This dissertation presents a series of neuroimaging investigations and achievements that strive to deepen and broaden our understanding of human problem solving and physics learning. Neuroscience conceives of dynamic relationships between behavior, experience, and brain structure and function, but how neural changes enable human learning across classroom instruction remains an open question. At the same time, physics is a challenging area of study in which introductory students regularly struggle to achieve success across university instruction. Research and initiatives in neuroeducation promise a new understanding into the interactions between biology and education, including the neural mechanisms of learning and development. These insights may be particularly useful in understanding how students learn, which is crucial for helping them succeed. Towards this end, we utilize methods in functional magnetic resonance imaging (fMRI), as informed by education theory, research, and practice, to investigate the neural mechanisms of problem solving and learning in students across semester-long University-level introductory physics learning environments. In the first study, we review and synthesize the neuroimaging problem solving literature and perform quantitative coordinate-based meta-analysis on 280 problem solving experiments to characterize the common and dissociable brain networks that underlie human problem solving across different representational contexts. Then, we describe the Understanding the Neural Mechanisms of Physics Learning project, which was designed to study functional brain changes associated with learning and problem solving in undergraduate physics students before and after a semester of introductory physics instruction. We present the development, facilitation, and data acquisition for this longitudinal data collection project. We then perform a sequence of fMRI analyses of these data and characterize the first-time observations of brain networks underlying physics problem solving in students after university physics instruction. We measure sustained and sequential brain activity and functional connectivity during physics problem solving, test brain-behavior relationships between accuracy, difficulty, strategy, and conceptualization of physics ideas, and describe differences in student physics-related brain function linked with dissociations in conceptual approach. The implications of these results to inform effective instructional practices are discussed. Then, we consider how classroom learning impacts the development of student brain function by examining changes in physics problem solving-related brain activity in students before and after they completed a semester-long Modeling Instruction physics course. Our results provide the first neurobiological evidence that physics learning environments drive
the functional reorganization of large-scale brain networks in physics students. Through this collection of work, we demonstrate how neuroscience studies of learning can be grounded in educational theory and pedagogy, and provide deep insights into the neural mechanisms by which students learn physics.

Assessing complex brain activity as a function of the type of epilepsy and in the context of the 3D source of seizure onset remains a critical and challenging endeavor. In this dissertation, we tried to extract the attributes of the epileptic brain by looking at the modular interactions from scalp electroencephalography (EEG). A classification algorithm is proposed for the connectivity-based separation of interictal epileptic EEG from normal. Connectivity patterns of interictal epileptic discharges were investigated in different types of epilepsy, and the relation between patterns and the epileptogenic zone are also explored in focal epilepsy. A nonlinear recurrence-based method is applied to scalp EEG recordings to obtain connectivity maps using phase synchronization attributes. The pairwise connectivity measure is obtained from time domain data without any conversion to the frequency domain. The phase coupling value, which indicates the broadband interdependence of input data, is utilized for the graph theory interpretation of local and global assessment of connectivity activities. The method is applied to the population of pediatric individuals to delineate the epileptic cases from normal controls. A probabilistic approach proved a significant difference between the two groups by successfully separating the individuals with an accuracy of 92.8%. The investigation of connectivity patterns of the interictal epileptic discharges (IED), which were originated from focal and generalized seizures, was resulted in a significant difference ( ) in connectivity matrices. It was observed that the functional connectivity maps of focal IED showed local activities while generalized cases showed global activated areas. The investigation of connectivity maps that resulted from temporal lobe epilepsy individuals has shown the temporal and frontal areas as the most affected regions. In general, functional connectivity measures are considered higher order attributes that helped the delineation of epileptic individuals in the classification process. The functional connectivity patterns of interictal activities can hence serve as indicators of the seizure type and also specify the irritated regions in focal epilepsy. These findings can indeed enhance the diagnosis process in context to the type of epilepsy and effects of relative location of the 3D source of seizure onset on other brain areas.

