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.

Image registration methods underpin many analysis techniques in neuroimaging. They are essential in group studies when images of different individuals or different modalities need to be brought into a common reference frame. This thesis explores the potential of brain connectivity- driven alignment and develops surface registration techniques for magnetic resonance imaging (MRI), which is a noninvasive neuroimaging tool for probing function and structure of the human brain. The first part of this work develops a novel surface registration framework, based on free mesh deformations, which aligns cortical and subcortical surfaces by matching structural connectivity patterns derived using probabilistic tractography (diffusion-weighted MRI). Structural, i.e. white matter, connectivity is a good predictor of functional specialisation and structural connectivity-driven registration can therefore be expected to enhance the alignment of functionally homologous areas across subjects. The second part validates developed methods for cortical surfaces. Resting State Networks are used in an innovative way to delineate several functionally distinct regions, which were then used to quantify connectivity-driven registration performance by measuring the inter- subject overlap before and after registration. Consequently, the proposed method is assessed using an independent imaging modality and the results are compared to results from state-of-the-art cortical geometry-driven surface registration methods. A connectivity-driven registration pipeline is also developed for, and applied to, the surfaces of subcortical structures such as the thalamus. It is carefully validated on a set of artificial test examples and compared to another novel surface registration paradigm based on spherical wavelets. The proposed registration pipeline is then used to explore the differences in the alignment of two groups of subjects, healthy controls and Alzheimer's disease patients, to a common template. Finally, we propose how functional connectivity can be used instead of structural connectivity for driving registrations, as well as how the surface-based framework can be extended to a volumetric one. Apart from providing the benefits such as the improved functional alignment, we hope that the research conducted in this thesis will also represent the basis for the development of templates of structural and functional brain connectivity.

L’objectif général de ce travail de thèse a été de caractériser in vivo, chez l’Homme, les réorganisations mnésiques retrouvées dans l’épilepsie temporo-mésiale pharmaco-résistante.Nous nous sommes appuyés sur une approche multimodale d’imagerie combinant étude de la connectivité et des réseaux d’activations mnésiques en IRMf, et étude de la consommation métabolique régionale inter-critique de glucose en TEP. Il s’agissait, notamment, de mieux comprendre la relative préservation mnésique retrouvée chez certains de ces patients, malgré l’implication du cortex temporal interne au sein de leurs réseaux épileptiques.Nos résultats, obtenus pour l’encodage d’items uniques non matériel-spécifiques, apportent des connaissances nouvelles sur l’adaptation fonctionnelle des réseaux cognitifs au sein et en dehors de la zone épileptogène, expliquant les différences de performance mnésique en reconnaissance, et leur lien possible avec les réseaux épileptiques.Ces travaux suggèrent, notamment, l’existence de ressources fonctionnelles additionnelles efficaces, à la fois locales et à distance, impliquant la voie visuelle ventrale bilatérale. Ces processus de compensation pourraient être conditionnés par les caractéristiques propres de l’atteinte primitive, et en particulier une implication différente des structures temporales internes au sein de la zone épileptogène. L’altération fonctionnelle de ce système perceptivo-mnésique pourrait induire une réorganisation inefficace plus large, sollicitant l’activation alternative des réseaux de l’attention, au niveau des régions fronto-cingulaires et pariétales. / The overall objective of this thesis was to characterize in vivo the human memory reorganization observed in medial temporal lobe epilepsy, in particular for recognition memory.We conducted a multimodal neuroimaging approach, combining the study of connectivity and memory activation networks with fMRI, and the study of inter-ictal cerebral metabolic rate of glucose with PET. We aimed to better understand the relative preservation of memory found in some patients, despite the involvement of the medial temporal lobe within their epileptic networks. Our findings, obtained for the encoding of non material-specific single items, provide new insights into the functional adaptation of cognitive networks, within and outside the epileptogenic zone, and help to explain the differences in recognition performance, and their possible relationship with epileptic networks. These studies suggest, in particular, the existence of local and remote compensatory mechanisms which are functionally effective and involve the ventral visual stream bilaterally. These could be influenced by the exact involvement of medial temporal structures within the epileptogenic zone. The impairment of this perceptive-memory system may lead to a more large-scale reorganization with the alternative activation of an inefficient network of attention-related areas involving fronto-cingulate and parietal cortices.

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.

