Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Titre de l'écran-titre (visionné le 27 septembre 2023) / Il est bien établi que la consolidation d'une nouvelle habileté motrice survient hors ligne, c'est-à-dire sans pratique supplémentaire, entre les sessions de pratique (Robertson et al., 2004a). Il y a de plus en plus d'évidences que le sommeil joue un rôle essentiel dans ce processus de consolidation (King et al., 2017). Les réseaux neuronaux qui sous-tendent la consolidation en mémoire d'un apprentissage moteur pendant la pratique et pendant une période de sommeil ont été largement caractérisés (King et al., 2017), mais les dynamiques cérébrales associées à ce processus restent peu explorées. Des données de magnétoencéphalographie (MEG) ont été utilisées pour caractériser l'effet du sommeil sur les dynamiques cérébrales associées à la consolidation en mémoire d'un apprentissage moteur. Deux groupes de participants sains (n =33) ont été entrainés sur une tâche d'appuis-bouton séquentiels avec leur main non-dominante pendant que leur activité cérébrale était enregistrée en MEG. Les participants ont ensuite réalisé la même tâche dans la MEG durant une session de retest trois jours après l'entrainement initial. Durant la première nuit suivant la session d'entrainement initial, le premier groupe a dormi normalement (groupe SG), alors que le second groupe a été privé de sommeil (groupe SDG). Les données comportementales ont montré une plus grande amélioration de la performance durant le retest comparativement à l'entrainement initial chez le groupe SG seulement, confirmant que le sommeil améliore la consolidation en mémoire. Les analyses des données MEG ont révélé une modulation de l'activité oscillatoire bêta durant la pratique au niveau du cortex moteur primaire (M1) dans le groupe SG. Spécifiquement, nous avons observé une diminution de la désynchronisation reliée au mouvement durant le retest comparativement à l'entrainement initial. Durant les périodes de repos inter-pratique, soit les courtes périodes de repos (15s) entrecoupées entre les blocs de pratique, une augmentation de la synchronisation des oscillations bêta dans les aires pariétales a été observée durant la session de retest comparativement à l'entrainement initial pour le groupe SG seulement. Finalement, une corrélation positive a été observée entre les changements intersession de la performance et de l'activité oscillatoire cérébrale dans le groupe SG: plus l'amélioration de la performance était grande, plus la diminution de la désynchronisation bêta reliée au mouvement dans l'hippocampe était grande. Ces résultats suggèrent que le sommeil favorise la consolidation en mémoire d'un apprentissage moteur et module l'activité oscillatoire associée à la pratique et aux périodes de repos dans un réseau moteur, pariétal et hippocampique. / It is well-established that the consolidation of newly acquired motor skills occurs offline, i.e., without further task practice, between practice sessions (Robertson et al., 2004a). There is increasing evidence that sleep plays a critical role in the motor memory consolidation process (King et al., 2017). The neural networks underlying motor learning and sleep-related memory consolidation have been extensively characterized (King et al., 2017) but less is known about the oscillatory brain dynamics supporting these processes. Magnetoencephalography (MEG) was used to characterize the effect of post-learning sleep on the oscillatory dynamics associated with motor memory consolidation. Two groups of young healthy participants (n = 33) were trained on a sequential finger-tapping task with their left non-dominant hand while their brain activity was recorded with MEG. The participants then performed the same task during a retest session taking place in the MEG three days after the initial training. During the first night following the initial training session, one group of participants slept normally (SG group), while the other group was totally sleep-deprived (SDG group). The behavioral results show greater performance improvement from training to retest in the SG as compared to the SDG, suggesting that sleep is beneficial for motor memory consolidation. MEG data analysis revealed a modulation of practice-related beta (18-25 Hz) oscillatory activity over the primary motor cortex (M1) in the SG group. Specifically, we observed a decrease in movement-related desynchronization during task practice during retest as compared to training. During inter-practice rest periods, i.e., the short rest blocks (15s) interspersed between blocks of task practice, greater beta synchronization was observed over parietal regions during the retest as compared to the initial training session in the SG group. Finally, a positive correlation was observed between inter-session changes in performance and oscillatory brain activity in the SG, such that the greater the performance improvement, the greater the decrease in task-related beta desynchronization in the hippocampus. These results suggest that sleep promotes motor memory consolidation and modulates the oscillatory activity associated with both task practice and inter-practice rest periods in a motor-parietal-hippocampal network.