Les traumatismes crânio-cérébraux (TCC) pédiatriques (c.-à-d., subis entre la naissance et 18 ans) constituent l’une des principales causes de décès et d’invalidité chez les enfants et les adolescents à travers le monde. Durant la période pédiatrique, les fonctions cognitives, affectives et sociales émergent progressivement, sous-tendues par la maturation cérébrale et l’établissement de réseaux neuronaux complexes. Un TCC subi durant l’enfance ou l’adolescence peut donc causer des dommages au cerveau immature et entrainer des difficultés dans ces domaines. La présentation clinique et les facteurs environnementaux sont très variables d’un enfant ou adolescent à l’autre, de sorte qu’il est difficile d’identifier qui aura un rétablissement optimal et qui aura des séquelles persistantes. Bien que la recherche ait identifié plusieurs facteurs qui contribuent au rétablissement post-TCC pédiatrique, notamment ceux liés à la blessure, à l’enfant et à l'environnement familial, les modèles de prédiction à ce jour ne sont pas toujours exhaustifs et ne tiennent pas compte des facteurs génétiques qui pourraient aider le pronostic. Parmi l’ensemble des séquelles liées au TCC, les problèmes sociaux (ex: participation sociale réduite, comportements sociaux inappropriés) sont parmi les plus néfastes et peuvent considérablement affecter la qualité de vie. Ces difficultés sociales peuvent résulter d'une perturbation des habiletés socio-cognitives sous-jacentes, mais les mécanismes exacts et les bases neuronales de tels problèmes sont encore inconnus. Notamment, les connaissances actuelles sur la manière dont le TCC pédiatrique affecte les connexions entre les régions cérébrales durant le développement demeurent limitées. Considérant ces lacunes relatives aux connaissances sur les TCC pédiatriques, cette thèse avait pour but 1) de déterminer les facteurs qui contribuent à la compétence sociale durant la petite enfance (c.-à-d., entre 18 et 60 mois), afin d’établir des pistes normatives pour comprendre l’émergence de problèmes sociaux suite à un TCC pédiatrique, 2) d’établir un modèle pronostique exhaustif du devenir (mesuré par la qualité de vie) après un TCC léger pédiatrique durant la petite enfance, et 3) d’examiner l'impact d’un TCC pédiatrique de sévérité modérée à sévère sur les réseaux cérébraux structurels et fonctionnels, notamment, ceux qui sous-tendent le fonctionnement social et cognitif. Afin d’atteindre ces objectifs, les données de deux cohortes longitudinales ont été analysées et présentées sous forme de quatre articles scientifiques. Le premier article visait à valider empiriquement le modèle ‘SOCIAL’ (Beauchamp & Anderson, 2010) pour identifier les facteurs qui contribuent à la compétence sociale. Ce modèle théorique postule que des facteurs internes (liés à l'enfant), externes (liés à l’environnement) et cognitifs (fonctions attentionnelles et exécutives, communicatives et socio-cognitives) déterminent la compétence sociale de l’enfant. Les résultats d’un modèle de régression analysé chez un groupe d’enfants neurotypiques âgés de 18 à 60 mois indiquent que les facteurs internes, externes et cognitifs contribuent tous significativement à la compétence sociale de l’enfant. Les facteurs internes ainsi que les fonctions exécutives et socio-cognitives jouent un rôle particulièrement important. En effet, les enfants avec peu d’affect négatif, moins de difficultés exécutives, une meilleure communication non-verbale et une meilleure théorie de l'esprit ont un niveau de compétence sociale plus élevé. Le deuxième article visait à examiner les facteurs qui contribuent à la qualité de vie six et 18 mois après un TCC léger subi entre l’âge de 18 et 60 mois. Plusieurs prédicteurs potentiels provenant de quatre catégories de facteurs (biologie, environnement, blessure, comportement/cognition) ont été entrés dans un modèle de régression hiérarchique. Les résultats indiquent qu'un facteur génétique, le polymorphisme Val66Met du gène codant pour la protéine BDNF (Brain-Derived Neurotrophic Factor), contribue positivement à la qualité de vie six mois après le TCC, alors qu’un an plus tard, un plus faible niveau de stress parental prédit une meilleure qualité de vie chez l’enfant. Le but du troisième article était d'étudier l’organisation fonctionnelle du réseau cérébral soutenant les habiletés sociales (le cerveau social) chez les enfants et les adolescents qui ont subi un TCC de sévérité modérée à sévère entre l’âge de neuf et 15 ans. Les participants ont complété un protocole d’acquisition d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle au repos 24 mois après la blessure. Dans deux échantillons indépendants, les résultats indiquent une connectivité fonctionnelle altérée entre les régions cérébrales frontales et le gyrus fusiforme bilatéral dans le groupe TCC (connectivité positive) par rapport au groupe contrôle (connectivité négative). Le quatrième article a exploré les changements à long terme dans les réseaux de covariance structurelle du cerveau (c.-à-d., des régions cérébrales qui sont structurellement connectées) après un TCC pédiatrique de sévérité modérée à sévère subi entre neuf et 14 ans. L’objectif était d'étudier les différences de covariance structurelle au sein de trois réseaux cognitifs (réseau par défaut [DMN], réseau exécutif central [CEN], réseau de la salience [SN]) entre les enfants avec un TCC et les enfants sans blessure, trois et 24 mois post-TCC. Aucune différence de groupe n'a été trouvée après trois mois. Cependant, 24 mois après la blessure, le groupe TCC montrait une covariance structurelle réduite dans le DMN et le CEN par rapport au groupe contrôle. Dans leur ensemble, ces résultats suggèrent que des modèles exhaustifs incluant un large éventail de facteurs provenant de plusieurs sphères du fonctionnement sont essentiels afin de comprendre les éléments qui placent un enfant à risque de séquelles après un TCC pédiatrique. Ils mettent également en évidence l’importance de considérer parmi les facteurs de prédiction des marqueurs génétiques impliqués dans les mécanismes de neuroplasticité, et confirment l’influence de facteurs parentaux, notamment la santé mentale du parent, sur le rétablissement post-TCC chez les jeunes enfants. De plus, les résultats montrent qu’un TCC pédiatrique de sévérité modérée à sévère peut induire des altérations à long terme au niveau des réseaux neuronaux sous-jacents aux fonctions sociales et cognitives. Ces résultats permettent de mieux