Muitas operações cognitivas requerem velocidade de processamento de informação (VPI) suficiente para serem executadas dentro do prazo permitido, sendo que VPI retardada geralmente está subjacente a déficits atencionais. A desaceleração no tempo de resposta é particularmente evidente em pacientes com traumatismo crânio-encefálico, doença de Parkinson, depressão, demência e esclerose múltipla (EM). A importância de compreender os déficits de VPI e o desenvolvimento de programas efetivos de reabilitação é, portanto, crítico. Devido à sua alta validade preditiva e à sua fácil administração, o Symbol Digit Modalities Test (SDMT) é um dos testes clínicos mais amplamente utilizados para a avaliação cognitiva de pacientes com menor VPI. No entanto, além de avaliar a presença e gravidade de seus déficits, é interessante determinar as regiões cerebrais responsáveis por essa função e sua integração. Devido à sua não invasividade e ao seu bom nível de confiabilidade, a técnica de Imagem de Ressonância Magnética Funcional Dependente do Nível de Oxigenação no Sangue (BOLD-fMRI) é a ferramenta mais apropriada para esse fim. Logo, o objetivo do presente estudo foi o mapeamento funcional cerebral de VPI durante o desempenho de uma tarefa (SDMT) adaptada para o ambiente da ressonância em um grupo de voluntários saudáveis jovens. 16 controles saudáveis destros foram recrutados e submetidos à avaliação cognitiva com a versão oral do SDMT antes da aquisição de imagens. IRM foi adquirida em um sistema de 3T (Philips Achieva). Imagens funcionais (BOLD) foram adquiridas com uma sequência EPI. O experimento consistiu de seis blocos de 30 s de controle intercalados com cinco blocos de 30 segundos de tarefa (SDMT). Durante os blocos de tarefa, um símbolo foi apresentado a cada 2 segundos e ao participante foi requerido que associasse o número correspondente ao símbolo apresentado baseando-se em uma chave de resposta. Durante os blocos de controle, um número foi apresentado a cada 2 segundos e ao participante foi requerido que lesse silenciosamente o número em questão. Mapas paramétricos estatísticos foram obtidos para estudo de localização funcional utilizando o Modelo Linear Geral com um regressor boxcar convoluído com uma função de resposta hemodinâmica canônica (p-FDR < 0,01). Foi realizada a correlação bivariada entre as séries temporais médias das regiões associadas à tarefa para estudo de integração funcional (p-FDR < 0.0001). As informações de localização e integração funcionais foram inseridas em analise de conectividade efetiva. Ativações foram observadas na rede frontoparietal e no córtex occipital para análises individual e em grupo. Análise de conectividade efetiva para a arquitetura do sistema revelou o declive em posição serial com o giro lingual, o cúneo e duas regiões paralelas (pré-cúneo e lóbulo parietal superior), a partir do qual a informação converge para o giro frontal inferior e se bifurca para os giros frontais médios esquerdo e direito. Um modelo de rede envolvendo áreas relacionadas à VPI foi obtido e pode servir como referência para investigações futuras deste processo cognitivo em grupos clínicos, combinadas com estudos de neuroplasticidade cerebral. / Many cognitive operations require sufficient information processing speed (IPS) to be executed within the allowed time frame, with delayed IPS often underlining attentional deficits. The deceleration in response time is particularly evident in patients with traumatic brain injury, Parkinson\'s disease, depression, dementia and multiple sclerosis (MS). The importance of understanding IPS deficits and developing effective rehabilitation programs is therefore critical. Because of its high predictive validity and easy administration, the Symbol Digit Modalities Test (SDMT) is one of the most widely used clinical tests for the cognitive assessment of patients with lower IPS. However, in addition to evaluating the presence and severity of its deficits, it is interesting to determine the brain regions responsible for this function and its integration. Because of its non-invasiveness and its good level of reliability, the BOLD-fMRI technique is the most appropriate tool for this purpose. Therefore, the aim of the present study was the functional brain function mapping of IPS during the performance of a task (SDMT) adapted to the resonance environment in a group of healthy young volunteers. 16 healthy right controls were recruited and submitted to cognitive assessment with the oral version of SDMT prior to image acquisition. MRI was acquired in a 3T system (Philips Achieva). Functional images (BOLD) were acquired with an EPI sequence. The experiment consisted of six blocks of 30 s of control intercalated with five blocks of 30 seconds of task (SDMT). During the task blocks, a symbol was displayed every 2 seconds and the participant was required to associate the number corresponding to the displayed symbol based on a response key. During the control blocks, a number was displayed every 2 seconds and the participant was required to silently read the number in question. Statistical parametric maps were obtained for functional localization study using the General Linear Model with a boxcar regressor convolved with a canonical hemodynamic response function (p-FDR <0.01). The bivariate correlation between the mean time series of the regions associated with the task for functional integration study (p-FDR <0.0001) was performed. The functional location and integration information was inserted into effective connectivity analysis. Activations were observed in the frontoparietal network and in the occipital cortex for individual and group analyzes. Effective connectivity analysis for the system architecture revealed the declive in serial position with the lingual gyrus, the cuneus and two parallel regions (precuneus and superior parietal lobule), from which the information converges to the inferior frontal gyrus and bifurcates to the left and right middle turns. A network model involving areas related to IPS has been obtained and may serve as a reference for future investigations of this cognitive process in clinical groups, combined with studies of cerebral neuroplasticity.

