Les personnes non-voyantes montrent dans les différents aspects de leurs vies qu’elles sont capables de s’adapter à la privation visuelle en utilisant les capacités intactes comme l’ouï ou le toucher. Elles montrent qu’elles peuvent bien évoluer dans leur environnement en absence de vision et démontrent même des fois des habiletés supérieures à celles des personnes voyantes. La recherche de ces dernières décennies s’est beaucoup intéressée aux capacités adaptatives des non-voyants surtout avec l’avènement des nouvelles techniques d’imagerie qui ont permis d’investiguer des domaines qui ne l’étaient pas ou l’étaient difficilement avant. Les capacités supérieures des non voyants dans l’utilisation plus efficace des informations auditives et tactiles semblent avoir leur base neuronale dans le dans le cortex visuel désafférenté, qui continu à être fonctionnel après la privation sensorielle et s’en trouve recruté pour le traitement de stimulations dites intermodales : auditives, tactiles et même montre une implication dans des processus de plus haut niveau, comme la mémoire ou le langage. Cette implication fonctionnelle intermodale résulte de la plasticité du cortex visuel c'est-à-dire sa capacité à changer sa structure, sa fonction et d’adapter ses interactions avec les autres systèmes en l’absence de vision. La plasticité corticale n’est pas exclusive au cortex visuel mais est un état permanent de tout le cerveau. Pour mesurer l’activité du cortex visuel des non voyants, une mesure d’excitabilité de ses neurones consiste à mesurer le temps de recouvrement de l’onde N1 en potentiels évoqués, qui est plus rapide chez les non voyants dans la modalité auditive. En effet, les réponses en potentiels et champs évoqués ont été utilisés en EEG/MEG pour mettre en évidence des changements plastiques dans le cortex visuel des non-voyants pour le traitement de stimuli dans les modalités auditives et tactiles. Ces réponses étaient localisées dans les régions postérieures chez les non voyants contrairement aux contrôles voyants. Un autre type de réponse auditive a reçu moins d’intérêt dans la recherche concernant la réorganisation fonctionnelle en relation avec la privation sensorielle, il s’agit de la réponse auditive oscillatoire (Auditory Steady-State Response ASSR). C’est une réponse qui a l’avantage d’osciller au rythme de stimulation et d’être caractérisé par une réponse des aires auditives étiquetée à la fréquence de stimulation. Cette étiquette se présente sous la forme qu’un pic d’énergie spectrale important qui culmine aux fréquences présentes dans la stimulation. Elle a également l’avantage d’être localisée dans les régions auditives primaires, de là tout changement de localisation de cette réponse chez des non voyants en faveur des régions visuelles pourrait être considéré comme une évidence de la réorganisation fonctionnelle qui s’opère après une privation sensorielle précoce. Le but de cette thèse est donc d’utiliser la réponse oscillatoire à l’écoute des sons modulés en amplitude (MA) pour mettre en évidence les corrélats de la réorganisation fonctionnelle dans le cortex visuel des non-voyants précoces. La modulation de la réponse auditive dans les régions visuelles nous permettra de montrer qu’une réorganisation est possible chez les non-voyants pour ce traitement intermodal. La première étude est une validation du paradigme expérimental «frequency tagged sounds». Il s’agit de montrer qu’une tâche de détection de changement dans la stimulation, permet de moduler la réponse ASSR aux sons modulés en amplitude en vue de l’utiliser dans les études chez les non voyants et dans les conditions d’une privation visuelle transitoire (avec les yeux bandés). Un groupe de sujets voyants ont réalisé une tâche de détection de changement dans la stimulation les yeux ouverts dans deux conditions : écoute active qui consiste à détecter un changement dans la fréquence porteuse de la modulation en appuyant avec l’index droit sur un bouton de réponse et une condition d’écoute passive. Les sons étaient présentés en écoute monaurale et dichotique. Les résultats ont montré une différence significative à l’occurrence du changement dans la stimulation en écoute dichotique seulement. Les schémas de plus grande réponse controlatérale et de suppression binaurale décrit dans la littérature ont été confirmés. La deuxième étude avait pour but de mettre en évidence une réorganisation rapide de la réponse ASSR chez un groupe de sujets voyants dans les conditions de privation visuelle transitoire de courte durée, par bandage des yeux pendant six heures. Le même protocole expérimental que la première étude a été utilisé en écoute active seulement. Les résultats montrent que dans ces conditions une modulation de la réponse corticale en écoute dichotique dans les régions visuelles est possible. Ces sources d’activité occipitale adoptent une propriété du cortex auditif qui est le battement binaural, c'est-à-dire l’oscillation de la réponse ASSR à la différence des fréquences présentées dans chaque oreille. Cet effet est présent chez la moitié des sujets testés. La représentation corticale des sources occipitales évolue durant la période de privation et montre un déplacement des sources