comprendre comment un TCC pédiatrique affecte les circuits cérébraux pendant le développement, ce qui contribue à clarifier les bases neuronales des problèmes sociaux post-TCC. Finalement, les trouvailles et réflexions issues de la thèse supportent l’idée de considérer plusieurs facteurs liés à la blessure, à l’enfant, et à l'environnement familial ainsi que des facteurs génétiques pour le diagnostic, le pronostic, et le rétablissement après un TCC subi durant l’enfance ou l’adolescence. / Pediatric traumatic brain injury (TBI; sustained between birth and 18 years) is one of the leading causes of death and disability among children and adolescents worldwide. During development, cognitive, affective and social functions emerge gradually, supported by rapid brain maturation and the establishment of complex neural networks. TBI sustained during childhood or adolescence can therefore cause damage to the immature brain and lead to difficulties in these domains. Clinical presentation and environmental factors vary greatly, rendering it difficult to identify who will recover well and who will experience persistent sequelae. Although research has identified several factors that contribute to recovery after pediatric TBI, including injury, child-related, and family-environmental variables, existing prediction models are not always comprehensive, and they do not account for genetic factors which could contribute to prognosis. Among all consequences associated with pediatric TBI, social problems (e.g., reduced social participation, maladaptive social behaviours) may be the most debilitating, and can considerably affect quality of life (QoL). These social difficulties can stem from a disruption of underlying socio-cognitive skills, but the exact mechanisms and neural bases of such problems are still unknown. In particular, current knowledge of how pediatric TBI affects connections between brain regions during development remains limited. Considering these gaps in the pediatric TBI literature, this thesis aimed to 1) determine factors that contribute to social competence in early childhood (i.e., between 18 and 60 months) in order to establish normative avenues for understanding the emergence of social problems following pediatric TBI, 2) establish a comprehensive prognostic model of outcome (assessed by QoL) after early mild TBI (mTBI), and 3) examine the impact of pediatric moderate to severe TBI on structural and functional brain networks, notably those underlying social and cognitive functioning. In order to meet these objectives, data from two longitudinal cohorts were analyzed and are presented in the form of four scientific articles. The first article aimed to empirically validate the “SOCIAL” model (Beauchamp & Anderson, 2010) to identify factors that contribute to social competence. This theoretical model posits that internal (child-related), external (environment-related) and cognitive (attentional-executive, communicative and socio-cognitive) factors determine a child's social competence. The results of a regression model analyzed in a sample of neurotypical children aged 18 to 60 months indicate that internal, external and cognitive factors all contribute significantly to a child’s social competence. Internal variables, executive functions, and socio-cognitive factors play a particularly important role. Indeed, children with lower levels of negative affect, fewer executive difficulties, greater non-verbal communication and better theory of mind had better social competence. The objective of the second article was to examine which factors predict QoL six and 18 months following early mTBI sustained between 18 and 60 months of age. Several potential predictors from four domains (biology, environment, injury and behaviour/cognition) were entered into a hierarchical regression model. The results indicate that a genetic factor, the Val66Met polymorphism of the gene coding for the BDNF protein (Brain-Derived Neuroptrophic Factor), positively contributes to QoL six months after TBI, while a year later, lower parental distress predicts better child QoL. The aim of the third article was to study the functional organization of the brain network supporting social skills (the social brain) in children and adolescents who sustained moderate to severe TBI between nine and 15 years of age. Participants completed a protocol for the acquisition of functional resting magnetic resonance images 24 months post-injury. In two independent samples, the results indicate altered functional connectivity between frontal brain areas and bilateral fusiform gyrus in the TBI group (positive connectivity) compared to the control group (negative connectivity). The fourth article explored long-term changes in the brain’s structural covariance networks (i.e., brain regions that are structurally connected) following pediatric moderate to severe TBI sustained between nine and 14 years of age. The aim was to investigate differences in structural covariance within three core cognitive networks (i.e., default-mode [DMN], central executive [CEN], salience [SN]) between children with TBI and typically developing controls, three and 24 months post-injury. No group difference was found after three months. However, at 24 months post-injury, the TBI group showed reduced structural covariance within the DMN and the CEN compared to the control group. Taken together, these findings suggest that comprehensive models including a wide range of factors from several domains of functioning are essential for understanding the elements that put a child at risk for poor recovery after TBI. They also highlight the importance of considering, among potential predictors, genetic factors involved in mechanisms of neuroplasticity, and confirm the role of parental factors, in particular parent mental health for post-TBI recovery in young children. In addition, the results show that moderate-severe pediatric TBI can induce long-term alterations in neural networks underlying social and cognitive functions. These findings provide insights into how pediatric TBI affects brain circuits during development, and may help to elucidate the neural underpinnings of social problems after pediatric TBI. Finally, the findings and implications from the thesis support the notion that several injury, child-related, family-environmental as well as genetic factors should be considered for diagnosis, prognosis, and recovery after TBI sustained during childhood or adolescence.

