égalité subjective. A partir d'enregistrements électroencéphalographiques, effectués chez une population de sujets adultes, il est possible d'identifier des sources d'activités corticales indépendantes des intensités des stimulations sensorielles expérimentées et spécifiques de l'émergence d'une sensation perçue consciemment. Ainsi, j'ai pu démontrer que le précuneus était une structure centrale dans les processus qui transforment un conflit sensorimoteur en une expérience consciente. J'ai également étudié ce phénomène d'un point de vue développemental en examinant les performances comportementales et des enregistrements EEG recueillies chez l'enfant. Bien que le moment de la correction du mouvement et la qualité du tracé de la trajectoire étaient similaires aux données mesurées chez les sujets adultes, le seuil de conscience motrice s'est montré plus élevé et l'activité du cortex pariétal n'a pas été retrouvée. En revanche, l'aire motrice supplémentaire a été identiée comme un corrélat important de l'émergence d'une sensation consciente d'un conflit sensorimoteur chez l'enfant. Dans une seconde partie, mes travaux ont été consacrés à l'hypothèse audacieuse qu'une stimulation électrique du nerf vague pourrait modifier l'état de conscience d'un patient se trouvant dans un état végétatif depuis 15 ans. Nous rapportons les effets bénéfiques observés après cette thérapeutique expérimentale au niveau comportemental, clinique et neurophysiologiques. Les enregistrements EEG et les méthodes de mesure de connectivité fonctionnelle m'ont permis d'observer chez ce patient une augmentation du partage d'informations corticales particulièrement importante dans les régions pariétales. L'effet de la stimulation a été également confirmé par d'autres méthodes. L'imagerie métabolique a montré une augmentation généralisée de l'activité corticale et sous-corticale et les évaluations cliniques par la CRS-R ont montré une amélioration de l'état de conscience corrélée aux observations électroencéphalographiques. Ces changements induits par la stimulation du nerf vague sont prometteurs car les modifications cérébrales observées sont caractéristiques de l'amélioration des états de conscience chez les patients gravement cérébrolésés. L'ensemble de ces résultats suggèrent que le lobe pariétal constitue à la fois un corrélat important de l'état de conscience et du contenu conscient, faisant de cette région une composante essentielle de l'émergence de la conscience. De plus, nos résultats préliminaires suggèrent que la conscience peut être, au moins partiellement, restaurée. Cette découverte ouvre de toutes nouvelles perspectives pour le futur des recherches en neurosciences où, l'hypothèse d'une modulation de la plasticité cérébrale avait été oubliée / The study of consciousness is a fascinating topic of investigation with a wide field of applications and implications. Consciousness processes can be divided into two orthogonal though intimately linked components: the conscious state, that is the state of vigilance or arousal, and the conscious content which refers to the external inputs perceived and manipulated in a conscious space. Although consciousness represents the most important human dimension where people's personal events are continuously experienced and remembered, it is somewhat surprising that its underlying neural processes still sparks lot of debates. In the first part of this PhD thesis, I took advantage from a well-known sensorimotor conflict paradigm, the Nielsen task, to investigate the neural correlates of the emergence of consciousness. Starting from the principle that much of motor processing occurs outside of awareness, I adapted the Nielsen paradigm to neurally investigate how the perception of a motor conflict in healthy subjects smoothly shifted along the unaware/aware state (i.e. point of subjective equality). Using EEG recordings, I then identify the brain sources which I consider the neural fingerprint of awareness. I found that the precuneus was critical for bringing the sensorimotor conflict into awareness. I also investigated this issue from a developmental perspective by examining the performance of healthy children. Although the timing of movement correction and the quality of movement trajectory in children was similar to adult subjects, motor awareness was shifted towards higher perception thresholds while parietal cortex activity was not found. Rather, children's response to conflict awareness was linked to SMA. After having addressed the topic of awareness in this first part, I will focus more on the second component, wakefulness. Usually these two components evolve together, however there are some pathological states in which they can be dissociated. It is the case for vegetative state patients who experience a state of wakefulness without awareness. In the second part of the thesis, I investigated the challenging hypothesis of a potential return to a conscious state, in a patient lying in a vegetative state for 15 years, after vagus nerve stimulation (VNS). We report beneficial effects of VNS including improved behavioural responsiveness and reinforced brain connectivity patterns as key signs of increased consciousness. The results showed an increase of information sharing a measure of functional connectivity particularly prominent across centro-posterior regions. Converging findings, coming from different methods, showed that VNS promoted the spread of cortical signals and metabolism which we found correlated with behavioural improvement as measured with the CRS-R scale. The VNS-induced changes are promising since they seem to follow an already known connectivity pattern characterizing state of consciousness improvements. Taken together, these findings indicate that the parietal lobe constitutes the neural correlate of both state and content-specific consciousness and suggest that this region is a "hot zone" for its emergence. Moreover, our first findings in a vegetative state patient also suggest that consciousness can be potentially repaired, thus opening the way to a new avenue of research in a domain where brain plasticity was underestimated

Recollection, the process by which an item provokes the retrieval of associated information stored in the brain, is a key component of recognition memory. It is explored in this thesis through the use of a paradigm designed to allow the neural correlates of amount recalled to be identified through parametric fMRI analysis. A series of experiments were carried out during the development and optimisation of this paradigm in order to ensure that the various demands of this analysis were met. Subsequently this paradigm was applied during an fMRI experiment which provided data from both the encoding and retrieval stages of recollection.Whilst the development work was chiefly concerned with producing a suitable task design for the parametric fMRI analysis, these experiments provided some interesting results in their own right. The task design, which required participants to associate multiple item types within a story context, showed that there are significant differences in the frequency with which different stimuli are recollected. Participants were found to be particularly poor at recollecting faces whilst words were also shown to be recollected less frequently than either object or animal picture stimuli. A possible explanation for these differences may be related to the picture superiority effect although eye-tracking data collected from these experiments demonstrates large differences in viewing behaviour between different target stimulus types which is not correlated with later recall success. The amount of time participants spend engaging with the highly contextual scene item does predict later recall success.The fMRI analysis (Chapter 5) carried out during the encoding and retrieval stages of recollection found a variety of regions exhibiting a positive linear relationship with recollection at both these stages. This result provides support for the cortical reinstatement hypothesis of recollection despite the fact that the hippocampus only showed parametric modulation of activity during retrieval. It is proposed that parahippocampal activity during encoding and retrieval supports the recollection of contextual information whilst the same pattern of activity in parietal regions related to recollection may reflect the reinstatement of the global image of the story created during the encoding task.