L'activité cérébrale, reliée spécifiquement à la rétention d'information en mémoire à court-terme tactile, a été investiguée à l'aide de l'enregistrement des champs magnétiques produits par l'activité neuronale générée durant la période de rétention par une tâche de mémoire tactile. Une, deux, trois ou quatre positions, sur une possibilité de huit sur les phalangines et les phalangettes, de la main gauche ou droite, lors de blocs d'essai différents, ont été stimulées simultanément. Le patron de stimulation tactile devait être retenu pendant 1800 ms avant d'être comparé avec un patron test qui était, soit identique, soit différent par une seule position. Nos analyses se sont concentrées sur les régions du cerveau qui montraient une augmentation monotone du niveau d'activité soutenu durant la période de rétention pour un nombre croissant de positions à retenir dans le patron de stimulation. Ces régions ont plus de chance de participer à la rétention active de l'information à maintenir en mémoire à court-terme tactile. Le gyrus cingulaire (BA32), le gyrus frontal supérieur droit (BA 8), le precuneus gauche (BA 7, 19), le gyrus postcentral gauche (BA 7), le gyrus precentral droit (BA 6), le gyrus frontal supérieur gauche (BA 6) et le lobule pariétal inférieur droit (BA 40) semblent tous impliqués dans un réseau mnésique qui maintient les informations sensorielles tactiles dans un système de mémoire à court-terme spécialisé pour l'information tactile. / Brain activity specifically related to the maintenance of information held in tactile short-term memory was investigated, using recordings of magnetic fields from a whole-head magnetometer. This neuronal activity was measured during the retention interval of a tactile memory task. One, two, three, or four locations on distal and intermediate phalanges, out of eight positions, were simultaneously stimulated on the left or right hand in different blocks of trials. The tactile stimulation pattern was held in memory for 1800 ms before being compared with a test pattern that was either the same or different by one location. Our analyses focused on regions in the brain that showed a monotonic increase of the sustained activity levels during the retention interval with an increasing number of stimulated locations in the to-be-remembered pattern. These regions are the most likely to participate in the active retention of the information to be held in tactile sensory memory. The right cingular gyrus (BA 32), the right superior frontal gyrus (BA 8), the left precuneus (BA 7, 19), the left postcentral gyrus (BA 7), the right precentral gyrus (BA 6), the left superior frontal gyrus (BA 6) and the right inferior parietal lobule (BA 40) all appear to be involved in a memory system that maintains tactile sensory input in a short-term memory system specialized for tactile information.

Le temps peut être à la fois une dimension structurant l’organisation de la perception et un contenu de la conscience, ce qui en fait un objet d’étude crucial pour comprendre la cognition humaine. Le but de cette thèse est de déterminer dans quelle mesure l’ordonnancement temporel de l’information est lié à l’ordre perçu (explicite ou implicite) des évènements. Le premier axe d’étude s’intéressant au temps comme contenu conscient montre que l’ordre temporel est un biais psychologique indépendant de l’attention. Une étude complémentaire en magnétoencéphalographie a révélé que les participants ayant les plus larges biais (c.à.d. que leur perception de la simultanéité correspond à une large désynchronisation physique) montrent aussi les plus larges fluctuations de la puissance des oscillations alpha spontanées lorsque la perception de l’ordre est contrastée pour un même délai physique. Ces oscillations sont donc proposées comme moyen pour compenser un biais individuel. Le deuxième axe de recherche explore comment le temps façonne implicitement la perception d’une séquence visuelle, par l’étude de la postdiction, c.à.d. quand des informations plus tardives influencent la représentation d’informations antérieures. Dans l’illusion du Lapin, un flash intermédiaire est mal localisé à cause de la régularité temporelle de la séquence. Nous avons montré que percevoir l’illusion active des régions parieto-centrales après la fin de la séquence. Ces résultats suggèrent que des régions de haut niveau pourraient contribuer à la reconstruction postdictive d’une séquence visuelle, en accord avec l’hypothèse que l’illusion dépend d’une connaissance préalable sur la vitesse d’un stimulus. / Time in the brain can be considered both as a dimension structuring the organization of perception and as a conscious content: this confers to time a particular flavor that makes it a paramount object of study to understand the basis of human cognition. The present thesis aims at empirically determining to which extent the temporal ordering of information relates to the perceived order of events, both implicitly and explicitly. First, we investigated how time may become an explicit conscious content by showing that temporal order is a psychological bias, independent of attention. A follow-up magnetoencephalography study revealed that participants having a large order bias (i.e. their perceived synchrony corresponds to a large physical asynchrony) also showed the largest fluctuations in ongoing alpha power when perceived orders were contrasted for a given physical asynchrony. Alpha oscillations are herein argued to be a means to compensate for an individual internal bias. Second, we investigated how time implicitly shaped the perception of visual sequences by studying postdiction, i.e. when late inputs strikingly influence the representation of earlier information. In the Rabbit illusion, the intermediate flash of a visual sequence is spatially mislocalized due to the temporal regularity of the sequence. We showed that parieto-frontal regions were more activated following the presentation of the full sequence when the illusion was perceived. These results suggest that high-order regions may contribute to the postdictive reconstruction of a visual sequence, consistently with the hypothesis that the illusion is shaped by prior knowledge on a stimulus speed.