d’activité dans la direction antéropostérieure à la fin de la période de privation. La troisième étude a permis de comparer le traitement de la réponse ASSR dans un groupe de non-voyants congénitaux à un groupe de voyants contrôles, pour investiguer les corrélats de la réorganisation fonctionnelle de cette réponse après une privation sensorielle de longue durée c'est-à-dire chez des non voyants congénitaux. Les résultats montrent des différences significatives dans la représentation spectrale de la réponse entre les deux groupes avec néanmoins des activations temporales importantes aussi bien chez les non voyants que chez les contrôles voyants. Des sources distribuées ont été localisées dans les régions associatives auditives dans les deux groupes à la différence des non voyants où il y avait en plus l’implication des régions temporales inférieures, connues comme étant activées par la vision des objets chez les voyants et font partie de la voie visuelle du quoi. Les résultats présentés dans le cadre de cette thèse vont dans le sens d’une réorganisation rapide de la réponse auditive oscillatoire après une privation visuelle transitoire de courte durée par l’implication des régions visuelles dans le traitement de la réponse ASSR par l’intermédiaire du démasquage de connections existantes entre le cortex visuel et le cortex auditif. La privation visuelle de longue durée, elle conduit à des changements plastiques, d’une part intra modaux par l’extension de l’activité aux régions temporales supérieures et médianes. D’autre part, elle induit des changements inter modaux par l’implication fonctionnelle des régions temporales inférieures visuelles dans le traitement des sons modulés en amplitude comme objets auditifs alors qu’elles sont normalement dédiées au traitement des objets visuels. Cette réorganisation passe probablement par les connections cortico-corticales. / Blind persons show in their everyday life that they can efficiently adapt to visual deprivation by relying on their spared senses like touch or the sense of hearing. They also show they can challenge their environment without vision and sometimes even demonstrate superior abilities compared to sighted counterparts. In the last decades, research got more interested in adaptive capabilities of the blinds especially with the advent of new imaging techniques which made it possible to make giant steps investigating new avenues in the field of brain plasticity after sensory loss. The superior abilities of blind individuals take the form of a more efficient use of auditory and tactile information and find their neuronal correlates in the deafferented visual cortex. The visual cortex of the blind is still highly functional after visual deprivation and is recruited for the processing of cross modal auditory and tactile stimulations. It can even show implication in higher level memory or language processes. This functional involvement results from the plasticity of the visual cortex which is its ability to change its structure, its function and to adapt its interactions with the other systems in the absence of vision. Cortical plasticity is not exclusive to the visual cortex of the blind but is a permanent state of the brain. To appreciate cortical activity in the visual cortex of blind individuals, a measure of excitability of its neurons is used. This measure is represented by the recovery of the N1 component in ERPs to target detection, which is shorter in the auditory modality for the blind. Evoked potentials and evoked fields components in EEG and MEG have been shown to be reorganized in favour of the visual cortex of blind individuals compared to sighted ones for the auditory and tactile modalities. Posterior location for such components was found in the blind. The auditory steady-state response is another brain response that received less interest in the study of cortical reorganization after sensory loss. The ASSR has the advantage of oscillating at the stimulation rhythm and is characterized by a response in the auditory cortices tagged to the stimulation frequencies. The tag takes the form of an important spectral energy peak at the frequencies of stimulation in auditory areas. The ASSR is localized in left and right primary auditory areas, with this regard any posterior shift in the location of source activity in blind individuals also tagged to stimulation frequencies would be considered as an evidence of functional reorganization following sensory deprivation. The objectives of this work are to make use of the characteristics of the ASSR to amplitude modulated tones (AM) to investigate neural correlates of cross modal functional reorganization in the visual cortex of the blind for the processing of AM tones. The first study is a validation of the frequency tagging paradigm. A change detection auditory task can modulate the envelope amplitude of the ASSR response. The same paradigm is used to investigate cross modal reorganisation after long and short term visual deprivation. In this first study a group of healthy sighted individuals detected a change in the carrier frequency of AM tones, with eyes opened during monaural and dichotic listening. Two conditions were tested an active condition