La schizophrénie (SZ) est une pathologie psychiatrique chronique et invalidante dont les conséquences fonctionnelles sont principalement liées à des déficits cognitifs. Ceux-ci sont étroitement associés à des déficits de perception auditive précoce d’informations de bas niveaux telle que la hauteur sonore. La perception auditive précoce peut s’évaluer avec un paradigme comportemental simple appelé « tone-matching » (appariement tonal AT), dans le lequel les sujets doivent discriminer activement entre deux sons courts (300-ms) d’une même paire séparés par un intervalle bref (500-ms). Les performances d’AT reflètent un processus cognitif de comparaison préattentionnelle se déroulant au sein du système auditif central (SAC). Le SAC est constitué du noyau géniculé médian du thalamus (MGN), de l’aire corticale auditive précoce (EA) et de l’aire corticale auditive associative (AA). Cependant, les dysfonctionnements du SAC sous-tendant les déficits d’AT dans la SZ restent mal connus. De plus, ces déficits sont élevés mais hétérogènes selon les cohortes. Ce travail de thèse propose de caractériser le fonctionnement du SAC associé aux performances d’AT chez les sujets SZ afin de mieux comprendre la physiopathologie du trouble et de développer des traitements ciblés. L’hypothèse guidant les 4 études expérimentales de ce travail est que des altérations psychophysiques et neurophysiologiques spécifiques du SAC sont impliquées dans les déficits d’AT dans la SZ. Nos études psychophysiques utilisant différents paradigmes de « tone-matching » ont montré 1) un déficit d’AT de magnitude croissante pour l’intensité, la hauteur et la longueur des stimuli auditifs chez les sujets SZ (n=29), 2) un déficit d’appariement de trios de sons médiant une corrélation entre les déficits d’appariement de paires de sons (AT proprement dit) et l’identification de phrases émotionnelles (n=27). Ces résultats démontrent que les sujets SZ présentent différents niveaux de déficits d’AT selon le type de caractéristique acoustique, ainsi que des niveaux de déficits hiérarchiquement organisés entre les types de complexité des stimuli auditifs perçus. 3) Nos approches neurophysiologiques ont montré une distribution bimodale des performances d’AT chez les sujets atteints de SZ (n=310) avec un 1er groupe présentant une réduction significative de ces performances associée à une réduction de la connectivité fonctionnelle de repos à l’IRM entre les différentes régions du SAC (MGN-EA, MGN-AA et EA-AA impliquant particulièrement des sous-régions AA adjacentes à l’EA) et un 2nd ne présentant pas de déficits d’AT mais une réduction plus modérée de la connectivité uniquement entre EA-AA. Ces résultats démontrent que les performances d’AT permettent de séparer deux sous-types de SZ présentant des patterns topographiques spécifiques de dysconnectivité fonctionnelle de repos au sein du SAC. 4) Les résultats préliminaires de l’étude de l’effet d’une procédure de stimulation électrique transcrânienne non invasive (tES) ciblant le SAC gauche (2mA, 10x20min) montrent une modulation significative des performances d’AT après la procédure de stimulation chez les sujets SZ (n=2). Cela suggère que les déficits d’AT pourraient être dépendants de mécanismes d’excitabilité et de plasticité des neurones du SAC modulables par tES. Pris ensembles, ces résultats confirment l’influence d’altérations mécanistiques du SAC sur les déficits d’AT dans la SZ, dont les spécificités anatomo-fonctionnelles seront à confirmer par des études de validation et des explorations neurophysiologiques « temps réel » du SAC en situation d’AT. En perspective, comme les paradigmes de « tone-matching » peuvent être implémentés facilement en pratique clinique, ces nouvelles donnés pourront permettre de différencier facilement des sous-types physiopathologiques de patients, et de développer des approches thérapeutiques ciblées sur le SAC à la fois en tES et en entraînement cognitif sensoriel / Schizophrenia (SZ) is a chronic brain disorder with outcome primarily driven by deficits in cognition. These have been related to impaired discrimination of basic auditory information such as pitch, as assessed in tone-matching behavioral paradigms in which subjects are asked to actively discriminate between two short pure tones (300-ms) following a brief delay (500-ms). More specifically, tone-matching indexes early, pre-attentive comparison mechanisms occurring in the central auditory system (CAS, divided into thalamic medial geniculate nucleus (MGN), early auditory (EA) and association auditory (AA) cortical areas). Therefore, characterisations of the CAS functioning associated