Objectives The objective of the present study was to investigate the usefulness of time-frequency analysis (TFA) of olfactory-induced EEG change with a low-cost, portable olfactometer in the clinical investigation of smell function. Materials & methods A total of 78 volunteers participated. The study was composed of three parts where olfactory stimuli were presented using a custom-built olfactometer. Part I was designed to optimize the stimulus as well as the recording conditions. In part II EEG-power changes after olfactory/trigeminal stimulation were compared between healthy participants and patients with olfactory impairment. In Part III the test-retest reliability of the method was evaluated in healthy subjects. Results Part I indicated that the most effective paradigm for stimulus presentation was cued stimulus, with an interstimulus interval of 18-20s at a stimulus duration of 1000ms with each stimulus quality presented 60 times in blocks of 20 stimuli each. In Part II we found that central processing of olfactory stimuli analyzed by TFA differed significantly between healthy controls and patients even when controlling for age. It was possible to reliably distinguish patients with olfactory impairment from healthy individuals at a high degree of accuracy (healthy controls vs anosmic patients: sensitivity 75%; specificity 89%). In addition we could show a good test-retest reliability of TFA of chemosensory induced EEG-power changes in Part III. Conclusions Central processing of olfactory stimuli analyzed by TFA reliably distinguishes patients with olfactory impairment from healthy individuals at a high degree of accuracy. Importantly this can be achieved with a simple olfactometer.

Objectives The objective of the present study was to investigate the usefulness of time-frequency analysis (TFA) of olfactory-induced EEG change with a low-cost, portable olfactometer in the clinical investigation of smell function. Materials & methods A total of 78 volunteers participated. The study was composed of three parts where olfactory stimuli were presented using a custom-built olfactometer. Part I was designed to optimize the stimulus as well as the recording conditions. In part II EEG-power changes after olfactory/trigeminal stimulation were compared between healthy participants and patients with olfactory impairment. In Part III the test-retest reliability of the method was evaluated in healthy subjects. Results Part I indicated that the most effective paradigm for stimulus presentation was cued stimulus, with an interstimulus interval of 18-20s at a stimulus duration of 1000ms with each stimulus quality presented 60 times in blocks of 20 stimuli each. In Part II we found that central processing of olfactory stimuli analyzed by TFA differed significantly between healthy controls and patients even when controlling for age. It was possible to reliably distinguish patients with olfactory impairment from healthy individuals at a high degree of accuracy (healthy controls vs anosmic patients: sensitivity 75%; specificity 89%). In addition we could show a good test-retest reliability of TFA of chemosensory induced EEG-power changes in Part III. Conclusions Central processing of olfactory stimuli analyzed by TFA reliably distinguishes patients with olfactory impairment from healthy individuals at a high degree of accuracy. Importantly this can be achieved with a simple olfactometer.

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.