Le trouble de l’odorat est un symptôme fréquent bien connu de la Maladie de Parkinson (MP). Il apparaît plusieurs années avant la possibilité d’un diagnostic de la maladie et son étude est ainsi d’intérêt particulier pour aider au développement d’outils de dépistage précoces et la sélection de candidats pouvant participer à des essais cliniques visant le développement de traitements potentiellement curateurs. Pour ce faire, il est important de différencier un trouble de l’odorat associé à la MP d’autres troubles de l’odorat non reliés à une maladie neurodégénérative (trouble de l’odorat non-parkinsonien : TONP), tels que des troubles de l’odorat liés à une infection virale, à un traumatisme craniocérébral ou des troubles sinu-nasaux. Le système olfactif est plus complexe qu’il ne le semble et est intimement lié au système trigéminal, un système moins bien connu, qui permet, entre autres, la perception de sensations de fraicheur, chaleur et picotement des odeurs. L’interaction entre les systèmes olfactif et trigéminal est complexe et peu connue. La sensibilité trigéminale est typiquement réduite dans le cas d’un système olfactif altéré dans les TONP, mais il n’est pas bien compris comment les deux systèmes interagissent ensemble dans le cas d’un trouble de l’odorat associé à la MP. L’objectif principal de cette thèse visait donc la caractérisation du trouble de l’odorat associé à la MP lorsque spécifiquement comparé à des patients atteints de TONP. Par conséquent, cette thèse avait aussi pour objectif d’apporter une meilleure compréhension de l’interaction entre les systèmes olfactif et trigéminal dans le cas d’un système olfactif fonctionnel et d’un système olfactif altéré dans la MP et d’autres TONP. Nous avons donc d’abord évalué la sensibilité olfactive et trigéminale, sur le plan comportemental (étude 1). Cette première étude a permis d’identifier un patron de réponse spécifique dans la MP avec un système olfactif altéré et un système trigéminal intact,en comparaison à des contrôles, en contraste à une sensibilité trigéminale réduite dans les TONP. Dans le même ordre d’idée, nous avons ensuite évalué la perception des dimensions trigéminales et olfactives de différentes odeurs (étude 2). Nos résultats suggèrent que la perception de sensations trigéminales est intacte chez les patients avec la MP en contraste à la perception de dimensions olfactives qui est réduite, comparativement à des contrôles. Pour mieux comprendre l’interaction entre le système olfactif et trigéminal dans le cas d’un système olfactif fonctionnel, nous avons ensuite évalué l’impact d’un stimulus olfactif sur la capacité à latéraliser un stimulus trigéminal chez des participants contrôles (étude 3). Cette étude a démontré un effet d’amplification de la réponse trigéminale lors d’une co-stimulation olfactive ipsilatérale suggérant ainsi une interaction au niveau de l’épithélium nasal. Afin de mieux comprendre la réponse trigéminale dans la MP, nous avons évalué la sensibilité trigéminale périphérique et centrale en réponse à un stimulus trigéminal pur via des mesures électrophysiologiques (étude 4). Nous avons ainsi démontré une altération spécifique de la réponse trigéminale dans la MP comparativement à d’autres TONP et à des contrôles. Puisque le bulbe olfactif est l’une des premières régions affectées dans la MP, nous avons ensuite mesuré le volume du bulbe olfactif sur des images IRM (étude 5). Nos résultats ont démontré un volume réduit dans la MP et les TONP comparativement à des contrôles, mais aucune différence entre les patients atteints de la MP et de TONP. Néanmoins, l’utilisation de techniques d’apprentissage profond sur les images IRM du bulbe olfactif a permis de différencier les patients avec la MP des TONP avec une exactitude considérable. Enfin, nous avons étudié la connectivité fonctionnelle au sein du réseau chimiosensoriel (étude 6). Nous avons ainsi identifié des altérations spécifiques de la connectivité et la modularité des réseaux entre des régions de traitement olfactif et trigéminal au repos et lors de la réalisation d’une tâche olfactive et d’une tâche trigéminale chez des patients atteints de la MP en comparaison avec des TONP et des contrôles. En conclusion, la série d’études présentée dans cette thèse contribue à une meilleure compréhension du trouble de l’odorat associé à la MP et propose de potentielles pistes pour le différencier d’autres TONP, notamment par la mesure du système trigéminal. Cette thèse apporte une meilleure compréhension de l’interaction entre le système olfactif et trigéminal dans un système olfactif fonctionnel et de son altération dans les troubles olfactifs associés à la MP ou à d’autres TONP. La caractérisation de ce symptôme non-moteur pourra éventuellement aider au développement d’outils de dépistage précoce de la MP. / Olfactory dysfunction is a highly reliable non-motor symptom of Parkinson’s disease (PD) that appears several years before the possibility of a diagnosis of the disease. Hence, its study is of particular interest to help the development of early diagnosis tools and the selection of ideal candidates to participate in clinical trials that aims to test potential neuroprotective treatments. To do so, it is important to differentiate PD-related olfactory dysfunction from other non-neurodegenerative forms of olfactory dysfunctions that can be related to infections, head trauma or sinonasal disease (non-parkinsonian olfactory dysfunction: NPOD). The olfactory system is more complex than it seems and is intimately connected to the trigeminal system, a less well-known system, that allows, amongst others, the perception of sensation of freshness, warmth, and piquancy of odors. The interaction between the olfactory and trigeminal system is complex and not well understood. Trigeminal sensitivity is typically reduced in cases of an impaired olfactory system related to NPOD; however, this is not clear how both systems interact together in PD-related olfactory dysfunction. The main objective of this thesis was to principally characterize PD-related olfactory dysfunction when specifically compared to patients with NPOD. Consequently, this thesis also aimed to bring a better understanding of the interaction between the olfactory and trigeminal system in a fully functional olfactory system as well as in alterations of the olfactory system associated with PD and other NPOD. We have thus first assessed the olfactory and trigeminal sensitivity using behavioral measures (study 1). This study allowed the identification of a specific response pattern in PD patients with an