where they had to press a button each time they hear the change and a passive condition. Results show a significant increase in the envelope amplitude of the ASSR to the onset of the carrier frequency change, only for dichotic presentation. Patterns of activations of the ASSR were maintained, with larger responses in the hemisphere contralateral to the stimulated ear and binaural suppression for the ipsilateral inputs for the dichotic presentation. The second study was aimed to show that rapid changes in the ASSR to amplitude modulated tones (MA) are possible after short term sensory deprivation, by blindfolding sighted individuals for six hours. The same detection task was used but not the passive condition. Results show a modulation of the dichotic response in visual areas. The occipital source activity found, showed an auditory property as a binaural beat, which means an oscillating ASSR at a frequency equal to the difference of the frequencies presented to each ear. This effect was present in half of the participants and took place at the end of the blindfolding time. Cortical representation of the occipital sources showed a displacement of source activities in the antero-posterior direction at the end of transitory deprivation period. In the third study we compared the ASSR processing between early blind individuals (congenitally blind) group and healthy sighted controls group, to investigate the neural correlates of functional reorganization of this response after long term visual deprivation. Results show significant differences in the spectral representation of the response between the two groups. Important auditory temporal activations were found in the two groups. Distributed sources were localized in primary and secondary auditory areas for the two groups. A difference was found in blind individuals who showed additional activations of inferior temporal areas, known to be activated by objects vision in sighted individuals and being part of the what visual pathway. The results presented here are in line with a rapid reorganization of the ASSR after short term visual deprivation, and the implication of visual areas in the processing of AM tones for long term sensory deprivation in the congenitally blind. This was made possible by the unmasking of existing connections between auditory and visual cortices. Long term deprivation leads to plastic changes, in the auditory modality as a first step by the extension of activity to superior and middle temporal areas, then to cross modal changes with the functional involvement of inferior temporal areas in the processing of AM tones, considered as visual objects. This reorganization is likely to be mediated through lateral cortico-cortical connections.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les modèles actuels de perception de la parole suggèrent un couplage étroit entre les rythmes cérébraux, caractérisés par les oscillations neuronales, et le rythme de la parole, permettant de segmenter le flux verbal continu en unités linguistiques pertinentes pour la reconnaissance. En particulier, les modulations lentes d’amplitude de l’enveloppe temporelle de la parole, véhiculant l’information syllabique et prosodique, sont capables d’« entrainer » les oscillations corticales auditives dans la bande de fréquence thêta (4-7 Hz), échantillonnant le signal verbal en unités syllabiques. L’information temporelle qui caractérise la parole joue un rôle fondamental dans l’acquisition et le développement du langage ; un déficit de traitement des indices rythmiques de la parole a d’ailleurs été décrit dans les troubles développementaux du langage. L’objectif de ce travail de thèse était de mieux comprendre les processus neurocognitifs sous-tendant la perception du rythme de la parole naturelle chez l’enfant présentant un développement langagier typique ou atypique (dysphasie) dans trois études. Une première étude en magnétoencéphalographie (MEG) a permis de dévoiler la dynamique corticale oscillatoire chez des enfants francophones neurotypiques (8-13 ans) lors de l’écoute de phrases naturellement produites à un débit normal ou rapide. Nos résultats suggèrent l’existence de deux phénomènes d’« entrainment » des oscillations sur l’enveloppe temporelle de la parole à débit normal, l’un dans la bande thêta au sein des régions auditives droites, l’autre dans une bande centrée sur le débit syllabique moyen des stimuli dans les régions temporales antérieures gauches. Dans la condition de parole rapide, une synchronisation cortico-acoustique a été mise en évidence dans la bande thêta au sein des régions (pré)motrices gauches, reflétant le rôle de la voie dorsale d’intégration sensori-motrice dans les conditions d’écoute difficiles mais aussi dans le développement du langage oral. Les deux études suivantes ont été réalisées chez des enfants présentant une dysphasie expressive (8-13 ans) afin de tester l’hypothèse d’un trouble de traitement du rythme syllabique chez ces enfants, potentiellement sous-tendu par une dynamique corticale oscillatoire atypique. Dans une étude comportementale, nous avons évalué les capacités des enfants dysphasiques à décoder de la parole naturellement produite à débit normal ou