Während wir Konversationen führen, senden wir akustische Signale, die nicht nur den Inhalt des Gesprächs betreffen, sondern auch eine Fülle an Informationen über den Sprecher liefern. Traditionellerweise wurden Sprachverständnis und Sprechererkennung als zwei voneinander unabhängige Prozesse betrachtet. Neuere Untersuchungen zeigen jedoch eine Integration in der Verarbeitung von Sprach- und Sprecher-Information. In dieser Dissertation liefere ich weitere empirische Evidenz dafür, dass Prozesse des Sprachverstehens und der Sprechererkennung auf neuronaler und behavioraler Ebene miteinander interagieren. In Studie 1 präsentiere ich die Ergebnisse eines Experiments, das funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) nutzte, um die neuronalen Grundlagen des Sprachverstehens unter wechselnden Sprecherbedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studie deuten auf einen neuronalen Mechanismus hin, der funktionelle Interaktionen zwischen sprach- und sprecher-sensitiven Arealen der linken und rechten Hirnhälfte nutzt, um das korrekte Verstehen von Sprache im Kontext von Sprecherwechseln zu gewährleisten. Dieser Mechanismus impliziert, dass die Sprachverarbeitung, einschließlich des Erkennens von linguistischer Prosodie, vornehmlich von Arealen der linken Hemisphäre unterstützt wird. In Studie 2 präsentiere ich zwei fMRT-Experimente, die die hemisphärische Lateralisierung der Erkennung von linguistischer Prosodie im Vergleich zur Erkennung der Sprachmitteilung respektive der Sprecheridentität untersuchten. Die Ergebnisse zeigten eine deutliche Beteiligung von Arealen in der linken Hirnhälfte, wenn linguistische Prosodie mit Sprecheridentität verglichen wurde. Studie 3 untersuchte, unter welchen Bedingungen Hörer von vorheriger Bekanntheit mit einem Sprecher profitieren. Die Ergebnisse legen nahe, dass Hörer akustische Sprecher-Information implizit während einer Sprach-Aufgabe lernen und dass sie diese Information nutzen, um ihr Sprachverständnis zu verbessern. / During natural conversation, we send rich acoustic signals that do not only determine the content of conversation but also provide a wealth of information about the person speaking. Traditionally, the question of how we understand speech has been studied separately from the question of how we recognize the person speaking either implicitly or explicitly assuming that speech and speaker recognition are two independent processes. Recent studies, however, suggest integration in the processing of speech and speaker information. In this thesis, I provide further empirical evidence that processes involved in the analysis of speech and speaker information interact on the neural and behavioral level. In Study 1, I present data from an experiment which used functional magnetic resonance imaging (fMRI) to investigate the neural basis for speech recognition under varying speaker conditions. The results of this study suggest a neural mechanism that exploits functional interactions between speech- and speaker-sensitive areas in left and right hemispheres to allow for robust speech recognition in the context of speaker variations. This mechanism assumes that speech recognition, including the recognition of linguistic prosody, predominantly involves areas in the left hemisphere. In Study 2, I present two fMRI experiments that investigated the hemispheric lateralization of linguistic prosody recognition in comparison to the recognition of the speech message and speaker identity, respectively. The results showed a clear left-lateralization when recognition of linguistic prosody was compared to speaker recognition. Study 3 investigated under which conditions listeners benefit from prior exposure to a speaker''s voice in speech recognition. The results suggest that listeners implicitly learn acoustic speaker information during a speech task and use such information to improve comprehension of speech in noise.