altered olfactory system and an intact trigeminal system, when compared to controls, in contrast to the reduced trigeminal sensitivity observed in NPOD. We then evaluated the perception of trigeminal and olfactory dimensions of different odors (study 2). Our results suggest that the perception of trigeminal sensations is intact in patients with PD in contrast to the perception of olfactory dimensions which is reduced when compared to control participants. To better understand the interaction between the olfactory and trigeminal systems in a functioning olfactory system, we evaluated the impact of an olfactory stimulus on the capacity to lateralize a trigeminal stimulus in healthy participants (study 3). This study has demonstrated an amplification effect of the olfactory system on the trigeminal system particularly during ipsilateral co-stimulation, suggesting an interaction at the level of the olfactory mucosa. To better understand the trigeminal response in PD patients, we further investigated the peripheral and central trigeminal sensitivity in response to a pure trigeminal stimulus by means of electrophysiological measurements (study 4). We thus demonstrated a specific alteration of the trigeminal response in PD patients when specifically compared to patients with NPOD and healthy control participants. As the olfactory bulb is one of the first regions to be affected in PD, we then measured the olfactory bulb volume on MRI scans (study 5). Our results showed reduced olfactory bulb volume in PD patients as well as in NPOD, when compared to controls, but no difference between PD and NPOD patients. Interestingly, the use of deep learning techniques on MRI scans of the olfactory bulb allowed the discrimination between PD patients and NPOD patients with considerable accuracy. Finally, we investigated the functional connectivity within the chemosensory network (study 6). We identified a specific pattern of functional connectivity and chemosensory network modularity in PD patients at resting-state and while performing an olfactory or a trigeminal task, when specifically compared to patients with NPOD and controls. In conclusion, all taken together, the studies presented in this thesis contributes to a better understanding of the PD-related olfactory dysfunction and suggest potential avenues to differentiate it from NPOD, notably through the measurement of the trigeminal system. This thesis brings further knowledge regarding the interaction between the olfactory and trigeminal systems in a functional olfactory system and its alteration in cases of an impaired olfactory system related to PD or NPOD. The characterization of this non-motor symptom of the disease will eventually help the development of early diagnostic tools for PD.

Parkinson’s Disease (PD) is the fastest growing neurodegenerative disease, currently affecting two to three percent of the population over 65. Studying functional connectivity (FC) in PD patients may provide new insights into how the disease alters brain organization in different subjects. We explored persistent homology (PH) as a method for studying FC based on the functional magnetic resonance imaging (fMRI) recordings of 63 subjects, of which 56 were diagnosed with PD.  We used PH to translate each set of fMRI recordings into a stable rank. Stable ranks are homological invariants that are amenable for statistical analysis. The pipeline has multiple parameters, and we explored the effect of these parameters on the shape of the stable ranks. Moreover, we fitted functions to reduce the stable ranks to points in two or three dimensions. We clustered the stable ranks based on the fitted parameter values and based on the integral distance between them. For some of the parameter combinations, not all clusters were located in the space covered by controls. These clusters correspond to patients with a topologically distinct connectivity structure, which may be clinically relevant. However, we found no relation between the clusters and the medication status or cognitive ability of the patients. It should be noted that this study was an exploration of applying persistent homology to PD data, and that statistical testing was not performed. Consequently, the presented results should be considered with care. Furthermore, we did not explore the full parameter space, as time was limited and the data set was small. In a follow-up study, a measurable desired outcome of the pipeline should be defined and the data set should be expanded to allow for optimizing over the full parameter space. / Parkinsons sjukdom är den snabbast växande neurodegenerativa sjukdomen och drabbar för närvarande två till tre procent av befolkningen över 65 år. Att studera funktionell konnektivitet (FC) hos patienter med Parkinson kan ge nya insikter om hur sjukdomen förändrar hjärnans uppsättning i olika områden. Vi använde oss av persistent homologi (PH) som en metod för att studera FC baserat på inspelningar av funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) av 63 försökspersoner varav 56 hade diagnosen PD. Vi använde oss av persistent homologi (PH) som en metod för att studera FC baserat på inspelningar av funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) av 63 försökspersoner varav 56 hade diagnosen PD. Vi använde PH för att översätta varje uppsättning fMRI-prov vardera till en stable rank. Stable ranks är homologiska invarianter som är lämpliga för statistisk analys. Pipelinen har flera parametrar och vi undersökte effekten av dessa parametrar på formen av dessa stable ranks. Vi anpassade funktioner för att reducera alla stable ranks till punkter i två eller tre dimensioner. Vi grupperade alla stable ranks utifrån de anpassade parametervärdena och utifrån det integrala avståndet mellan dem. För vissa parameterkombinationer kunde inte alla kluster inom det område som täcks av kontrollerna bli funna. Dessa kluster motsvarar patienter med en topologiskt distinkt konnektivitetsstruktur, vilket kan vara kliniskt relevant. Vi fann dock inget samband mellan klustren och patienternas läkemedelsstatus eller kognitiva förmåga.  Det bör noteras att den här studien var en undersökning på tillämpningen av persistent homologi på PD-data och att statistiska tester inte utfördes. Följaktligen bör de presenterade resultaten betraktas med försiktighet. Dessutom undersökte vi inte hela parameterutrymmet eftersom tiden var begränsad och datamängden liten. I en uppföljningsstudie bör man definiera ett mätbart önskat resultat av pipelinen och datamängden bör utökas för att möjliggöra optimering av hela parameterutrymmet.