rapide, ou accélérée artificiellement. Nous avons montré des performances réduites chez ces enfants, en regard d’enfants neurotypiques, pour traiter des phrases accélérées naturellement et artificiellement, suggérant un déficit d’extraction du rythme de la parole lorsque la fréquence des modulations de l’enveloppe temporelle augmente. Une étude en MEG, identique à celle réalisée chez les enfants neurotypiques, nous a permis d’apporter de premiers éléments en faveur de cette interprétation en révélant un traitement cortical atypique de l’information syllabique dans la dysphasie, qui pourrait rendre compte des troubles phonologiques et morpho-syntaxiques souvent décrits dans ce trouble neuro-développemental. Une synchronisation réduite des oscillations thêta du cortex auditif a ainsi été mise en évidence chez les enfants dysphasiques par rapport à leurs pairs lors de la perception de parole à débit normal. L’absence d’alignement de l’activité oscillatoire des régions prémotrices sur l’enveloppe temporelle des phrases à débit rapide nous a en outre conduit à émettre l’hypothèse d’un dysfonctionnement de la voie dorsale chez ces enfants. Dans l’ensemble, ce travail de thèse fournit donc, pour la première fois à notre connaissance, des preuves expérimentales (i) de la synchronisation entre rythmes corticaux et rythme de la parole naturelle chez les enfants à développement langagier typique et (ii) d’une dynamique oscillatoire atypique lors de la perception de parole à débit normal et rapide chez les enfants dysphasiques. / Current models of speech perception suggest a close correspondence between brain rhythms, characterized by neuronal oscillations, and speech rhythm, which would allow the brain to parse the incoming speech signal into relevant linguistic units for decoding. Slow amplitude modulations in speech temporal envelope, which convey syllabic and prosodic information, have been shown to entrain oscillatory activity of auditory cortex in the theta frequency band (4-7 Hz), sampling the acoustic signal into syllable-sized units. Temporal information in speech is a foundation for oral language acquisition and development; accordingly, deficits in processing speech rhythmic cues have been described in developmental language disorders. This thesis sought to throw light on the neurocognitive processes underlying the perception of natural speech in children with typical and atypical language development (Specific Language Impairment – SLI – or Developmental Language Disorder – DLD) in three experimental studies. In a first magnetoencephalography (MEG) study, we unraveled the oscillatory dynamics in a group of French-speaking typically-developing children aged 8 to 13 years old during listening to naturally-produced sentences either at a normal or fast rate. Our results suggested two types of entrainment of cortical oscillations on the temporal envelope of normal rate speech: the first one occurred in the theta band in right auditory cortex whereas the second one was found in a frequency band centered on the mean syllabic rate of our stimuli in left anterior temporal regions. As to the fast rate condition, we showed cortico-acoustic coupling in the theta band in left (pre)motor areas, reflecting the role of the sensorimotor dorsal pathway in challenging listening conditions as well as in language development. In two other studies, we tested the hypothesis of an impairment to process speech syllabic rhythm, potentially underpinned by atypical oscillatory cortical dynamics, in children with developmental language disorders mainly at the expressive level. In a behavioral study, we examined how French-speaking children with expressive DLD (8-13 years old) processed speech naturally produced at a normal or fast rate, or artificially accelerated. Our results showed poorer performance to decode fast sentences, either accelerated naturally or artificially, in these children as compared to their typically-developing peers, which suggests a deficit in extracting speech syllabic information with increased modulation frequency in the amplitude envelope. The last study, identical to the first one in MEG conducted in typically-developing children, provided the first piece of evidence in favor of this interpretation by showing atypical cortical processing of syllabic information in children with DLD, which may account for the phonological and morpho-syntactic deficits frequently described in this developmental disorder. Reduced alignment of theta oscillatory activity in auditory cortex to normal rate speech has indeed been evidenced in children with DLD as compared to typically-developing children. Lack of synchronization of oscillations in left (pre)motor regions to amplitude envelope of fast rate sentences was also observed, which we interpreted as potential dysfunction of the dorsal stream in this population. To the best of our knowledge, the findings obtained in this thesis therefore provide first experimental evidence for (i) coupling between brain rhythms and rhythm of naturally produced speech in typically-developing children and (ii) atypical oscillatory cortical dynamics underlying normal and fast rate speech in children with developmental language disorders.

