Un pilier d'une vie sociale fructueuse est la capacité de prédire correctement les actions des autres et de percevoir leurs états émotionnels. Des études d'interaction sociale chez les primates ont montré qu'ils sont capables de déduire ce que les autres peuvent entendre ou voir, et de prédire leurs émotions et intentions. Il a été montré qu'ils peuvent manifester différents degrés de comportements prosociaux, allant de la coopération jusqu'à des comportements altruistes et empathiques. Des études d'imageries fonctionnelles chez l'homme ont identifié l'insula antérieur (AI) comme une région cérébrale clé dans le traitement de l'empathie.Spécifiquement, cette région apparait comme l'aire intégratrice des activités liées à la douleur ressentie et observée, suggérant que l'empathie pourrait impliquer un modèle « miroir » des propriétés affectives et sensorielles de la douleur d'autrui. Cependant, les bases neuronales de ce processus n'ont pas encore été découvertes. Dans le but d'examiner le rôle de l'AI dans le traitement de l'empathie, nous avons enregistré l'activité des neurones dans l'AI de deux singes pendant qu'ils sont engagés dans une tâche sociale leur permettant de délivrer un stimulus aversif ou appétitif à leur partenaire, à lui-même ou à personne. Les résultats comportementaux ont montré que les singes prennent en compte le bien-être de leur partenaire. Les données neuronales rapportent différentes populations neuronales répondant aux stimuli aversif ou appétitif et ceux délivrés à soi ou à autrui. Notamment, la population neuronale répondant au stimulus aversif a montré trois profils d'activité : une représentation neuronale de l'expérience désagréable du partenaire, une représentation neuronale de sa propre sensation désagréable et une minorité de neurones montrant des propriétés miroirs entre soi et autrui. Nos résultats suggèrent un modèle neuronal de l'empathie représentant des propriétés distinctes entre l'expérience vécue et observée / A cornerstone of a successful social life is the ability to correctly predict others’ actions and empathically perceive their emotional states. Studies on primates’ social interaction have shown that thanks to their keen cognitive abilities monkeys are able to deduce what others can hear or see, and to predict others’ emotions and intentions. It has been shown that primates are able to display different degrees of prosocial behavior, from cooperation to even altruism and empathically driven behavior. Studies using fMRI techniques inhumans have identified the anterior insula (AI) as a key brain region in the processing of empathy. More precisely, this region emerged as the overlapping area activated for both experienced and observed pain,leading to the idea that empathy for pain may involve a mirror-matching model of the affective and sensory features of others' pain. However, the neuronal basis of this process has yet to be uncovered. In an attempt toextend and to investigate the role of the AI in the process of empathy we have recorded single cell activity inthe AI of two monkeys while they were engaged in a social task where based on the performed trials positiveor negative reinforcements could be delivered to self, another monkey, or nobody. Behavioral results showed that monkeys take into account the welfare of their partners even when this has no impact on their ownwelfare. Our neuronal findings report that distinct population of neurons respond differentially to outcomesfor self and other, and to appetitive and aversive outcomes. Interestingly the neuronal population responding to the aversive outcome showed mainly three profiles of activity: neuronal representation of conspecifics’unpleasant experience, neuronal representation of own unpleasant experience and a minority of neurons showing mirroring properties between self and other. Thus, our results suggest a neuronal model of empathy that accounts for the distinctive features between feeling and empathizing

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

The temporal specificity of functional magnetic resonance imaging (fMRI) is limited by a sluggish and locally variable hemodynamic response trailing the neural activity by seconds. Here, we demonstrate for an attention capture paradigm that it is, never the less, possible to extract information about the relative timing of regional brain activity during cognitive processes on the scale of 100 ms by comparing alternative signal models representing early versus late activation. We demonstrate that model selection is not driven by confounding regional differences in hemodynamic delay. We show, including replication, that the activity in the dorsal anterior insula is an early signal predictive of behavioral performance, while amygdala and ventral anterior insula signals are not. This specific finding provides new insights into how the brain assigns salience to stimuli and emphasizes the role of the dorsal anterior insula in this context. The general analytic approach, named “Cognitive Timing through Model Comparison” (CTMC), offers an exciting and novel method to identify functional brain subunits and their causal interactions.