Introduction : L’altération des systèmes de récompense et de douleur serait impliquée dans le développement et le maintien de la douleur chronique. En contexte expérimental, l’arrêt d’une stimulation douloureuse et désagréable peut déclencher une sensation de plaisir (pleasant pain relief, PPR), mais contrairement aux mécanismes endogène d’inhibition de douleur (ICPM) la variabilité interindividuelle du PPR semble ne jamais avoir été étudiée. Objectifs : Étude 1) Investiguer la variabilité interindividuelle du PPR et de l’ICPM chez des sous-groupes de sujets sains ayant des réponses de douleur dynamiques similaires (analyses de trajectoires) durant un test à l’eau froide (CPT) Étude 2) Mesurer la connectivité au repos de régions du système de récompense en IRMf en lien avec le PPR. Méthode : 1) Une thermode Peltier et un CPT (10 ℃) ont été administrés séquentiellement (N=122). Le PPR a été mesuré pendant quatre minutes après l’arrêt du CPT et, 2) suite à l’application d’un gel froid en imagerie fonctionnelle (N=38). Résultats : 1) Quatre trajectoires ont été identifiées selon les réponses de douleur durant le CPT. Le PPR était corrélé aux trajectoires de douleur, mais pas l’efficacité d’ICPM. 2) Les connexions au repos, significativement corrélées au PPR, étaient les suivantes : noyau accumbens (NAcc) gauche-cortex cingulaire postérieur, NAcc gauche-cortex cingulaire antérieur dorsal, amygdale gauche-cortex préfrontal dorsolatéral, NAcc droit-cervelet crus II gauche et droit et cortex préfrontal ventromédian-cervelet crus II droit. Discussion : La sensibilisation et l’aspect désagréable moyen de douleur durant une stimulation nociceptive tonique ainsi que la connectivité au repos entre des régions modulant le plaisir (récompense) et la cognition affectent le degré de PPR. / Introduction: Alteration of reward and pain systems is related to the development of chronic pain. In experimental settings, the cessation of a painful and unpleasant stimulation has been shown to elicit a pleasant pain relief (PPR), but contrary to inhibitory conditioned pain modulation mechanisms (ICPM) inter-individual variability of PPR appears to have never been studied. Objectives: Study 1) Investigate inter-individual variability of PPR and ICPM in subgroups of healthy subjects with similar dynamic pain responses (trajectory analyses) during a cold pressor test (CPT) Study 2) Measure resting state functional connectivity with regions of the reward system related to PPR. Method: 1) Peltier thermode and CPT (10℃) were administered sequentially (N=122). The PPR was measured for four minutes after CPT offset 2) PPR was measured (N=38) following the application of a cold gel during functional imaging. Results: 1) Four trajectories were identified based on pain responses during CPT. PPR was correlated with pain trajectories, but not the efficacy of ICPM. 2) Resting state connections, significantly correlated with PPR, were the following: left nucleus accumbens (NAcc)-posterior cingulate cortex, left NAcc-dorsal anterior cingulate cortex, left amygdala-dorsolateral prefrontal cortex, right NAcc-left and right cerebellum crus II and ventromedial prefrontal cortex-right cerebellum crus II. Discussion: Sensitization and average pain unpleasantness during tonic nociceptive stimulation, as well as connectivity between regions modulating pleasure (reward) and cognition, affect the degree of PPR.

Les variants du nombre de copies (CNV) offre un cadre riche pour étudier les mécanismes neurobiologiques qui sous tendent la vulnérabilité aux troubles neuropsychiatriques. Notamment, les délétions du 16p11.2 et 22q11.2 sont parmi les facteurs génétiques les plus fréquents associés au trouble du spectre de l’autisme (TSA) et à la schizophrénie (SCZ). À l’heure actuelle, les perturbations fonctionnelles cérébrales qui sous-tendent cette vulnérabilité cognitive restent mécomprises. Récemment, l’analyse par gradient du connectome humain a révélé une réorganisation le long de l’axe dominant sensorimoteur à transmodal dans le TSA et la SCZ. Dans cette étude, nous avons cherché à étendre cette approche analytique aux porteurs d’une délétion du 16p11.2 et du 22q11.2 conférant un risque élevé pour de mêmes conditions. À cette fin, nous avons utilisé les données d’imagerie par résonance magnétique au repos combinant les données de deux cohortes génétiques, pour un total de 180 sujets incluant 61 porteurs. Par le biais d’un paradigme cas-contrôle, nous rapportons la première évidence d’une compression du gradient fonctionnel sensorimoteur à transmodal chez les porteurs de telles délétions. En dernier lieu, nous présentons une étude exploratoire d’association endophénotype-phénome dans la population générale du UK Biobank. Nous démontrons que la ressemblance aux profils de compression corticale des délétions est reliée à plusieurs traits humains complexes, en concordance avec les dimensions cliniques impactées par ces mêmes CNV. / Copy number variants (CNVs) present a unique opportunity to study the neural mechanisms underlying vulnerability to neuropsychiatric disorders. Notably, deletions of the 16p11.2 and 22q11.2 region are among the most common genetic variations associated with autism spectrum disorder (ASD) and schizophrenia (SCZ). However, brain functional disruptions underlying this cognitive vulnerability remains unclear. Recent gradient analysis framework developed to study parsimonious connectome dimensions at the system-level have reported disruptions along the overarching sensorimotor-to-transmodal gradient in ASD and SCZ. In this study, we sought to extend this gradient approach to carriers of a deletion at the 16p11.2 and 22q11.2 region. To achieve this, we pooled resting-state functional magnetic resonance imaging data from a total of 180 subjects, including 61 carriers, distributed among two genetic cohorts. By the means of a case-control study design, we provide the first evidence of a compressed cortical functional gradient in CNV carriers compared to healthy controls. Finally, we provide an exploratory endophenotype-phenome association study in the general UK Biobank population. We demonstrate that resemblance to 16p11.2 and 22q11.2 deletion profiles of cortical compression is related to several complex human traits, in concordance with clinical dimensions known to be impacted by the same CNV.

