It is known that some psychiatric disorders may deteriorate in relation to the menstrual cycle. However, in some conditions, such as premenstrual dysphoric disorder (PMDD), symptomatology is triggered mainly by the variations in ovarian steroid hormones. Although symptoms induced by fluctuations in ovarian steroids often are affective, little is known about how emotion processing in women is influenced by variations, or actual levels, of ovarian steroid hormones. The general aim of this thesis was to evaluate menstrual cycle effects on reactivity in emotion generating and controlling areas in the corticolimbic system to emotional stimulation and anticipation, in healthy controls and women with PMDD. A second aim was to evaluate corticolimbic reactivity during long-term administration of exogenous ovarian steroids. In study I, III and IV effects of the menstrual cycle on emotional reactivity in women with PMDD was studied. In study I, women with PMDD in displayed higher amygdala reactivity than healthy controls to emotional faces, not in the luteal phase as was hypothesised, but in the follicular phase. No difference between menstrual cycle phases was obtained in women with PMDD, while healthy controls had an increased reactivity in the luteal phase. The results of study I was further elaborated in study III, where women with PMDD were observed to have an increased anticipatory reactivity to negative emotional stimuli. However, no differences in amygdala reactivity to emotional stimuli were obtained across the menstrual cycle. Finally, in study IV the hypothesis that amygdala reactivity increase in the luteal phase in women with PMDD is linked to social stimuli rather than generally arousing stimuli was suggested, tested and supported. In study II, re-exposure to COC induced mood symptoms de novo in women with a previous history of COC-induced adverse mood. Women treated with COC reported increased levels of mood symptoms both as compared to before treatment, and as compared to the placebo group. There was a relatively strong correlation between depressive scores before and during treatment. The effects of repeated COC administration on subjective measures and brain function were however dissociated with increased aversive experiences accompanied by reduced reactivity in the insular cortex.

Estimulação Magnética Transcraniana profunda (EMTp) modula estruturas corticais mais profundas, como a Ínsula Posterior Superior (IPS) e o Córtex Cingulado Anterior (CCA) e tem sido usada para tratar condições não anteriormente sensíveis à EMT superficial. No entanto, até o momento, nenhum estudo avaliou os efeitos da EMTp na cognição após várias sessões de estimulação de maneira abrangente, especialmente em pacientes com disfunção cognitiva basal devido a lesões estruturais da SNC. Apresentamos resultados secundários de um estudo randomizado paralelo de três braços sobre os efeitos da EMTp ativa de 10Hz para o CCA ou IPS contra EMTp simulada na avaliação neuropsicológica de 98 pacientes com dor neuropática central submetidos a um curso de 12 semanas (16 sessões) de tratamento. Vários canais cognitivos foram avaliados em um desenho cego (atenção, controle inibitório, velocidade de processamento, flexibilidade mental, fluência verbal-fonêmica e semântica, memória operacional e episódica, cognição global e percepção visual) no início e após o último dia de estimulação. Nós observamos que não há efeitos do córtex Insular Posterior Superior (IPS) ou do Cíngulado Anterior (CCA) comparado com EMTp simulada na dor clínica, apesar do achado antinociceptivo significativo nos limiares térmicos após EMTp- IPS e um efeito ansiolítico significativo de EMTp- CCA comparado com estimulação simulada. Não encontramos efeitos significativos da estimulação ativa para o IPS ou para o CCA em comparação com a estimulação simulada em qualquer um dos domínios cognitivos. Os autores concluíram que a EMTp CCA/IPS de alta frequência e repetidas sessões de longa duração é segura em pacientes com lesões do SNC que apresentam lesões cerebrais estruturais e comprometimento cognitivo significantes / Deep-TMS (dTMS) modulates deeper cortical structures such as the posterior superior insular (PSI) and the anterior cingulate cortices (ACC) and has been used to treat conditions not previously responsive to superficial-TMS. However, to date no study has assessed the effects of dTMS on cognition after several sessions of stimulation in a comprehensive manner, especially in patients with baseline cognitive dysfunction due to SNC structural lesions. We present secondary outcome results form a three-arm parallel randomized trial on the effects of active10Hz dTMS to either the ACC or PSI against sham dTMS on neuropsychological assessment of 98 central neuropathic pain patients undergoing a 12-week (16 sessions) course of treatment. Several cognitive channels were assessed in a blinded design (attention, inhibitory control, processing speed, mental flexibility, verbal fluency-phonemic and semantic, working and episodic memory, global cognition and visual perception) at baseline and after the last day of stimulation. We observed that there were no effects of either posterior insular (PSI) or anterior cingulate cortex (ACC) compared to sham dTMS on clinical pain, despite the finding of a significant anti-nociceptive on thermal thresholds after PSI d- TMS and a significant anxiolytic effect of ACC d-TMS compared to sham stimulation. We found no significant effects of active stimulation to either the PSI or to the ACC compared to sham stimulation in any of the cognitive domains. Long-term repetitive-session high frequency ACC/PSI- dTMS is safe in patients with structural SNC lesions who have baseline significant structural brain lesions and cognitive impairment