La recherche montre que l’insula est impliquée dans le traitement d’informations intéroceptives, émotionnelles et relevant de fonctions exécutives de haut niveau. L’hypothèse des marqueurs somatiques propose que ces fonctions vraisemblablement séparées travaillent plutôt de concert au sein d’un système neural dont le rôle consiste à extraire les messages émotionnels des signaux corporels. Si l’insula exerce effectivement un rôle de modulateur des sensations corporelles et des processus cognitifs découlant de ceux-ci, des lésions au cortex insulaire risquent d’occasionner des altérations au niveau de l’expérience émotionnelle, des fonctions exécutives et de la personnalité. La présente étude a pour but de mesurer ces changements chez 19 patients ayant subi une insulectomie unilatérale dans le cadre de leur traitement de l’épilepsie. Ces patients ont été comparés à un groupe contrôle composé de 19 patients épileptiques ayant subi une résection du lobe temporal. Les participants ont été évalués par l’entremise du Iowa Scales of Personality Change (ISPC), rempli par un proche du patient. Les résultats montrent que les patients du groupe insulaire exhibent des changements qui dénotent une dérégulation émotionnelle à long terme, caractérisée par une augmentation modérée de l’irritabilité, de la labilité émotionnelle, de l’anxiété et de la frugalité, tous des changements qui, outre l’anxiété, n’ont pas été observés chez les patients temporaux. Cependant, pour ce qui est des fonctions exécutives, aucun changement significatif n’a été noté. De plus, la comparaison pré- et post opératoire des scores des deux groupes aux items de l’ISPC ne s’est pas avérée significative. Globalement, les résultats suggèrent que l’insula joue probablement un rôle accessoire au sein du modèle proposé par l’hypothèse des marqueurs somatiques et que les résections unilatérales partielles ou complètes de l’insula ne risquent pas d’occasionner de changements prononcés de la personnalité. / Research has shown that the insula is involved in the processing of information relating to interoceptive, emotional and executive functions. It was proposed that these two seemingly separate functions may work conjointly as part of a large neural circuit tasked with the extraction of emotional information from bodily signals. It was hypothesized that, if the insula does indeed modulate feelings and the cognitive processes which derive from them, insular damage would result in alterations of emotional experience, executive functions and personality. To that effect, we examined such changes in a group of patients (n = 19) who underwent epilepsy surgery involving partial or complete resection of the insula, and compared them to a group of patients who underwent temporal lobe epilepsy surgery (n = 19) as a lesion-control group. Participants were assessed on the Iowa Scales of Personality Change, filled by a close relative at least six months after surgery. While pre- vs. post-surgery changes did not significantly differ between groups on any of the outcome variables, insular resections were associated with mild but significant increases in irritability, emotional lability, anxiety, and frugality postoperatively, which, with the exception of increased anxiety, were not found among temporal patients. Against our initial prediction, the surgery did not lead to executive functioning deficits. Overall, our results support the notion that the insula most likely holds an accessorial role in the model proposed by the somatic marker hypothesis, and that there isn’t a risk of dramatic personality change as a result of the partial or complete unilateral surgical removal of the insula.

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

Ce travail de thèse a pour objectif de préciser le rôle du cortex operculo-insulaire dans la somesthésie et la douleur chez l'Homme à l'aide d'études réalisées par stimulations électriques intracérébrales et en IRM fonctionnelle (IRMf). Deux secteurs fonctionnels distincts ont été mis en évidence; d'une part l'insula dont 60% des stimulations induisent des réponses somato-sensitives dont 10% sont douloureuses, où il existe une localisation préférentiellement postérieure des sites de stimulation donnant lieu à une réponse douloureuse et un décrément antéro-postérieur du seuil de déclenchement d'une réponse douloureuse, dont les champs récepteurs couvrent de larges surfaces cutanées, et où les réponses douloureuses ont une organisation somatotopique grossière ; d'autre part l'aire SII dont la stimulation induit quasi exclusivement des réponses somato-sensitives dont 10% sont douloureuses, sur des surfaces cutanées plus restreintes. SII et l'insula postérieure sont les deux seules régions corticales dont la stimulation est capable d'induire une sensation douloureuse. Une ségrégation fonctionnelle au sein de SII et de l'insula a été montrée en IRMf, par l'existence de patterns spécifiques d'activation pour chaque modalité sensitive, comprenant des sous- régions dont l'activation semble spécifique de la sensation douloureuse. Ceci confère à ces régions une originalité toute particulière au sein de la matrice douleur, puisqu'il semble qu'elles seules puissent activer le réseau fonctionnel des aires impliquées dans la sensation douloureuse et ainsi permettre 'l'expérience' de la douleur.