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Thèse de doctorat présentée en vue de l'obtention du doctorat en psychologie - recherche intervention, option neuropsychologie clinique (Ph.D). / Les cardiopathies congénitales, c’est-à-dire les anomalies de la structure du cœur ou des vaisseaux sanguins, constituent les malformations les plus fréquentes à la naissance. Considérant la prévalence des altérations cérébrales, des retards de développement et des déficits cognitifs qui leur sont associés, les cardiopathies congénitales sont reconnues comme une problématique de santé publique. Plusieurs questions méritent d’être étudiées pour mieux comprendre les conséquences neurodéveloppementales de ces malformations et identifier les mécanismes d’action qui en sont à l’origine. Dans ce contexte, la présente thèse vise à documenter le fonctionnement cérébral et le développement moteur et langagier des enfants présentant une cardiopathie congénitale complexe, ainsi qu’à identifier des facteurs de prévention et des pistes d’intervention pour améliorer leur pronostic neurodéveloppemental. Cette thèse est composée d’une revue de littérature et de quatre études empiriques. Le premier article avait pour objectif de recenser les principales données scientifiques disponibles dans la littérature, afin d’obtenir une vision intégrée des fonctions cognitives potentiellement affectées dans cette population et des facteurs qui en augmentent le risque. Le deuxième article visait à documenter les patrons de connectivité fonctionnelle des nourrissons de quatre mois ayant subi une chirurgie cardiaque correctrice, à l’aide de la spectroscopie proche infrarouge. Nos données de neuroimagerie révèlent une connectivité inférieure chez les participants avec malformation cardiaque comparativement aux contrôles, ce qui suggère la présence d’altérations du fonctionnement cérébral après la chirurgie cardiaque. Par ailleurs, nos résultats nous amènent à supposer que les régions frontales présenteraient un risque accru de dysfonctionnement, tandis que la connectivité fonctionnelle entre les régions temporales pourrait être préservée. L’objectif du troisième article était de décrire le développement de la motricité globale entre 4 et 24 mois dans cette population. Nos données révèlent une augmentation significative des performances motrices avec l’âge, et ce, particulièrement pour le groupe d’enfants ayant bénéficié d’interventions régulières en physiothérapie. Ceci suggère que l’intervention motrice pourrait améliorer le développement de la motricité globale chez les enfants à risque de retard moteur. Le quatrième article visait à décrire le développement du langage, entre 12 et 24 mois, chez les enfants présentant une cardiopathie congénitale complexe et à explorer les associations entre les habiletés de communication précoces et les capacités langagières futures. Les résultats de cette étude suggèrent une vulnérabilité spécifique des habiletés langagières expressives, comparativement aux compétences réceptives, et indiquent que les habiletés de communication gestuelle à 12 mois constituent un fort prédicteur du développement langagier futur. Enfin, le cinquième article avait pour objectif d’évaluer l’impact d’un programme développemental sur le fonctionnement moteur, cognitif et comportemental des enfants avec malformation cardiaque âgés de trois ans. Les résultats de cette étude suggèrent, pour la première fois, les potentiels bénéfices d’un tel programme sur le développement du vocabulaire réceptif et des compétences visuoconstructives. Ensemble, les résultats de cette thèse contribuent aux connaissances scientifiques sur le neurodéveloppement des enfants présentant une cardiopathie congénitale. Nos travaux permettent, en effet, de mieux comprendre le développement cognitif, moteur et langagier de ces enfants et fournissent des pistes concrètes pour une meilleure prévention des difficultés langagières et motrices dans cette population. Par ailleurs, ils soulignent la pertinence des études de neuroimagerie fonctionnelle pour comprendre les mécanismes d’action à l’origine de ces conséquences neurodéveloppementales, et ainsi, favoriser le développement de ces enfants. / Congenital heart disease, defined as a problem that affects the structure of the heart, constitutes the world’s most common birth defect. Given the prevalence of brain abnormalities, developmental delays and cognitive impairments associated with these defects, congenital heart diseases are recognized as a public health issue. Several questions remain to be investigated for a better understanding of the resulting neurodevelopmental complications, and to identify its specific mechanisms of action. This thesis aims to document the brain function and the development of motor and language skills of young children with complex congenital heart disease, and to identify preventive factors and avenues of intervention to improve their neurodevelopmental issue. This thesis includes a literature review and four empirical studies. The first article aimed to review the current knowledge, to get an overall view of cognitive disabilities that result from a congenital heart disease and the clinical factors that increase this risk. The goal of the second article was to investigate brain functional connectivity in 4-month-old infants with repaired congenital heart disease, using near-infrared spectroscopy. This neuroimaging study reveals reduced connectivity strength in infants with congenital heart disease compared to healthy controls, which suggests that alterations of brain functional connectivity persist after corrective