En raison de sa localisation en profondeur du cerveau, le rôle de l’insula dans le traitement de l’information est longtemps resté énigmatique. Or, l’avènement des techniques de stimulation électro-corticale et de neuroimagerie a permis de mettre en exergue son implication dans divers aspects du fonctionnement neuropsychologique. De plus en plus d’études suggèrent que le cortex insulaire joue un rôle clé dans le traitement des caractéristiques physiques des stimuli sensoriels, ainsi que dans le traitement de la saillance des informations. Les théories contemporaines avancent ainsi que l’insula serait une région cruciale dans le « réseau de saillance » et serait impliquée dans les processus sensoriels, émotionnels et attentionnels. Toutefois, la nature exacte de sa contribution demeure inconnue, notamment en raison des limitations intrinsèques des techniques d’investigation traditionnelles, ainsi que de la faible prévalence des lésions circonscrites à l’insula, d’autant que l’évidence clinique ne fait pas l’unanimité. En outre, les résections insulaires sont de plus en plus fréquentes chez les patients atteints d’épilepsie insulaire pharmaco-résistante. Cependant, les altérations neuropsychologiques d’une telle intervention restent mal connues. Ainsi, les études qui composent cette thèse visent à mieux comprendre la façon dont l’insula participe au traitement de l’information et les conséquences neuropsychologiques des résections insulaires sur les processus sensoriels, émotionnels et attentionnels. Les deux premières études de cette thèse documentent les contributions respectives des portions antérieure et postérieure de l’insula au traitement attentionnel pour l’information sensorielle. Les réponses de l’insula lors de l’exécution de tâches attentionnelles de type oddball visuel et auditif sont enregistrées au moyen de l’EEG intracrânienne auprès de patients atteints d’épilepsie dont des électrodes ont été implantées dans l’insula dans le cadre d’une évaluation préchirurgicale pour une épilepsie résistante à la médication. Les résultats suggèrent que l’insula antérieure participe au déploiement attentionnel volontaire aux alentours de 300-500 ms à la suite de la présentation de stimuli pertinents à la tâche en modalité visuelle et auditive, alors que la portion postérieure, quant à elle, est impliquée dans le traitement attentionnel automatique survenant de manière précoce, autour de 100 ms suivant la présentation d’informations auditives, indépendamment de la pertinence du stimulus. Les deux études suivantes qui composent cette thèse examinent les conséquences neuropsychologiques d’une résection au cortex insulaire sur le traitement sensoriel et affectivo-attentionnel, chez des patients épileptiques réfractaires à la médication qui ont subi une résection unilatérale de cette région. Leurs performances dans une tâche Dot-Probe révisée et dans un test de Stroop émotionnel, ainsi que leurs réponses à un questionnaire mesurant des patterns comportementaux sensoriels, sont comparées à celles d’un groupe de patients ayant subi une chirurgie d’épilepsie temporale et d’un groupe d’individus contrôles en santé. Les résultats mettent en évidence des altérations sensorielles et du contrôle des interférences émotionnelles à la suite d’une chirurgie d’épilepsie insulaire. En somme, les données de cette thèse contribuent à une meilleure compréhension du rôle spécifique de l’insula au traitement de l’information sensorielle, saillante, émotionnelle et attentionnelle, au moyen de mesures neurophysiologiques et comportementales. Elles fournissent également un appui quant à la pertinence de développer des outils standardisés en évaluation neuropsychologique afin de mieux identifier les perturbations fonctionnelles associées à une épilepsie ou une chirurgie d’épilepsie insulaire. / The role of the insular cortex in information processing has long been considered enigmatic, partly due to its deep location in the brain. However, the advent of direct electrocortical stimulation and neuroimaging approaches have shed light on its involvement in multiple of neuropsychological functions. An increasing number of studies suggest that the insular cortex plays a crucial role in processing the physical characteristics of sensory stimuli, as well as in the processing of salient information. Current theories argue that the insula would be a critical structure in the “salience network” and involved in sensory, emotional and attentional processes. However, the specific contribution of the insular cortex remains unknown, notably due to the intrinsic limitations of conventional approaches and the very low prevalence of lesions restricted to the insula, especially as little clinical evidence support these findings. Furthermore, although insular resections are becoming more frequent, the neuropsychological effects of this surgery remain unclear. Thus, the studies that make up this thesis aim to improve our