Mindfulness training cultivates momentary awareness, a form of attention directed to non-evaluative, immediate sensation. This form of attention stands in contrast to a more temporally extended awareness, which allows for the evaluative organization of experience into a personal narrative. The neural mechanisms underlying such awareness, and their role in regulating emotions, are poorly understood. Thus, in three functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiments, I explored the thesis that momentary and extended awareness represent dissociable modes of self-reference, with momentary self-reference reducing ruminative elaboration of events by biasing attention towards interoceptive signals from the body. I compared individuals who were randomly-assigned to either an 8-week Mindfulness-Based Stress Reduction (MBSR) training course against a waitlisted group (Controls). Three distinct studies examined the impact of Mindfulness on: 1) the contrast between explicitly directed momentary and extended self referential processing; 2) reactions to an induced sadness challenge; and 3) the contrast between interoceptive (breath-monitoring) and exteroceptive (visual) attention. In all three studies MBSR led to a shift in neural activity away from cortical midline structures, such as the medial prefrontal and posterior cingulate cortices, to predominantly right-lateralized viscerosomatic structures, and specifically the insular cortex. Cortical midline activity is thought to support habitual patterns of evaluation, and stands as the neural correlate of a narrated, extended self, while right-lateralized insula activity is thought to represent the recurrent integration of present moment context, the neural correlate of the momentary self. These data revealed that MBSR may enhance the distinction between momentary and extended self-reference, reducing cortical midline responses and recruiting a novel, right-lateralized viscerosomatic network. Additionally, MBSR graduates demonstrated reduced emotional reactivity to a film-based sadness mood induction, reducing cortical midline activity and inhibition of the right insula. Moreover, the MBSR group demonstrated enhanced right middle insula recruitment during the monitoring of sensory experience associated with breath monitoring, a core mindfulness practice. The data from this final study also suggest that MBSR promoted an integration of posterior insular sensory representations with anterior insular subjective representations of present moment status. Preserved viscerosomatic activity in the face of emotional challenge may be a predictor of enhanced well-being following mindfulness training.

The maintenance of social/emotional information in working memory (SWM/EWM) has recently been the topic of multiple neuroimaging studies. However, some studies find that SWM/EWM involves a medial frontal-parietal network while others instead find lateral frontal-parietal activations similar to studies of verbal and visuospatial WM. In this study, we asked 26 healthy volunteers to complete an EWM task designed to examine whether different cognitive strategies- maintaining emotional images, words, or feelings- might account for these discrepant results. We also examined whether differences in EWM performance were related to general intelligence (IQ), emotional intelligence (EI), and emotional awareness (EA). We found that maintaining emotional feelings, even when accounting for neural activation attributable to maintaining emotional images/words, still activated a left lateral frontal-parietal network (including the anterior insula and posterior dorsomedial frontal cortex). We also found that individual differences in the ability to maintain feelings were positively associated with IQ and EA, but not with EI. These results suggest that maintaining the feelings of others (at least when perceived exteroceptively) involves similar frontal-parietal control networks to exteroceptive WM, and that it is similarly linked to IQ, but that it also may be an important component of EA.