cardiac surgery. Furthermore, our data lead us to hypothesize that functional connectivity in homologous temporal regions might be preserved in patients with congenital heart defect, while connectivity involving frontal regions might be at increased risk for dysfunction. The third study aimed to document the gross motor development in children with complex congenital heart disease aged 4 to 24 months. Our data revealed an increase in gross motor scores with age, and this, particularly for children who received regular motor intervention sessions. These results suggest that physical therapy may help to improve gross motor skills in children at risk of motor delay. The aim of the fourth article was to describe the language development, from 12 to 24 months of age, in children born with a heart disease, and to explore the relationship between early language performances and future language skills. The results of this study suggest that language impairments prominently affect expressive skills, rather than receptive skills, and indicate that early communicative gestures constitute a strong predictor of later language skills. Finally, the goal of the fifth article was to assess the impacts of a neurocardiac developmental follow-up program on motor, cognitive and behavioral functioning of 3-year-old children with congenital heart defect. This study suggests, for the first time, the potential benefits of such program on language receptive and visuospatial skills. This thesis significantly contributes to the scientific knowledge on neurodevelopment of children born with a congenital heart disease. The results of our studies allow a better description of the cognitive, motor and language development in this population, and provide interesting avenues for a better prevention of language and motor impairments. Furthermore, these results underline the relevance of functional neuroimaging studies for the understanding of mechanisms that result in neurodevelopmental disabilities and, therefore, the improvement of these children’s development.

Bien que la majeure partie du génome humain soit présente en deux copies (une copie héritée de chaque parent), certains segments peuvent être délétés (une copie) ou dupliqués (trois copies). La recherche a montré que plusieurs variations du nombre de copies (CNVs) augmentent le risque de troubles neurodéveloppementaux (e.g. autisme, TDAH, schizophrénie). Or, on connait peu les effets des CNVs sur le développement et le fonctionnement cérébral. L’électroencéphalographie (EEG) au repos s’avère être une méthode adaptée pour étudier les perturbations de l’activité neuronale chez les porteurs de CNVs. L’objectif de ce projet était de déterminer s’il existe des signatures EEG à l’état de repos qui sont caractéristiques des enfants porteurs de CNVs pathogéniques. L’activité cérébrale au repos de 109 porteurs de CNVs (66 délétions, 43 duplications) âgés de 3 à 17 ans a été enregistrée en EEG durant 4 minutes. Pour mieux prendre en compte les variations développementales, les indices EEG (puissance spectrale et connectivité fonctionnelle) ont été corrigés avec un modèle normatif estimé à partir de 256 contrôles du Heatlhy Brain Network. Les résultats ont montré une puissance bêta et gamma accrue dans les régions postérieures ainsi qu’une sous-connectivité globale à des échelles temporelles distinctes chez les porteurs de CNVs. Les porteurs d’une délétion et d’une duplication pouvaient être différenciés par leur connectivité dans les fréquences bas-alpha: la connectivité des porteurs d’une duplication était plus perturbée que celle des porteurs d’une délétion. Les perturbations distinctives en connectivité se sont avérées plus proéminentes à l’adolescence. Les résultats suggèrent que les porteurs de CNVs présentent des altérations électrophysiologiques par rapport aux témoins neurotypiques, indépendamment de la région génomique affectée. / Although most of the human genome is present in two copies (one copy inherited from each parent), some segments can be deleted (one copy) or duplicated (three copies). Research has shown that many copy number variations (CNVs) increase the risk of neurodevelopmental disorders (e.g. autism, ADHD, schizophrenia). However, little is known about the effects of CNVs on brain development and function. Resting-state electroencephalography (EEG) is a suitable method to study the disturbances of neuronal functioning in CNVs. We aimed to determine whether there are resting-state EEG signatures that are characteristic of children with pathogenic CNVs. Resting-state brain activity of 109 CNVs carriers (66 deletions, 43 duplications) aged 3 to 17 years was recorded in EEG for 4 minutes. To better account for developmental variations, EEG indices (power spectral density and functional connectivity) were corrected with a normative model estimated from 256 Heatlhy Brain Network controls. Results showed increased beta and gamma power in posterior regions as well as a global under-connectivity at distinct frequency bands in CNVs carriers. Deletion and duplication carriers can be differentiated by their connectivity in low alpha frequencies: the connectivity of the duplication carriers was more disrupted than that of the deletion carriers. The distinctive connectivity perturbations were found to be most prominent during adolescence. The results suggest that CNVs carriers show electrophysiological alterations compared to neurotypical controls, regardless of the gene dosage effect and of their affected genomic region. Moreover, a specific signature of the molecular alterations associated with deletions was found.