understanding of the role played by the insula in the salient information processing and the neuropsychological consequences of the insular resections on sensory, emotional and attentional functions. The first two studies of this thesis assess the respective contributions of the anterior and posterior insular portions in attentional processing towards salient and relevant sensory information. The insular responses during visual and auditory oddball attentional tasks are recorded by means of intracranial EEG (iEEG) in epileptic patients undergoing invasive iEEG, with electrode contacts implanted in the insula as part of a pre-surgical evaluation of their drug-resistant seizures. The results suggest that the anterior insula participates in voluntary attentional processing around 300-500 ms following the presentation of task-relevant stimuli in both visual and auditory modality, whereas the posterior portion is involved in automatic processing occurring about 100 ms after auditory stimuli presentation, independent of task-relevant information. The next two studies examine the neuropsychological consequences of insular cortex resections on the sensory and affectivo-attentional processes, in drug-refractory epileptic patients who have undergone unilateral resection of this structure. Their performance in a revised Dot-Probe task and an emotional Stroop test, as well as their responses in a questionnaire assessing sensory behavioral patterns, were compared to a group of patients who had surgery for temporal lobe epilepsy and a group of healthy control. The results highlight alterations in sensory processing and emotional interference control following insular epilepsy surgery. In sum, the neurophysiological and behavioral data in this thesis contribute to a better understanding of the specific role of the insula in the processing of sensory, salient, emotional and attentional information. Moreover, these findings highlight the need to further develop neuropsychological tests in order to better identify functional disturbances associated with insular epilepsy and insular resection surgery.

L'insula a longtemps été considérée essentiellement comme une partie du « cerveau viscéral » du fait de son rôle dans le traitement des réponses physiologiques et viscérales. Or, depuis l’avènement de l’imagerie cérébrale fonctionnelle, son implication dans divers aspects du fonctionnement neuropsychologique est devenue bien établie. De plus en plus d’études suggèrent que le cortex insulaire joue un rôle clé dans les circuits responsables de la prise de décision risquée. L’hypothèse des marqueurs somatiques suggère que les émotions influencent nos décisions aux moyens de changements physiologiques internes et viscéraux. Il a été proposé que l'insula participe à la prise de décision risquée en représentant les états somatiques de la situation chargée émotionnellement et en projetant ces informations au cortex préfrontal ventro-médian, constituant ainsi une structure clé dans les circuits responsables de la prise de décision. Les théories actuelles avancent que l’insula serait davantage impliquée dans la prise de risque lorsque l’individu fait face à une perte potentielle plutôt qu'à un gain. Toutefois, bien que plusieurs études supportent un rôle dans le processus décisionnel, la contribution spécifique du cortex insulaire demeure énigmatique. Les études qui composent cette thèse visent à mieux comprendre la façon dont l'insula participe à la prise de risque aux moyens de tâches neuropsychologiques de gambling qui permettent de simuler des situations de prise de décision de la vie quotidienne. La première étude neurocomportementale examine les conséquences d’une résection au cortex insulaire sur la capacité à prendre des décisions face à un risque potentiel, chez des patients épileptiques réfractaires à la médication qui ont subi une résection unilatérale de cette région. Leurs performances à deux tâches de gambling sont comparées à celles d’un groupe de patients ayant subi une chirurgie de l'épilepsie du lobe temporal (épargnant l’insula) et d’un groupe d’individus contrôles en santé. Les résultats mettent en évidence une altération du patron de prise de risque chez les patients avec résection insulaire, qui se traduit par une difficulté à ajuster leur choix en fonction de la valeur attendue (EV) (c’est-à-dire le ratio entre la magnitude et les probabilités des résultats possibles) de l’option risquée en condition de perte. Cette étude appuie l’idée selon laquelle la prise de décision risquée implique différents processus neuronaux selon si le risque implique un gain ou une perte potentielle. La seconde visée de cette thèse porte sur l’évaluation spécifique de la valence, de l’ampleur, de la probabilité et de l’EV de l’option risquée à l’activité insulaire au cours d’une prise de décision. Au moyen de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle, l’activité cérébrale d’individus en santé a été enregistrée, alors qu’ils complétaient une tâche de jeu de hasard. Les résultats de l’étude suggèrent un rôle prédominant de l’insula dans l’ajustement des décisions risquées en fonction de l’EV. De plus, l’activité de l’insula pendant la prise de décision était influencée par la sensibilité à la punition des participants. En somme, les données de cette thèse contribuent à une meilleure compréhension du rôle