Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La prise de décision est un processus adaptatif essentiel dont la réalisation dépend de nombreux processus exécutifs, motivationnels et émotionnels ainsi que de l’intégrité de différents circuits frontaux sous-corticaux. Des capacités altérées de prise de décision caractérisent de nombreuses pathologies mentales et neurobiologiques. Aussi, un enjeu majeur de la recherche en neurosciences comportementales aujourd’hui est de déterminer les traits comportementaux, les fonctions cognitives et les substrats neurobiochimiques impliqués dans le dysfonctionnement de ce processus complexe et permettant une meilleure connaissance de l’étiologie des pathologies psychiatriques associées. Nous avons développé chez le rat, un test de prise de décision qui reproduit une situation incertaine, complexe et conflictuelle de choix au principe similaire à un test classiquement utilisé chez l’homme (l’Iowa Gambling Task). Ce test permet aisément d’explorer la dynamique du processus complexe de prise de décision, en un essai, dont les conditions peuvent être facilement modulées (difficulté augmentée/diminuée) et dont l’utilisation est très pratique. Grâce à une approche différentielle du comportement, nous avons observé des différences spontanées de capacités de prise de décision, avec une majorité de rats au comportement adapté et une minorité au comportement inadapté. Nous avons ensuite révélé que ces derniers présentent un profil neuropsychobiologique particulier dont certaines caractéristiques rappellent celles de sujets humains présentant des troubles de la prise de décision en clinique : ils sont plus prompts à prendre des risques, plus sensibles au renforcement, ils présentent une inflexibilité comportementale, qui n’est pas sans rappeler certains aspects du comportement compulsif, ainsi qu’une hyperactivité motrice (dans certaines situations). Enfin, nous avons mis en évidence l’implication différentielle de sous régions du cortex préfrontal, lors du test, en fonction des capacités spontanées de prise de décision des animaux. Grâce à tous ces atouts, ce test permettra de vérifier, en clinique, si la combinaison de traits comportementaux que nous avons identifiée chez les rats non performants, constitue bien des endophénotypes des troubles mentaux liés au dysfonctionnement exécutif. Il sera également possible de vérifier en quoi les substrats neurobiologiques sous jacents constituent des marqueurs potentiels prédictifs du développement de certaines pathologies mentales humaines et conduisent à ce phénotype particulier. / Decision-making is a crucial adaptive process. Making a decision depends on executive, motivational, and affective capacities that rely on the integrity of several frontal-subcortical circuits, including the ventromedial prefrontal cortex. Poor decision-making is a characteristic of many psychiatric disorders and some neuropsychopathologies. A major goal of behavioural neuroscience is to determine the behavioural traits, cognitive functions and neurobiological substrates involved in this complex process of choice under normal and dysfunctional conditions Based on the principle of the Iowa Gambling Task (IGT) in humans, we have developed a decision-making task in rats that assesses their ability to choose under conditions of uncertainty between several conflicting options that differ with respect to long term gain. In this task, conditions of the test can be easily modified to increase or decrease the task difficulty. Furthermore, a single test session allows observation of the evolution of the decision-making process across time. Using this task we highlighted individual differences by detecting good and poor decision-makers. We found that a combination of behavioural characteristics related to different psychopathologies in humans were specifically associated with poor decision-making in rats. Rat poor decision-makers displayed less behavioural flexibility, greater motor impulsivity and increased risk-taking behaviour that was associated with a greater sensitivity to reward. Moreover, our results reveal that rats solve our decision-making task by differentially recruiting prefrontal cortical areas according to pre-existing behavioural traits. Finally, our model presents a unique opportunity to study the behavioural characteristics and neurobiological substrates of decision-making under pathological and non pathological conditions. Using this technique, it will be possible to investigate if the combination of behavioural traits identified in the poor decision-making rat is also observed clinically and if these traits are predictive of the development of psychopathology.