Résumé (FR)Cette thèse s’articule autour de cinq études ayant pour objectif principal de tenter de mieux comprendre les processus de plasticité cérébrale prenant place après un apprentissage, ainsi que les modifications apparaissant au cours du vieillissement normal. La magnétoencéphalographie (MEG) et l’électroencéphalographie (EEG) ont été utilisées pour investiguer les mécanismes électrophysiologiques de la consolidation en mémoire procédurale et déclarative durant la veille et le sommeil, chez des personnes jeunes et âgées en bonne santé. L’ensemble de nos études indique un déclin de la plasticité cérébrale avec l’âge, ainsi qu’une réorganisation différenciée en fonction de l’âge des réseaux cérébraux impliqués dans les premières étapes de la consolidation en mémoire. L’acquisition de nouvelles habiletés motrices chez les personnes âgées dépend davantage de réseaux neuronaux sous-tendant des processus attentionnels et de contrôle cognitif. Le recrutement de ces réseaux plus diffus et non spécifiques à la tâche d’apprentissage chez les personnes âgées semble défavorable au développement d’une nouvelle habileté motrice. Cependant, le recrutement chez les personnes âgées d’un réseau cortico-striatal spécifique à l’apprentissage moteur pourrait être favorable à la consolidation en mémoire procédurale. Ces résultats soulignent l’existence d’une grande variabilité interindividuelle dans le vieillissement, qui ouvre des perspectives quant aux processus favorisant le maintien versus contribuant au déclin des capacités de consolidation en mémoire avec l’âge. / Abstract (EN)The 5 studies presented in this doctoral thesis aimed at better understanding post-learning cerebral plasticity process, and the cerebral changes that occur during normal ageing. Magnetoencephalography (MEG) and electroencephalography (EEG) techniques were used to investigate the electrophysiological mechanisms of procedural and declarative memory consolidation during awakening and sleep in young and old healthy adults. Altogether, our studies highlight reduced experience-dependent plasticity in the aging brain, and the age-dependent reorganization of large-scale functional networks involved in the early stages of memory consolidation. With aging, new motor skills acquisition depends more on neuronal networks subtending controlled and attentional processes. These networks are unspecific to the motor learning task, and their involvement in old adults is negative for the development of a new motor skill. However, the involvement of a learning-related cortico-striatal network in old adults promotes procedural memory consolidation. These results indicate high inter-subjects variability in ageing, and open new perspectives to understand the memory consolidation processes that contribute to the maintenance versus the decline of newly learned information. / Doctorat en Sciences psychologiques et de l'éducation / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le but de ce travail a été d’étudier le couplage entre la cinématique du mouvement et l’activité neuromagnétique du cerveau humain, de comprendre les mécanismes neuronaux à la base de ce couplage, et d’essayer de répondre, notamment grâce à l’utilisation de la cohérence cortico-cinématique, à un certain nombre de questions posées par le traitement de la cinématique d’un mouvement des doigts (exécuté ou observé) par le cerveau.Ce travail de thèse de doctorat démontre en 5 études originales que(i) la fréquence de mouvement n’a pas d’impact sur le niveau de couplage ni sur la localisation de la source principale de ce couplage pendant des mouvements volontaires des doigts (étude I), (ii) la cinématique de mouvements (dirigés vers un but) observés de la main d’autrui est couplée à l’activité du cerveau de l’observateur dans la partie postérieure du gyrus temporal supérieur droit, les lobules supra temporaux et cortex SM1 bilatéraux de la même manière que durant l’exécution d’un mouvement similaire (étude II),(iii) l’amplitude de la bande β des cortex SM1 bilatéraux est modulée par la cinématique de mouvements répétitifs de la main dirigés vers un but, et ce, de la même manière lors de l’exécution où de l’observation de cette action. Cette modulation ne semble pas être liée au phénomène de CKC (étude III), (iv) Ce couplage est réduit de manière significative chez les patients souffrant d’ataxie de Friedreich et ce, tant pour des mouvements actifs que passifs, ce qui apporte de nouvelles évidences en faveur du rôle prépondérant des afférences proprioceptives dans le phénomène CKC. De plus, la CKC corrèle de manière significative avec l’expansion de triplet GAA1 et pas avec les scores cliniques SARA plaidant ainsi pour une altération génétiquement déterminée et stable des afférences proprioceptives dans la maladie de Friedreich (étude IV),(v) l’activité magnétique du lobe postérieur du cervelet ipsilatéral au mouvement est couplée avec la cinématique de ce mouvement sans influence de la fréquence du mouvement (étude V). / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse décrit le développement et la mise en œuvre d'un système d'acquisition 3D ayant pour but la localisation temps réel en 3D et l'identification d'électrodes et des antennes utilisées lors d'un examen MEG/EEG. La seconde partie concerne la mise en correspondance de ces données avec les informations de la résonance magnétique. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La dyslexie est un trouble neuro-développemental spécifique à l'apprentissage de la lecture, qui touche entre 6 et 8% de la population. Elle se caractérise principalement par des déficits dans les compétences de reconnaissance des mots écrits affectant les procédures de lecture phonologique et orthographique. Les travaux de recherche ont mis en évidence de manière systématique une persistance de ces déficits à l'âge adulte. Pourtant, certains adultes dyslexiques parviennent à poursuivre et réussir des études post-secondaires. Ainsi, ces individus pourraient développer des stratégies de lecture adaptatives ou compensatoires leur permettant d'atteindre un niveau de compréhension en lecture similaire à des adultes normo-lecteurs. Les travaux conduits dans cette thèse visent à préciser la dynamique des mécanismes neurocognitifs impliqués dans l'établissement de stratégies de lecture adaptatives ou compensatoires chez l'adulte dyslexique universitaire. Les résultats de ces travaux de thèse suggèrent que la compensation des étudiants dyslexiques serait soutenue par le développement et l'utilisation des compétences sémantiques et principalement des compétences morphologiques, et supportent l'hypothèse d'une réorganisation cognitive et neuro-fonctionnelle de la lecture des adultes dyslexiques universitaires. / Dyslexia is a neurodevelopmental reading disorder that affects 6 to 8% of the population. It is characterized by severe deficits in written word recognition, affecting both phonological and orthographic reading procedures. Research has systematically shown that these deficits persist into adulthood. Nevertheless, some dyslexic adults successfully study at university level, suggesting that they developed adaptive or compensatory reading strategies which allow them to achieve a level of reading comprehension that is similar to those of adult skilled readers. This thesis aimed to precise the dynamics of neurocognitive mechanisms involved in the compensatory reading strategies of university students with dyslexia. Overall, the results confirmed the hypothesis that successful compensation in university students with dyslexia is achieved through a spatiotemporal reorganization of the reading network, and suggests that this compensation is supported by the development and use of semantic skills in general, morphological skills in particular. These findings support the hypothesis of a cognitive and neuro-functional reorganization of reading skills in university students with dyslexia.

Le toucher a un rôle critique dans notre vie quotidienne pour saisir, manipuler des objets, ou simplement marcher. Les aires primaires somatosensorielles présentent la particularité d'être organisées somatotopiquement, donnant lieu au dénommé Homunculus. Alors que la plupart de notre surface corporelle est représentée suivant un ordre similaire à sa continuité physique, l'Homunculus présente une discontinuité majeure, la main et le visage étant représentés côte à côte. La frontière main-visage a été souvent utilisée comme un repère pour étudier l'une des particularités les plus fascinantes de notre cerveau, sa capacité de réorganisation. En particulier, la plasticité somatosensorielle a été trouvée capable de traverser la frontière main-visage suite à une privation d'afférences. Alors qu'il est connu depuis longtemps que l'augmentation des afférences conduit également à des changements corticaux souvent associés à des bénéfices perceptifs, la possibilité qu'une telle plasticité puisse traverser la frontière main-visage reste inexplorée. Le travail de ma thèse a pour but d'examiner cette question. Une première étude comportementale a révélé que le fait d'augmenter les afférences d'un doigt améliore non seulement l'acuité tactile de ce doigt, mais aussi du visage, suggérant un transfert de changements plastiques au travers de la frontière main-visage. Afin d'examiner ceci, deux études supplémentaires ont été réalisées en utilisant deux techniques complémentaires d'imagerie cérébrales, à savoir l'IRMf et la MEG. En adéquation avec nos hypothèses, une réorganisation des représentations de la main et du visage a été trouvée. Dans l'ensemble, ce travail révèle qu'une plasticité adaptative menant à des bénéfices perceptifs peut se propager sur de larges distances corticales, en particulier au-delà de la frontière main-visage, et par conséquent ouvre une nouvelle fenêtre d'investigation pouvant avoir un réel impact dans la promotion de rééducation / Touch plays a critical role in our daily life to grasp and manipulate objects, or simply walk. The primary somatosensory areas exhibit the striking feature of being somatotopically organized, giving rise to the so-called Homunculus. While most of our body surface is represented following an order similar to its physical continuity, the