每個人遇到曾經看過的物體時，辨識該物體速度會增加（或辨識的正確率增加），這個現象稱為促發(priming)效果（簡稱P-P促發），同樣地，閱讀某物體的名稱（亦即文字）後，隔幾分鐘後再看該物體的圖形，這樣也會產生一種促發量（簡稱W-P促發）。許多研究都指出W-P促發是一種內隱(implicit)記憶，亦即，個體不需要刻意想起曾經看過的物件，促發效果仍會產生，而且P-P促發量都高於W-P促發量。然而，一些研究卻發現W-P促發量等於P-P促發量，顯然地，內隱記憶理論無法對於這種反直覺現象提出合理的解釋。 根據Paivio的雙重收錄理論(dual coding theory)(Paivio, 1986, 1991)，辨識具體(concrete)名詞（例如，物體的名稱）會同時觸及(access)或激發兩種知識表徵，一種是涉及左腦的口語(verbal)表徵，另一種是涉及左腦與右腦的影像(image)表徵，而許多神經語言學研究皆指出，涉及處理具體名詞的神經機制不只包含左腦，同時也包含右腦，是以，閱讀具體名詞可能會觸及或激發物體的內在表徵，如果物體輪廓相當獨特或明顯，那麼閱讀此類型物體之名稱可能會觸及或激發此類物體的完整或重要表徵，致使W-P促發量等於P-P促發量現象。因此本研究試圖操弄物體輪廓診斷性來解釋W-P促發量等於P-P促發量之現象。 實驗一與實驗二分別以「圖形唸名」以及「圖形知覺辨識作業」來檢驗「物體輪廓診斷性」對促發的影響，結果顯示，「整體診斷性不高」物體（globally non-diagnostic object，簡稱GN類物體）的P-P促發量高於W-P促發量，和先前許多研究結果一致，然而，「整體診斷性高」物體（globally diagnostic object，簡稱GD類物體）的W-P促發量等於P-P促發量，顯示「物體輪廓診斷性」會影響促發的表現，同時也顯示閱讀GD類物體名稱可以觸及或激發GD類物體的整體或必要的知識表徵。 實驗三以分視野(divided visual field)呈現方式檢驗GD類物體的W-P促發之腦側化現象。本研究發現，顯著的W-P促發只出現在右腦，顯示W-P促發主要經由右腦來處理，根據Paivio的雙重收錄理論來推論，W-P促發之本質可能主要涉及以影像為基礎的(image-based)的知識表徵。 本研究同時操弄外顯記憶以檢驗外顯記憶是否污染W-P促發而導致W-P促發量等於P-P促發量，結果顯示，不管哪一種物體，P-P情境的再認記憶表現都顯著比W-P情境好，顯示GD類物體的促發表現與外顯記憶表現之間有單一分離(single dissociation)的關係，換言之，GD類物體之W-P促發並不受外顯記憶影響或污染。此外，實驗四顯示刻意的心像策略並不涉及W-P促發，顯示閱讀GD類物體名稱觸及GD類物體概念表徵是一種自動化而且相當快速的歷程。 / Implicit memory is usually assessed by showing repetition priming effects, when better performance in accuracy or response time for stimuli that have been previously encountered in comparison with performance with new stimuli. Picture-naming priming has been examined in studies that compared priming in participants who named pictures in the study phase and named those same pictures in the test phase (P-P condition) versus participants who read words that were the names of pictures in the study phase and named pictures cor-responding to those words in the test phase (W-P condition). Many studies demonstrated W-P priming is less than P-P priming in the picture-naming task and other similar object recognition tasks. However, in sharp contrast to the above studies, some studies reported equivalent magnitudes of P-P and W-P naming priming. Theories of implicit memory cannot account for the counter-intuitive phenomenon. According to Paivio’s dual-coding theory, the processing of abstract nouns (e.g., justice) relies on verbal code representations of the left cerebral hemisphere only, whereas concrete nouns (e.g., airplane) additionally access a second image-based processing system in the right cerebral hemisphere (Paivio, 1986, 1991). Paivio’s theory is supported by many researches on neurolinguistics. If the contour of an object is very distinctive or diagnostic, there should be the possible result that reading the name of the distinctive objects could access the whole or essential representation of the object. Following the idea, I manipulated global diagnosticity of object contour to examine whether P-P priming is always larger than W-P priming. I found P-P priming was equivalent to W-P priming on “globally diagnostic” (GD) objects, but the P-P priming was still larger than W-P priming on “glob-ally non-diagnostic” (GN) objects. This phenomenon appeared on both pic-ture-naming (Experiment 1) and picture perceptual-identification (Experiment 2) tasks. Experiment 3 showed that significant W-P priming appeared only when GD objects in the test phase were presented to the right cerebral hemi-sphere (in the left visual field). Based on the Paivio’s dual coding theory (Paivio, 1986, 1991) and research on neurolinguistics, the nature of W-P priming for GD objects was inferred to be image-based processing. Better explicit (conscious) memory performance (recognition memory) in P-P condition than that in W-P condition showed that equivalent priming across P-P and W-P conditions on GD objects was dissociated from the influence of conscious recognition memory. Experiment 4 showed that the intentional strategy of generating mental imagery was not necessarily involved in the W-P priming. These results suggested that reading names of globally diagnostic objects can access, automatically and unconsciously, the representation or essential features of globally diagnostic objects, and right cerebral hemisphere might be responsible for the processing.