L'expression faciale de peur constitue un important vecteur d'information sociale mais aussi environnementale. En condition naturelle, les visages apeurés apparaissent principalement dans notre champ visuel périphérique. Cependant, les mécanismes cérébraux qui sous-tendent la perception de l'expression faciale de peur en périphérie restent largement méconnus. Nous avons démontré, grâce à des études comportementales, des enregistrements magnétoencéphalographiques et intracrâniens, que la perception de l'expression faciale de peur est efficace en grande périphérie. La perception de la peur en périphérie génère une réponse rapide de l'amygdale et du cortex frontal, mais également une réponse plus tardive dans les aires visuelles occipitales et temporales ventrales. Le contrôle attentionnel est capable d'inhiber la réponse précoce à l'expression de peur, mais également d'augmenter les activités postérieures plus tardives liées à la perception des visages. Nos résultats montrent non seulement que les réseaux impliqués dans la perception de la peur sont adaptés à la vision périphérique, mais ils mettent également en avant une nouvelle forme d'investigation des mécanismes de traitement de l'expression faciale, pouvant conduire à une meilleure compréhension des mécanismes de traitement des messages sociaux dans des situations plus écologiques.

L'activité neurovégétative est un corrélat de la charge mentale et émotionnelle, même lorsque les stimulations sontbrèves et de faible intensité. Elle est notamment sensible à la difficulté perçue mais aussi à une forme particulièred'induction affective, l'injustice. Par conséquent, nous avons utilisé ces mesures neurovégétatives comme variablesdépendantes de la charge mentale/émotionnelle subie par les conducteurs automobiles, dans des conditions plus oumoins astreignantes.Un freinage appuyé induit des réponses neurovégétatives longues et amples, corrélat d'une charge importante. Lafocalisation de l'attention est élevée dans des situations de conduite stressantes, nécessaire pour répondre auchangement possible de la couleur d'un feu tricolore.Nous avons montré, à partir d'enregistrements magnétoencéphalographiques, que sous forte contrainte temporelle,les conducteurs qui avaient tendance à enfreindre les feux présentaient une activation plus élevée au niveau ducortex dorsolatéral gauche. Ils opéraient en permanence un compromis entre le respect simultané du code de laroute et des consignes expérimentales ce qui complexifiait la sélection de la réponse motrice.L'activité végétative s'avère être un témoin fiable de l'activité centrale. L'activation du cortex cingulaire antérieurgauche semble être à l'origine d'une diminution de l'activité électrodermale et cardiaque.Du fait de l'altération de leurs capacités cognitives, les seniors pourraient devenir anxieux face à des situations deconduite pourtant considérées comme anodines pour les plus jeunes. Il est nécessaire de leur dispenser desrecommandations simples afin qu'ils abordent la route plus sereinement.

L'activité cérébrale, reliée spécifiquement à la rétention d'information en mémoire à court-terme tactile, a été investiguée à l'aide de l'enregistrement des champs magnétiques produits par l'activité neuronale générée durant la période de rétention par une tâche de mémoire tactile. Une, deux, trois ou quatre positions, sur une possibilité de huit sur les phalangines et les phalangettes, de la main gauche ou droite, lors de blocs d'essai différents, ont été stimulées simultanément. Le patron de stimulation tactile devait être retenu pendant 1800 ms avant d'être comparé avec un patron test qui était, soit identique, soit différent par une seule position. Nos analyses se sont concentrées sur les régions du cerveau qui montraient une augmentation monotone du niveau d'activité soutenu durant la période de rétention pour un nombre croissant de positions à retenir dans le patron de stimulation. Ces régions ont plus de chance de participer à la rétention active de l'information à maintenir en mémoire à court-terme tactile. Le gyrus cingulaire (BA32), le gyrus frontal supérieur droit (BA 8), le precuneus gauche (BA 7, 19), le gyrus postcentral gauche (BA 7), le gyrus precentral droit (BA 6), le gyrus frontal supérieur gauche (BA 6) et le lobule pariétal inférieur droit (BA 40) semblent tous impliqués dans un réseau mnésique qui maintient les informations sensorielles tactiles dans un système de mémoire à court-terme spécialisé pour l'information tactile. / Brain activity specifically related to the maintenance of information held in tactile short-term memory was investigated, using recordings of magnetic fields from a whole-head magnetometer. This neuronal activity was measured during the retention interval of a tactile memory task. One, two, three, or four locations on distal and intermediate phalanges, out of eight positions, were simultaneously stimulated on the left or right hand in different blocks of trials. The tactile stimulation pattern was held in memory for 1800 ms before being compared with a test pattern that was either the same or different by one location. Our analyses focused on regions in the brain that showed a monotonic increase of the sustained activity levels during the retention interval with an increasing number of stimulated locations in the to-be-remembered pattern. These regions are the most likely to participate in the active retention of the information to be held in tactile sensory memory. The right cingular gyrus (BA 32), the right superior frontal gyrus (BA 8), the left precuneus (BA 7, 19), the left postcentral gyrus (BA 7), the right precentral gyrus (BA 6), the left superior frontal gyrus (BA 6) and the right inferior parietal lobule (BA 40) all appear to be involved in a memory system that maintains tactile sensory input in a short-term memory system specialized for tactile information.