with tone-matching abilities in SZ individuals may be useful drivers for pathophysiology understanding and therapeutic development. First, we aimed at exploring tone-matching abilities in SZ across major acoustic features (length, pitch, intensity) and different levels of complexity (2-tones, 3-tones, emotional sentences) using psychophysical testing. We predicted that patients would display differential deficits across acoustic features, and present a mediated relationship between tone-matching levels of complexity. Second, we investigated the CAS functioning associated with tone-matching at a neurophysiological level, using resting-state functional connectivity MRI (rsFC-MRI) and CAS-targeted transcranial electrical stimulation (left fronto-temporal tES, 2mA, random noise current, ten 20-min twice-daily sessions). We predicted that functional dysconnectivity within the CAS would be associated with tone-matching impairments, and that tES would significantly modulate these impairments in patients. As complementary, we reviewed historical aspects of basic auditory explorations in SZ and studies investigating basic auditory-training approaches as a potential remediative treatment. Psychophysical studies demonstrated more prominent deficits for length than pitch and, in turn, than intensity (n=29), and showed that 3-tones discrimination mediates the correlation between 2-tones and auditory emotion recognition deficits (n=27). Neurophysiological approaches showed that tone-matching performances are bimodally distributed across SZ subjects (n=310), with one group (SZ-) showing significant reductions in both tone-matching and rsFC-MRI in regions of the bilateral CAS (i.e., between MGN and both EA and AA, as well as reductions between EA and AA, particularly involving parcels which are immediately adjacent to EA), and one group (SZ+) showing intact tone-matching and significant reductions only in EA-AA connectivity. The investigation of CAS-targeted tES impact on tone-matching abilities in patients is still ongoing, but preliminary results demonstrated significant modulations of tone-matching scores after the tES procedure (n=2). Our results demonstrate that SZ individuals present with different patterns of tone-matching deficits across acoustic features, but similar yet hierarchical levels of impairments for processing of simple vs. more complex auditory stimuli. Nevertheless, both feature- and complexity- dependant tone-matching deficits might be associated with different types of anatomo-functional underpinnings in the CAS. In addition, we showed that tone-matching measure segregates between discrete SZ subgroups presenting distinct topographic patterns of functional dysconnectivity in the CAS. Finally, tone-matching deficits might be related to neuronal excitability and plasticity mechanisms in the SAC that are modulated by tES. As tone-matching paradigms can be readily implemented within routine clinical settings, these experimental results may be useful to permit differentiation of discrete subtypes of SZ and to develop both non-invasive brain stimulation and remediative approaches

意識的議題古老而難解，但是近年來認知神經科學領域對此議題的探討已經熱烈展開，本研究之主要目的即在探索視覺意識與大腦功能性連結之間的關係。 根據一項人臉知覺的實驗結果，本研究依照線性對非線性、局部對整體等兩項條件所構成的四個取向，分別擬定用以反映視覺意識的腦電波指標。結果發現，線性的局部指標—即γ波的強度，以及線性的整體指標—即γ波的相位耦合程度，兩者皆無法有效反映視覺意識。然而，非線性的局部指標—即吸子的相關維度，在特定通道上可以反映視覺意識；至於非線性的整體指標—即廣義的同步化程度，乃為四者中最能穩定反映視覺意識的指標。 除了得到上述若干可以有效反映視覺意識的腦電波指標之外，本研究實質上整合了認知神經科學、非線性動力系統理論、小波轉換理論以及小世界理論等當代思維，因此文中亦做出大量而深入的理論探討，並且提出對現有相關研究在邏輯或方法上的改進與澄清。 / Consciousness is an ancient and puzzling mystery. Until recently, scientists have made little significant progress on it. This study is aimed to search for the neural correlates of visual awareness. / Based on empirical data from an experiment of face perception, this study explores linear vs. nonlinear and local vs. global human EEG indexes of visual awareness. The results indicate that neither linear local index, i.e. γ-band power, nor linear global index, i.e. γ-band phase coherence, can reveal the participant’s state of awareness validly. However, nonlinear local index, i.e. correlation dimension of attractor, can be a valid index of visual awareness, but only on specific channels. Last but not least, nonlinear global index, i.e. generalized synchrony, can be the most valid and efficient index of visual awareness. / In addition to the empirical findings listed above, this study, an interdisciplinary combination of cognitive neuroscience, chaos theory, wavelet transform and small-world theory, also presents numerous theoretical discussions and modifications to other related studies logically or methodologically.