Le stress prénatal est un sujet d'intérêt éthologique croissant en raison de ses effets sur la santé humaine et le bien-être des animaux. Cette thése de doctorat s’intéresse à la seiche Sepia officinalis, un modèle pratique dans lequel la progéniture en développement peut être séparée de leurs mères pour examiner diverses sources potentielles de stress en isolement expérimental. Plusieurs catégories de facteurs de stress ont été appliquées aux embryons et aux juvéniles et la progéniture résultante a été testée dans une série d'épreuves physiologiques et comportementales. L'objectif était de déterminer si différents types de stress prénatal affectent la seiche et, dans l'affirmative, comment ces effets se transmettent. Les données présentées démontrent que les stresseurs appliqués aux femelles reproductrices (stress maternel), ainsi que les stresseurs appliqués directement aux embryons (stress embryonnaire), affectent le comportement postnatal (y compris la structuration corporelle, la latéralisation cérébrale, la prédation et les schémas d'activité) la mémoire et / ou la neurobiologie (y compris les concentrations et le renouvellement de la monoamine, la taille des différents lobes cérébraux et la division cellulaire). Les résultats mettent en évidence la présence de trois voies par lesquelles le stress peut exercer des effets: sur le nombre de descendants produits par la femelle, la transmission de la femelle à sa progéniture et directement sur la progéniture elle-même. Les expériences ont également démontré qu'un facteur de stress complètement artificiel (lumière forte) affectait un éventail plus large de comportements chez la progéniture qu’un stress naturel (odeur de prédateur). Enfin, les données ont montré que l'environnement d'incubation et d’élevage peuvent également affecter la progéniture et méritent donc une attention particulière dans la formulation et l'interprétation des expériences avec cette espèce. Ces découvertes informent à la fois les pratiques de bien-être des seiches et d'autres céphalopodes (par exemple, réduisent la manipulation pour maximiser la reproduction) et élucident et renforcent les principes éthologiques qui s'appliquent au stress animal en général (par exemple la transmission des effets de stress de la mère à la progéniture). Compte tenu des informations fournies ici et dans de nombreuses autres études, la seiche et d'autres céphalopodes devraient continuer à servir de modèles comportementaux en éthologie et en biologie en général. / Prenatal stress is a subject of growing ethological interest due to its effects on human health and animal welfare. This Ph.D. thesis utilizes the cuttlefish Sepia officinalis, a convenient model in which developing offspring can be separated from their mothers to examine various potential sources of stress in experimental isolation. Several categories of stressors were applied to cuttlefish and cuttlefish eggs and the resulting offspring were tested in a range of physiological and behavioral tests. The goal was to determine if various types of prenatal stress affect cuttlefish, and if so, how these effects are transmitted. The data presented demonstrate that both stressors applied to reproducing females (maternal stress), as well as stressors applied directly to embryos (embryonic stress), affected post-natal behavior (including body patterning, brain lateralization, predation and activity patterns), learning, memory and/or neurobiology (including monoamine concentrations and turnover, the size of various brain lobes and cell division). The results highlight the presence of three pathways by which stress can exert effects: on the number of offspring produced by the female, transmission from the female to her offspring and directly on the offspring themselves. The experiments also demonstrated that a completely artificial stressor (bright light) affected a wider range of behaviors in offspring than a natural-occurring one (predator odor). Finally, the data showed that incubation and spawning environment can also affect offspring, and thus deserve attention in the formulation and interpretation of experiments with this species. These findings inform both welfare practices for cuttlefish and other cephalopods (e.g. reduce handling to maximize reproduction) as well as elucidating and reinforcing ethological principles that apply to animal stress in general (e.g. the transmission of stress effects from mother to offspring). Given the insight provided here and in numerous other studies, cuttlefish and other cephalopods should continue to serve as behavioral models in ethology and biology in general.