spécifique de l’insula à la prise de décision risquée et conduisent à une réflexion sur l’évaluation neuropsychologique des atteintes insulaires. / The insula has long been considered primarily as part of the « visceral brain » because of its role in the treatment of physiological and visceral responses. However, since the advent of functional brain imaging, its involvement in various aspects of neuropsychological functioning has become well established. More and more studies suggest that the insular cortex plays a key role in the circuits responsible for risky decision-making. The somatic marker hypothesis suggests that emotions influence our decisions by means of internal and visceral physiological changes. It has been proposed that the insula participates in risky decision-making by representing the somatic states of the emotionally charged situation and projecting this information to the ventromedian prefrontal cortex, thus constituting a key structure in the circuits responsible for decision. Current theories argue that the insula would be more involved in risk taking when the individual faces a potential loss rather than a gain. However, although several studies support a role in the decision-making process, the specific contribution of the insular cortex remains enigmatic. The studies that make up this thesis aim to better understand how the insula participates in risk taking with neuropsychological tasks of gambling that can simulate decision-making situations of everyday life. The first neurobehavioral study examines the consequences of insular cortex resections on the ability to make decisions about potential risk in drug-refractory epileptic patients who have undergone unilateral resection of this region. Their performance in two gambling tasks is compared to a group of patients who had surgery for temporal lobe epilepsy (sparing the insula) and a group of healthy control. The results highlight an alteration of risk taking in patients with insular resection, which results in difficulty in adjusting their choice according to the expected value (EV) (i.e. the ratio between the magnitude and probabilities of possible outcomes) of the risky option in the loss condition. This study supports the idea that risky decision making involves different neural processes depending on whether the risk involves a potential gain or loss. The second aim of this thesis deals with the specific assessment of the valence, magnitude, probability and EV of the risky option to insula activity during a decision-making process. Using functional magnetic resonance imaging, the brain activity of healthy individuals was recorded as they completed a gambling task. The results of the study suggest a predominant role of the insula in adjusting risky decisions based on EV. In addition, the activity of the insular cortex during decision-making was influenced by the participants' sensitivity to punishment. In sum, the data from this thesis contribute to a better understanding of the specific role of the insula in risky decision-making and lead to a reflection on the neuropsychological evaluation of insular lesions.

L’épilepsie insulaire (ÉI) est une forme rare d’épilepsie focale qui, en raison des défis liés à son diagnostic, est difficilement cernable. De plus, la prise en charge des patients avec ÉI s’avère complexifiée par le fait que cette pathologie est fréquemment résistante aux médicaments anti-crises. Pour ces cas médico-réfractaires, la chirurgie insulaire est une option viable. Cela dit, les patients subissant une telle intervention développent fréquemment des déficits neurologiques postopératoires; heureusement, la grande majorité de ceux-ci récupèrent complètement et rapidement. Or, le mécanisme sous-tendant ce singulier rétablissement fonctionnel demeure à ce jour mal compris. Deux modalités modernes d’IRM structurelle, soit l’analyse d’épaisseur corticale et la tractographie, ont permis, dans les dernières années, de décrire les altérations architecturales caractéristiques et potentiellement diagnostiques de divers types d’épilepsie ainsi que de caractériser les remodelages plastiques qui suivent la chirurgie de l’épilepsie extra-insulaire. Cependant, à ce jour, aucune étude ne s’est encore penchée sur le cas de l’ÉI. De ce fait, les études qui constituent cette thèse exploitent l’IRM structurelle afin, d’une part, de dépeindre les altérations d’épaisseur du cortex et de connectivité de matière blanche associées à l’ÉI et, d’autre part, de définir les réarrangements de connectivité subséquents à la chirurgie insulaire pour contrôle épileptique. Les deux premières études de cette thèse ont révélé que l’ÉI était associée à un pattern majoritairement ipsilatéral d’atrophie corticale et d’hyperconnectivité impliquant principalement des sous-régions insulaires et des régions connectées à l’insula. De manière intéressante, la topologie de ces changements correspondait, au moins en partie, à celle du réseau épileptique de l’ÉI. Ensuite, la troisième étude visait à décrire, par le biais d’une méta-analyse, l’histoire naturelle postopératoire des patients subissant une chirurgie pour ÉI. Cette analyse a, entre autres, confirmé que cette chirurgie était efficace (66.7% de disparition des crises) et qu’elle était fréquemment accompagnée de complications neurologiques (42.5%) qui, dans la plupart des cas, étaient