The brain consists of spatially distinct areas, which underlie different aspects of human behavior. Using advanced neuroimaging technology and neurocomputational analysis methods, researchers have been able to uncover the functional roles of many of these areas and how they are interconnected both structurally and functionally to produce actions, sensations and cognitions which allow us to navigate our lives. In more recent years, it has been discovered that these brain networks also underlie the healthy functioning of the brain while it is at rest, i.e. awake but not performing any explicit or goal-directed tasks. Changes in these resting-state networks (RSNs) have been implicated in a number of neurological and psychiatric disorders, indicating that their degradation may play a role in the diverse loss of sensory, motor or cognitive functions associated with these.In this thesis, we introduce some new guidelines for capturing the electrophysiology of RSN structures using magnetoencephalography (MEG), a non-invasive neuroimaging technique which directly measures the magnetic fields associated with the synchronized electrical neural activity underlying these connections. Using MEG, we are able to consider these complex communication structures with great spatial and temporal resolution and probe how they are altered in multiple sclerosis (MS), a disease defined in part by both the degradation of the structures connecting different brain areas and by impairments across a wide spectrum of cognitive functions. However, in order to achieve this, there are methodological and analytical issues that must be dealt with.This thesis is separated into three introductory chapters and three research chapters. The introductory chapters outline the relevant theoretical bases that are not covered in the specific research chapters, while each of the research chapters contain a study undertaken as part of the thesis. Additionally, some research chapters start with an additional introductory prologue which expands on relevant ideas or concepts that are used but not fully explained in the corresponding papers.This thesis contains three empirical studies. In the first, we investigated the differential impact of source reconstruction methods and MEG system type on resting state functional connectivity (rsFC). The results showed that the choice of source reconstruction algorithm has a substantial impact on the uncovered rsFC in the posterior default mode network (DMN). Specifically, this was shown to be due to a suppression of the source activity in this region when using a Beamformer rather than minimum norm estimation (MNE) for source reconstruction. Through exploring this effect this we also made a novel discovery about a linear synchronization structure within the posterior DMN. This also led us to recommend the use of MNE when conducting MEG rsFC studies involving the DMN, representing a novel and important result regarding best practice recommendations for the field as a whole and for the subsequent studies in this thesis.In the second study, we set out to distinguish intrinsic, i.e. task-invariant, and extrinsic, i.e. task-dependent, functional connectivity (FC) using a large data set containing MEG data from more than a hundred participants acquired during several different tasks with multiple task levels, as well as during rest, We were able to demonstrate that the human brain operates using two distinct modes of neuronal integration in parallel, i.e. intrinsic FC in the form of amplitude FC and extrinsic FC in the form of phase FC. These results are important both in that they establish a new conceptual framework for functional integration in the human brain and in that they highlight a potentially fuzzy distinction between resting-state and task-related FC, which can be better approached using this novel intrinsic/extrinsic formulation. Having established the existence of an intrinsic functional integration structure in amplitude FC among brain regions, in the third study we investigated how amplitude rsFC is altered in brain disease, here represented by patients with MS. We showed that patients with MS display specific alterations in amplitude FC, particularly involving the DMN and sensorimotor (SMN) networks, compared to healthy participants. Additionally, we showed that the degree of disease-related physical disability was associated with specific motor-related amplitude rsFC changes, and that variations in cognitive task performance and neuropsychological scores were different between patients and healthy subjects on scores which were significantly different between the groups. These results demonstrate the ability of intrinsic/amplitude FC to characterize functional changes in clinical populations that are associated with specific disability-related