Homunculus displays a major discontinuity, the hand and the face being represented next to each other. The hand-face border has been widely used as a somatotopic hallmark to study one of the most fascinating features of our brain, its capacity for reorganization. Particularly, somatosensory plasticity was found to cross the hand-face border following deprivation of inputs. While it has long been known that increasing inputs also leads to cortical changes typically associated with perceptual benefits, whether such plasticity can cross the hand-face border remains unknown. My thesis work aimed to investigate this question. A first behavioural study revealed that increasing inputs to a finger improves not only the tactile acuity at this finger, but also at the face, suggesting a transfer of plastic changes across the hand-face border. To investigate this, two additional studies were performed using two complementary brain imaging techniques, namely high-field fMRI and MEG. In agreement with our hypotheses a reorganization of both hand and face representations was found. Altogether, this work reveals that adaptive plasticity leading to perceptual benefits can spread over large cortical distances, in particular across the hand-face border, and thus opens up a new window of investigation that may have a real impact in promoting rehabilitation

La compréhension du fonctionnement du cerveau est un des défis majeurs des neurosciences. Pour appréhender cet organe in vivo de nombreux dispositifs sont développés, parmi eux l'électroencéphalographie (EEG). L'EEG mesure directement et d’une manière non invasive les signaux du cerveau avec une haute résolution temporelle. L’activation électrique d’une région dans le cerveau est modélisée par un dipôle de courant. Le principal objectif de l’EEG est le suivi de l'activité cérébrale pendant une tâche spécifique et la localisation/reconstruction des dipôles sources dans le cerveau. Il est utilisé à la fois dans la pratique et dans les recherches en neuroscience. Le processus de localisation des sources implique la résolution d'un problème inverse qui nécessite des modèles de la solution du problème direct. Le problème direct concerne la prédiction du potentiel électrique, résultant de l'activité cérébrale, sur le scalp à partir d'une répartition des sources données dans le cerveau. La précision de la localisation des sources dépend largement des performances de la solution du problème direct, qui est liée à la précision du modèle de tête, du modèle des sources ainsi que de la méthode de résolution du problème direct. Actuellement en pratique, pour des raisons de simplicité de calcul et de rapidité, les algorithmes EEG utilisent principalement le modèle de tête sphérique multicouche ou la méthode des éléments de frontière pour résoudre le problème direct. L’amélioration de la résolution en EEG nécessite l’utilisation de modèles de têtes plus réalistes qui prennent en considération d’avantages de paramètres tels que l’inhomogénéité et l’anisotropie des tissus. C’est pour ces raisons que la méthode des éléments finis (FEM) est la mieux adaptée et a attiré l’attention de plusieurs chercheurs. Néanmoins, avec la discrétisation de la FEM, les sources peuvent présenter une singularité numérique, ceci impacte négativement la solution du problème direct. Afin de remédier à ce problème des techniques tel que la méthode directe, la méthode de soustraction et la méthode de Saint Venant sont utilisées pour traiter la singularité. Cependant, toutes ces méthodes montrent des instabilités numériques dans le cas de sources situées à proximité des interfaces des tissus du cerveau. Pour y remédier une amélioration a été apportée à la méthode de Saint Venant au cours de cette thèse. Le rapport donne un aperçu sur l’activité cérébrale, un rappel de la FEM, son application pour la résolution du problème direct en EEG, le traitement de la singularité numérique et des instabilités près des interfaces, puis une présentation de la version modifiée de Saint-Venant, proposée et mise en œuvre dans ce travail. Nous validerons les résultats de la méthode modifiée de Saint-Venant dans des modèles de têtes sphériques multicouches et des modèles à géométries réelles. Pour finir, on testera cette méthode dans les outils et logiciels actuellement utilisés dans la pratique pour la localisation des zones activé dans le cerveau et nous montrerons les améliorations qui peuvent être apportées en utilisant notre approche de la méthode de Saint Venant modifiée. / Understanding the brain functions is one of the major challenges of neuroscience. To apprehend this organ in vivo many devices are developed, among them the electroencephalography (EEG). EEG measures directly and noninvasively the brain signals with high time resolution. The electrical activation of a region in the brain is modeled by a current dipole. The main objective of the EEG is monitoring the brain activity during a specific task and the location/reconstruction of the dipole sources within the brain. It is used both in practice and in research in neuroscience. The source’s localization process