Les humains virtuels en interaction homme machine sont aujourd’hui établis comme un objet de recherche à part entière. Leurs comportements pensés pour différentes applications sont basés sur les routines d’interaction entre humains. Bien que les humains virtuels aient souvent un corps représenté graphiquement, les recherches actuelles souffrent de deux limitations majeures qui dégradent la crédibilité de l’expérience des utilisateurs : les comportements corporels modélisés manquent d’interactivité sociale et ne prennent pas en compte les différences interindividuelles. Les développements récents en Sciences Humaines promeuvent une approche plus intégrative avec en son cœur le rôle constitutif de l’interaction sociale. La position centrale et interdisciplinaire des humains virtuels dans ce nouvel agenda de recherche est particulièrement importante : ils sont à la fois une manière de mieux étudier les différents phénomènes d’interactions sociales (comme outil expérimental) et une solution potentielle à des défis sociétaux (comme applications). L’objectif principal de cette thèse est de combiner les apports et valoriser les synergies établies entre les sciences de l’informatique et les sciences humaines, afin d’appréhender le rôle modérateur des différences interindividuelles dans le contrôle et la régulation des interactions corporelles. L’objectif à plus long terme de cette contribution vise à développer des humains virtuels interactifs à l’interface de ces domaines, avec l’idée que les besoins des deux champs de recherches contraindraient de manière positive les propositions futures. Pour limiter le cadre de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur les mouvements du corps (les aspects statiques du corps ou les autres modalités ne sont pas considérées), sur les mécanismes de couplages bas niveaux et le rôle modérateur des différences interindividuelles avec comme objectif de proposer des prototypes d’humains virtuels comme preuve de concept (plutôt que des logiciels fonctionnels complets) incluant des modèles d’interaction corporelle dyadique. Notre méthodologie peut être résumée en quatre étapes principales. Premièrement, les modèles et hypothèses liant les processus d’interaction sociale aux différences interindividuelles résultent d’une double revue de littérature en sciences de l’informatique et sciences humaines. Ces différences interindividuelles identifiées comme pertinentes apparaissant faiblement associées théoriquement, notre seconde étape consista à étudier leurs associations lors d’une étude à grande échelle. Troisièmement, les interactions corporelles ont été analysées dans deux études de cas qui présentent des intérêts applicatifs et expérimentaux. Dans les deux cas, des corpus multimodaux d’interactions corporelles dyadiques ont été collectés et associés à des mesures de différences interindividuelles. La phase finale fut de développer des prototypes d’humains virtuels inspirés par les analyses précédentes et basés sur les données collectées. Le modèle général portant sur la prise en compte des différences interindividuelles se révèle en accord avec les données collectées (questionnaires d’auto-évaluation) : les relations entre dispositions d’orientations pro-sociales, d’empathie et de régulation émotionnelle furent confirmées. Les deux études de cas validèrent partiellement les hypothèses initiales : certaines différences interindividuelles modulèrent les processus d’interaction corporelle. Ces études contribuent à la définition de modèles d’humains virtuels interactifs parcimonieux. La principale contribution critique de ces deux études de cas au rôle modérateur des différences interindividuelles dans le modèle proposé est la nécessité de prendre en considération le contexte de la tâche avant de définir les hypothèses. L’intégration de ces différences interindividuelles identifiées dans les études de cas aux modèles informatiques interactifs est incluse dans les directions de recherches futures. / In human computer interaction, virtual humans are now established as a specific object of research. They build on human to human interaction routines to serve various application goals. Although Virtual Humans (VH) have bodies, current researches suffer from two major limitations which impair the experienced credibility: modeled bodily behaviors lack of social interactivity and do not account for individual differences. Recent developments in human sciences call for a more integrative approach with at its heart the constitutive role of social interaction. Of particular importance is the central and interdisciplinary position of virtual humans in this new research agenda: they are both a way to better investigate the various socially interactive phenomena (VH as experimental tools) and potential solutions for societal challenges (VH as applications). The main goal of this PhD thesis is to contribute to both computer and human sciences by studying together bodily interaction and individual differences. Central to this study is the long term objective to develop interactive virtual humans at the interface of these domains, with the idea that requirements from both fields would constrain positively future propositions. To limit the scope of the thesis, we focused on body movements (not considering static bodily aspects or other modalities), low level coupling mechanisms and the moderating role of individual differences with the aim to propose proof of concept of virtual human prototypes (rather than complete functional software) embedding full body dyadic interaction models. Our research methodology can be summarized in four main steps. First, models and hypotheses linking social interaction processes and individual differences emerged from a review of the literature in both computer and human sciences. As the identified relevant individual differences appeared barely theoretically associated, our second step aimed at investigating their interrelatedness in a large scale study. Thirdly, bodily interactions were analyzed in two case studies which present application and experimental interests. In both cases, corpuses were collected with full body interacting dyads and individual differences measured. The final phase was to develop virtual human prototypes inspired by previous analyses and based on the collected data. The proposed general model of individual differences was shown to be consistent with real word data (collected by self-report questionnaires): dispositions in pro-social orientations, empathy and emotion regulation were closely related. The two case studies partially confirmed our initial hypotheses: various individual differences modulated the bodily interactive processes. These studies enabled the definition of parsimonious virtual human interactive models. The main critical contribution of the two case studies to the proposed model of individual differences is the clear necessity to take into consideration the task context before drawing any hypotheses. Future directions of research are proposed including an integration of individual differences identified in case studies.