transitoires (78.7% des complications) et récupéraient entièrement dans les trois mois postopératoires (91.6% des complications transitoires). Finalement, la quatrième étude a révélé que la chirurgie pour ÉI était suivie d’altérations de connectivité diffuses et bilatérales. Notamment, les connexions présentant une augmentation de connectivité concernaient particulièrement des régions localisées soit près de la cavité chirurgicale ou dans l’hémisphère controlatéral à l’intervention. De plus, la majorité de ces renforcements structurels se sont produits dans les six premiers mois suivant la chirurgie, un délai comparable à celui durant lequel la majeure partie de la récupération fonctionnelle postopératoire a été observée dans notre méta-analyse. En somme, nos résultats suggèrent que les altérations morphologiques en lien avec l’ÉI peuvent correspondre à son réseau épileptique sous-jacent. La topologie de ces changements pourrait constituer un biomarqueur structurel diagnostique qui aiderait à la reconnaissance de l’ÉI et, concomitamment, favoriserait possiblement un traitement chirurgical plus adapté et plus efficace. De plus, les augmentations de connectivité postopératoires pourraient correspondre à des réponses neuroplastiques permettant de prendre en charge les fonctions altérées par la chirurgie. Nos constats ont ainsi contribué à la caractérisation des mécanismes étayant la singulière récupération fonctionnelle accompagnant la chirurgie pour ÉI. À plus grande échelle, nos travaux offrent un aperçu du potentiel de l’IRM structurelle à assister au diagnostic de l’épilepsie focale ainsi qu’à participer à la description des changements plastiques subséquents à une résection neurochirurgicale. / Insular epilepsy (IE) is a rare type of focal epilepsy that is difficult to diagnose. In addition to the challenging nature of IE detection, management of patients with this condition is complicated by the tendency of insular seizures to be resistant to anti-seizure medications. For such medically refractory cases, insular surgery constitutes a viable and long-lasting therapeutic option. That said, patients who undergo an insular resection for seizure control frequently develop postoperative neurological deficits; fortunately, most of these impairments recover fully and rapidly. While this favorable postoperative course contributes to improving the outcome of IE surgery, the mechanism underlying the functional recovery remains unknown. Two contemporary structural MRI modalities, namely cortical thickness analysis and tractography, have recently been used to describe characteristic structural alterations of focal epilepsies and to elucidate the postoperative plastic remodeling associated with surgery for extra-insular epilepsy. While these analyses added to our understanding of several localization-related epilepsies, none specifically studied IE. In this thesis, we exploit structural MRI techniques to, first, depict the alterations of cortical thickness and white matter connectivity in IE and, second, define the progressive rearrangements that follow insular surgery for epilepsy. The first two studies of the current thesis showed that IE is associated with a primarily ipsilateral pattern of cortical thinning and hyperconnectivity that mainly involves insular subregions and insula-connected regions. Interestingly, the topology of these changes corresponded, at least in part, to the epileptic network of IE. Furthermore, the third study aimed to describe, via a meta-analysis, the postoperative outcome of patients undergoing surgery for IE. Among other findings, the analysis revealed that insular surgery was effective (66.7% seizure freedom rate) but was associated with a significant risk of neurological complications (42.5%) which, in most cases, were transient (78.7% of all complications) and recovered fully within three months (91.6% of transient complications). Finally, the fourth study showed that surgery for IE was followed by a diffuse pattern of bilateral structural connectivity changes. Notably, connections exhibiting an increase in connectivity were specifically located near the surgical cavity and in the contralateral healthy hemisphere. In addition, the majority of the structural strengthening occurred in the first six months following surgery, a time course that is consistent with the short delay during which most of the postoperative functional recovery was observed in our meta-analysis. Our results suggest that the morphological alterations in IE may reflect its underlying epileptic network. The topology of these changes may constitute a structural biomarker that could help diagnose IE more readily and, concomitantly, potentially enable a more targeted and more effective surgical treatment. Moreover, the postoperative increases in connectivity may be compatible with compensatory neuroplastic responses, a process that arose to recoup the functions of the injured insular cortex. Our findings have therefore contributed to the characterization of the driving process that supports the striking functional recovery seen following surgery for IE. On a larger scale, our work provides insights into the potential of structural MRI to assist in the diagnosis of focal epilepsy and to describe plastic changes following neurosurgical resections.

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