consists of solving an inverse problem that requires models of the solution of the direct or forward problem. The forward problem is the prediction of the electric potential on the scalp from a distribution sources in the brain. The accuracy of the source’s localization depends largely on the performance of the forward problem’s solution, which is related to the accuracy of the head model, the source model and the related method used to solve the forward problem. Currently in practice for reasons of computational simplicity and speed, EEG codes use mainly the multilayered spherical head model or the boundary element method for solving the forward problem. Improving the EEG’s source localization requires the use of more realistic head models which take into account more parameters such as inhomogeneity and anisotropy of the tissues. For these reasons the finite element method (FEM) is best suited and attracted the attention of many researchers. Nevertheless, with the FEM discretization, the sources may bring a numerical singularity; this negatively impacts the solution of the forward problem. To treat this problem some techniques such as the direct method, the subtraction method and the method of Saint-Venant are developed. However, all these methods show numerical instabilities in the case from sources close to the interfaces of brain tissue. To remedy these instabilities a modification was made on the Saint-Venant’s method. The report provides an overview on brain activity, a reminder of the FEM, its application for solving the forward problem in EEG, processing to treat the numerical singularity of the source and the instability near interfaces using the modified method of the Saint-Venant. We validate the results of the modified Venant’s method in models of multilayered spherical head and models with real geometries. Finally, we will test this approach in tools and software currently used in practice for locating areas activated in the brain and shows the improvements that can be made using the method of modified Saint-Venant.

Dans les séries temporelles neurophysiologiques, on observe de fortes oscillations neuronales, et les outils d'analyse sont donc naturellement centrés sur le filtrage à bande étroite.Puisque cette approche est trop réductrice, nous proposons de nouvelles méthodes pour représenter ces signaux.Nous centrons tout d'abord notre étude sur le couplage phase-amplitude (PAC), dans lequel une bande haute fréquence est modulée en amplitude par la phase d'une oscillation neuronale plus lente.Nous proposons de capturer ce couplage dans un modèle probabiliste appelé modèle autoregressif piloté (DAR). Cette modélisation permet une sélection de modèle efficace grâce à la mesure de vraisemblance, ce qui constitue un apport majeur à l'estimation du PAC.%Nous présentons différentes paramétrisations des modèles DAR et leurs algorithmes d'inférence rapides, et discutons de leur stabilité.Puis nous montrons comment utiliser les modèles DAR pour l'analyse du PAC, et démontrons l'avantage de l'approche par modélisation avec trois jeux de donnée.Puis nous explorons plusieurs extensions à ces modèles, pour estimer le signal pilote à partir des données, le PAC sur des signaux multivariés, ou encore des champs réceptifs spectro-temporels.Enfin, nous proposons aussi d'adapter les modèles de codage parcimonieux convolutionnels pour les séries temporelles neurophysiologiques, en les étendant à des distributions à queues lourdes et à des décompositions multivariées. Nous développons des algorithmes d'inférence efficaces pour chaque formulations, et montrons que l'on obtient de riches représentations de façon non-supervisée. / In neurophysiological time series, strong neural oscillations are observed in the mammalian brain, and the natural processing tools are thus centered on narrow-band linear filtering.As this approach is too reductive, we propose new methods to represent these signals.We first focus on the study of phase-amplitude coupling (PAC), which consists in an amplitude modulation of a high frequency band, time-locked with a specific phase of a slow neural oscillation.We propose to use driven autoregressive models (DAR), to capture PAC in a probabilistic model. Giving a proper model to the signal enables model selection by using the likelihood of the model, which constitutes a major improvement in PAC estimation.%We first present different parametrization of DAR models, with fast inference algorithms and stability discussions.Then, we present how to use DAR models for PAC analysis, demonstrating the advantage of the model-based approach on three empirical datasets.Then, we explore different extensions to DAR models, estimating the driving signal from the data, PAC in multivariate signals, or spectro-temporal receptive fields.Finally, we also propose to adapt convolutional sparse coding (CSC) models for neurophysiological time-series, extending them to heavy-tail noise distribution and multivariate decompositions. We develop efficient inference algorithms for each formulation, and show that we obtain rich unsupervised signal representations.