Le transcodage des nombres chez l’enfant est un domaine peu exploré. L’objectif général de ce travail de thèse était de tester les principales prédictions permises par le modèle de transcodage ADAPT de Barrouillet et al. (2004) notamment sa version ADAPTBASIC concernant le transcodage au début de l’apprentissage. ADAPT, à la différence des autres modèles de transcodage numérique (e.g., McCloskey 1992) est un modèle développemental, asémantique et procédural. Le transcodage étudié est celui qui permet de passer de la forme verbale à la forme arabe des nombres. Les travaux menés durant cette thèse questionnent l’acquisition du transcodage et son développement avec l’apprentissage, ainsi que l’impact des différences inter-linguistiques et individuelles. Pour atteindre ces objectifs, nous avons adopté une approche développementale dans laquelle nous avons exploré les connaissances de transcodage des enfants Français en début d’apprentissage scolaire à l’aide d’une dictée de nombres. Ensuite, nous avons procédé à une approche longitudinale pour suivre l’acquisition du système de transcodage et de ses règles. Dans une approche inter-linguistique, nous avons confronté les résultats obtenus auprès d’enfants Français aux résultats obtenus auprès d’enfants Allemands et Syriens. Enfin, nous avons testé l’impact des différences individuelles des capacités mémorielles sur le transcodage. Les résultats apportent une contribution dans ce domaine et permettent de mieux comprendre que le transcodage est un processus qui se développe sous l’influence de différences individuelles et linguistiques. / Number transcoding in children is a domain rarely investigated. The PhD goal is to test the main predictions allowed by the transcoding model “ADAPT” of Barrouillet et al. (2004) in particular its ADAPTBASIC version concerning transcoding at the beginning of learning. Unlike the other transcoding models (e.g., McCloskey on 1992), ADAPT is a developmental, asemantic and procedural model. In this research the concerned transcoding allows to shift the verbal form of number to Arabic form. This thesis questions the acquisition of transcoding and its development with learning, as well as the impact of the inter-linguistic and individual differences. To reach these objectives, we adopted a developmental approach in which we explored number transcoding in French children at the beginning of school learning by means of a number dictation. Then we adopted a longitudinal approach to follow the acquisition of the transcoding system and its rules. In an inter-linguistic approach, we compared the results obtained in French children with the results obtained in German and Syrian children. Finally, we evaluated the impact of individual differences in memory capacities on number transcoding. The results constitute a contribution in this domain and allow to understand that the transcoding is a process which develops under the influence of individual and linguistic differences

La présente thèse se compose de trois études en lien avec le développement du langage chez les enfants sourds profonds porteurs d’un implant cochléaire. La première étude a pu mettre en lumière le développement des échanges conversationnels chez un groupe de 28 enfants implantés sur une période de deux ans suivant l’implantation. La tendancerelevée est un développement des habilités conversationnelles vers un profil plus autonome et actif ; en particulier, nous notons que les enfants implantés ne se distinguent plus significativement des enfants entendants du même âge en ce qui concerne les initiatives deux ans après l’implantation. La deuxième étude se proposait, quant à elle, d’explorer la question des différences interindividuelles. C’est chez un groupe de 21 enfants sourds profonds, implantés depuis en moyenne 6 ans 1 mois, que l’origine des différences interindividuelles au niveau du lexique (réception et production) a été mise enquestion. Il ressort que les facteurs « âge à l’implantation » et « timidité de l’enfant » jouent un rôle dans ces différences : une implantation précoce et un faible niveau de timidité chez l’enfant apparaissent en effet favoriser le développement dulexique. Enfin, la troisième étude s’intéressait à l’ajustement mutuel, variable fondamentale lorsqu’on s’intéresse au développement du langage dans une perspective socio‐constructiviste. Il s’agissait, à l’aide d’une méthodologie originale inspirée de la théorie des systèmes dynamiques, d’analyser l’évolution de l’ajustement mutuel chez 23 dyades enfantimplanté/mère entendante au cours d’un suivi longitudinal de deux années. Nos résultats confirment l’influence positive de l’implant cochléaire dans la mise en place d’échanges harmonieux entre les enfants implantés et leur mère, traduisantl’acquisition d’habilités conversationnelles importantes pour le développement ultérieur de la langue de l’enfant / The present thesis is made up of three studies in relation with the language development of deaf children who are cochlear implant users. The first study highlights the development of conversational language abilities of a group of 28 children during the first 2 