Cigarette smoking is an addictive behavior. There are two learned emotional responses to smoking that may be particularly important for promoting addiction to smoking: the pleasure obtained from the airway sensory effects of smoking (airway sensory pleasure) and the urge to smoke that is elicited by environmental smoking cues (cue-induced urge). The ventromedial prefrontal cortex (VMPFC) has been implicated in a variety of learned emotional and motivational responses to drug-associated sensory cues. This project set out to address the role of the VMPFC and related areas in airway sensory pleasure and cue-induced urge, as well as the role of this region in promoting smoking behavior in real life, by examining the effects of focal lesions within the VMPFC and related areas in human cigarette smokers. It was found that lesions of the VMPFC itself were associated with a marked impairment of cue-induced urge in the laboratory, which was paralleled by a reported reduction in the difficulty of abstaining from smoking in real life. At the same time, VMPFC lesions led to a relative sparing of airway sensory pleasure in the laboratory, which was paralleled by no change in the enjoyment from smoking in real life. In addition, it was found that VMPFC lesions were not associated with changes in real-life measures of smoking dependence. It was found that lesions of the insula, a region that is functionally related to the VMPFC, were associated with an ability to quit smoking easily, immediately, without relapses and without a lasting urge to smoke. However, among patients with insula lesions who continued to smoke after lesion onset, there were no appreciable impairments of airway sensory pleasure or cue-induced urge. The results suggest that, while VMPFC lesions may disrupt cue-induced urges, they do not disrupt dependence upon smoking. This may be because VMPFC lesions spare more implicit motivational processes, such as "habits" and "incentive salience," that can drive smoking behavior in the absence of a conscious desire to smoke. The results also suggest that the insula functions in psychological processes that may contribute to the difficulty of quitting smoking.

Ce travail de thèse a pour objectif de préciser le rôle du cortex operculo-insulaire dans la somesthésie et la douleur chez l'Homme à l'aide d'études réalisées par stimulations électriques intracérébrales et en IRM fonctionnelle (IRMf). Deux secteurs fonctionnels distincts ont été mis en évidence; d'une part l'insula dont 60% des stimulations induisent des réponses somato-sensitives dont 10% sont douloureuses, où il existe une localisation préférentiellement postérieure des sites de stimulation donnant lieu à une réponse douloureuse et un décrément antéro-postérieur du seuil de déclenchement d'une réponse douloureuse, dont les champs récepteurs couvrent de larges surfaces cutanées, et où les réponses douloureuses ont une organisation somatotopique grossière ; d'autre part l'aire SII dont la stimulation induit quasi exclusivement des réponses somato-sensitives dont 10% sont douloureuses, sur des surfaces cutanées plus restreintes. SII et l'insula postérieure sont les deux seules régions corticales dont la stimulation est capable d'induire une sensation douloureuse. Une ségrégation fonctionnelle au sein de SII et de l'insula a été montrée en IRMf, par l'existence de patterns spécifiques d'activation pour chaque modalité sensitive, comprenant des sous- régions dont l'activation semble spécifique de la sensation douloureuse. Ceci confère à ces régions une originalité toute particulière au sein de la matrice douleur, puisqu'il semble qu'elles seules puissent activer le réseau fonctionnel des aires impliquées dans la sensation douloureuse et ainsi permettre 'l'expérience' de la douleur / This work aims at assessing the role of operculo-insular cortex in somesthesia and pain in Humans, using intracerebral electrical stimulations and fMRI. Two distinct functional zones were highlighted; the insular cortex on one hand, in which 60% of stimulations induced somato-sensory responses (10% painful), with a clear antero-posterior gradient in terms of localization and pain stimulation threshold, and where receptive fields were large and pain evoked sensations showed a rough somatotopic organization. The inner part of the parietal operculum (second somatosensory area SII) on the other hand, where electrical stimulation induced almost exclusively somato-sensory sensations, of which 10% were painful, in more restricted cutaneous territories. SII and posterior insula are the only cortical regions where electrical stimulation can elicit painful sensation. Functional segregation in SII and insula was found using fMRI, showing that specific patterns of activation do exist, depending on the type of somato-sensory stimulations, including sub-regions specifically activated during pain stimulation. These characteristics confer to these regions a crucial and special role, which consists in triggering the building of pain 'experience' by the pain matrix