years postimplantation. Results showed a development of their conversational skills towards a moreautonomous and active profile. In particular, initiatives taken by implanted children, two years after implantation, were very similar to that of hearing children of the same age. The second study explores the question of inter‐individual differences. The origin of inter‐individual differences regarding lexicon development (reception and production) was studied in a group of 21 profoundly hearing impaired children, implanted on average, at 6 years and 1 month. It seems that the factors « age atimplantation » and « timidity of the child » play a role in this difference. A cochlear implantation early in life and a low level of timidity appear to improve the level of lexicon development. Finally, the third study looked into the mutual adjustment factor which is a fundamental variable in the study of language development in a socio‐constructivist perspective. The evolutionof mutual adjustment was studied with an original methodology inspired by the theory of the dynamic systems in 23 implanted children / hearing mother dyads. Our results underline that the use of cochlear implant seems favorable to aharmonious mutual adjustment development. In turn, the latter allows for the acquisition of important conversational skills in subsequent language development of the child

Chez l'homme, la voix facilite les interactions sociales par la transmission d’informations sur l'identité de la personne, ses émotions ou sa personnalité. En particulier, l'identité du locuteur peut être automatiquement extraite même lorsque le message et l'état émotionnel varient, ce qui suggère des mécanismes cognitifs et cérébraux partiellement dissociables pour ces processus. Cependant, la reconnaissance d'une voix familière ou la discrimination entre deux locuteurs sont, pour certains sujets, non seulement non-automatiques, mais même impossibles. Ce déficit, lorsqu'il se manifeste dès la naissance, est appelé phonagnosie du développement et constitue la contrepartie auditive de la prosopagnosie (déficit de reconnaissance des visages). Dans le domaine visuel, il a été proposé que les sujets affectés par la prosopagnosie du développement représentent des cas extrêmes dans la distribution des capacités de reconnaissance de visages. A l’inverse, des "super-reconnaisseurs" des visages se situaient à l’opposé de cette distribution.Comme la distribution des capacités de reconnaissance de la voix dans la population générale était encore inconnue, le premier objectif de cette thèse a été d'en étudier les différences individuelles au moyen d'un court test - le Glasgow Voice Memory Test (GVMT). Les résultats obtenus ont reflété une large variabilité interindividuelle dans les capacités de reconnaissance des voix: parmi une cohorte de 1120 sujets, il y avait à la fois des sujets avec des performances significativement en dessous de la moyenne (potentiels phonagnosiques) et des "super-reconnaisseurs" des voix. Cette variabilité individuelle comportementale semblerait se refléter au niveau cérébral, comme révélés par l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) : en fait, il a été montré précédemment qu'il existait une variabilité interindividuelle considérable dans le signal BOLD (blood-oxygen level dependent) lié à la voix dans les zones temporales de la voix (TVAs). Ces régions sont situées sur le bord supérieur des sulcus/gyrus temporal supérieur (STS/STG) et montrent une activation préférentielle pour les sons vocaux plutôt que non vocaux. Le deuxième objectif de ce travail fut de mieux caractériser le lien entre les mécanismes comportementaux et neuronaux sous-tendant la variabilité interindividuelle dans les processus de reconnaissance des voix. Pour cela, nous avons examiné comment la perception de la voix modulait la connectivité fonctionnelle entre les TVAs, constituant le "noyau" du réseau de perception de la voix, et les régions frontales également sensibles aux voix, constituant une extension de ce réseau. Les résultats ont montré qu'il y avait une connectivité fonctionnelle positive dans l'ensemble du réseau et que la connectivité fonctionnelle fronto-temporelle et fronto-frontale droite augmentait avec les scores obtenus lors du GVMT.Pour compléter ce travail, nous avons réalisé une autre étude IRMf en utilisant des analyses multivariées, afin de clarifier les corrélats neuronaux de la reconnaissance du locuteur mais aussi le lien entre sensibilité cérébrale à la voix et capacités de reconnaissance du locuteur. Pour cela, des sujets ayant des capacités de reconnaissance vocale hétérogènes ont été soumis à la fois à une tâche d'identification du locuteur et à une tâche d'écoute passive de sons vocaux et non vocaux. Les résultats ont confirmé que l’identification du locuteur s’effectuait via un réseau étendu de régions, incluant les TVAs mais aussi des régions frontales. De plus, nous avons observé que le score de classification voix/non-voix dans le STS droit permettait de prédire les capacités d'identification des locuteurs.Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent que les capacités de reconnaissance vocale varient considérablement d'un individu à l'autre et que cette variabilité pourrait être le reflet de profils d’activité cérébrale différents au sein du réseau de la perception de la voix. / In humans, voice conveys heterogeneous information such as speaker’s identity, which can be automatically extracted even when language content and emotional state vary. We hypothesized that the ability to recognize a speaker considerably varied across the population, as previously observed for face recognition. To test this hypothesis, a short voice recognition test was delivered to 1120 subjects in order to observe how voice recognition abilities were distributed in the general population. Since it has been previously observed that there exists a considerable inter-individual variability in voice-elicited activity in temporal voice areas (TVAs), regions along the superior temporal sulcus/gyrus (STS/STG) that show preferentially activation for voices than other sounds, the second aim of this work was then to better characterize the link between the behavioral and neural mechanisms underlying inter-individual variability in voice recognition processes through functional magnetic resonance imaging (fMRI). The results of a first fMRI study showed that functional connectivity between frontal and temporal voice sensitive regions increased with voice recognition scores obtained at a voice recognition test. Another fMRI study showed that speaker’s identity was treated in an extended network of regions, including TVAs but also frontal regions and that voice/non-voice classification accuracy in right STS increased with speaker identification abilities. Altogether, these results suggest that voice recognition abilities considerably vary across subjects and that this variability can be mirrored by different neural profiles within the voice perception network.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail de thèse est une contribution à l’étude des propriétés optiques de structures plasmoniques composées de nanoparticules métalliques. Il s’appuie sur diverses simulations numériques réalisées à l’aide de la méthode des différences finies dans le domaine temporel ou FDTD (Finite-Difference Time-Domain). La première partie de ce travail concerne l’étude d’un réseau périodique de nanofils d’or, de section droite rectangulaire, situé au sein d’un environnement diélectrique multi-couches. L’influence des paramètres géométriques des nanofils, de la période du réseau et de l’épaisseur de diélectrique recouvrant les nanofils sur la position spectrale de la résonance plasmonique a été explorée. Cette étude a démontré que la longueur d’onde de résonance oscille quand l’épaisseur du diélectrique recouvrant les nanofils varie. Un modèle analytique simple a été développé afin de mieux appréhender l’origine de ces oscillations. L’influence des indices de réfraction de la matrice diélectrique sur les paramètres de l’oscillation a également été analysée. La deuxième partie de ce travail a été consacrée à la détermination et à l’étude de facteurs contrôlant la sensibilité des capteurs à résonance de plasmons de surface localisés. Différentes formes de nanoparticules et différents types de nanofils ont été analysés. De plus, trois grands thèmes ont été abordés :- l’influence sur la sensibilité du substrat sur lequel sont déposées les nanoparticules,- l’influence sur la sensibilité du matériau recouvrant les nanoparticules et,- l’origine du lien existant entre la longueur d’onde de résonance plasmonique et la sensibilité des nanoparticules à un changement d’indice de réfraction. / This thesis is a contribution to the optical properties study of plasmonic structures composed by metallic nanoparticles. This study is based on numerical simulation results obtained by the Finite-Difference Time-Domain method (FDTD).The first part of this work is related to the analysis of gold nanowires periodic arrays, which section is rectangular, placed in a multi-layered dielectric environment. The influence of the nanowires geometrical parameters, of the array period and of the dielectric thickness covering the nanowires on the Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) spectral position has been explored. This study especially demonstrated that the resonance wavelength oscillates when the dielectric thickness covering the nanowires is varying. A simple analytical model has been developed in order to better understand the oscillations origin. The influence of the refractive indexes of the dielectric matrix on the oscillation parameters has been analyzed too.The second part of this work concerns the determination and the study of factors controlling LSPR sensors sensitivity. Different shapes of nanoparticles and different kinds of nanowires have been considered. Moreover, three wide topics have been approached in this part:- the influence of the nanoparticles substrate on the sensitivity,- the influence of the material covering the nanoparticles on the sensitivity and,- the origin of the relationship between the LSPR wavelentgh and the refractive index sensitivity of the nanoparticles.