and neuropsychological outcomes. / Le cerveau se compose de différentes zones fonctionnelles spatialement distinctes, qui sous-tendent différents aspects du comportement humain. En utilisant une technologie avancée de neuroimagerie et des méthodes d'analyse neurocomputationnelle, les neuroscientifiques ont caractérisé les rôles fonctionnels d’un bon nombre de structures cérébrales (i.e. la spécialisation fonctionnelle) et comment elles sont interconnectées à la fois structurellement et fonctionnellement (i.e. l’intégration fonctionnelle) pour produire les actions motrices, les sensations et les fonctions cognitives qui nous permettent de naviguer dans nos vies. Ces dernières années, les techniques de neuroimagerie ont également démontré que ces réseaux cérébraux fonctionnels sous-tendent également le bon fonctionnement du cerveau lorsqu'il est « au repos », c'est-à-dire qu'il n'effectue aucune tâche explicite ou ciblée. Des modifications de ces réseaux « de l’état de repos » (RSN) ont été impliquées dans un certain nombre de pathologies neurologiques ou psychiatriques, indiquant que leur altération peut jouer un rôle dans les déficits de fonctions sensorielles, motrices ou cognitives présentées par les patients.Dans cette thèse, nous introduisons de nouvelles lignes directrices pour investiguer l'électrophysiologie des RSN à l'aide de la magnétoencéphalographie (MEG), une technique de neuroimagerie non invasive qui mesure directement les champs magnétiques associés à l'activité neuronale électrique. Nous avons premièrement déterminé comment les choix méthodologiques au niveau de la reconstruction de sources en MEG influence les résultats de l’estimation de l’intégration fonctionnelle cérébrale. Ensuite, nous avons été en mesure d’étudier l’intégration fonctionnelle au sein des RSNs avec une grande résolution spatiale et temporelle, et ainsi, de déterminer les processus neurophysiologiques à l’origine de l’intégration fonctionnelle « intrinsèque » (i.e. indépendante d’une tâche ou de ce que le sujet fait) et « extrinsèque » (i.e. influencée ou modulée par une tâche). Nous avons démontré que l’intégration fonctionnelle intrinsèque repose sur le couplage de l’enveloppe (ou amplitude) de l’activité rythmique cérébrale alors que l’extrinsèque repose sur le couplage de phase de cette activité. Enfin, nous avons déterminé comment l’intégration fonctionnelle intrinsèque est altérée dans la sclérose en plaques (SEP), une maladie caractérisée en partie par la dégradation des connexions reliant différentes zones cérébrales et par des altérations variables des fonctions cognitive. Nous avons pu démontrer que le handicap moteur et certains troubles cognitifs (fatigue, cognitiven fluence verbale) sont associés à des altérations de l’intégration fonctionnelle intrinsèque de RSNs spécifiques. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’activité neurovégétative est un corrélat de la charge mentale et émotionnelle, même lorsque les stimulations sontbrèves et de faible intensité. Elle est notamment sensible à la difficulté perçue mais aussi à une forme particulièred’induction affective, l’injustice. Par conséquent, nous avons utilisé ces mesures neurovégétatives comme variablesdépendantes de la charge mentale/émotionnelle subie par les conducteurs automobiles, dans des conditions plus oumoins astreignantes.Un freinage appuyé induit des réponses neurovégétatives longues et amples, corrélat d’une charge importante. Lafocalisation de l’attention est élevée dans des situations de conduite stressantes, nécessaire pour répondre auchangement possible de la couleur d’un feu tricolore.Nous avons montré, à partir d’enregistrements magnétoencéphalographiques, que sous forte contrainte temporelle,les conducteurs qui avaient tendance à enfreindre les feux présentaient une activation plus élevée au niveau ducortex dorsolatéral gauche. Ils opéraient en permanence un compromis entre le respect simultané du code de laroute et des consignes expérimentales ce qui complexifiait la sélection de la réponse motrice.L’activité végétative s’avère être un témoin fiable de l’activité centrale. L’activation du cortex cingulaire antérieurgauche semble être à l’origine d’une diminution de l’activité électrodermale et cardiaque.Du fait de l’altération de leurs capacités cognitives, les seniors pourraient devenir anxieux face à des situations deconduite pourtant considérées comme anodines pour les plus jeunes. Il est nécessaire de leur dispenser desrecommandations simples afin qu’ils abordent la route plus sereinement. / Autonomic activity is a correlate of mental and emotional load, even when stimulations are brief and of low intensity.This activity is especially sensitive to the perceived difficulty, but also to a particular form of emotional induction, theinjustice. Therefore, we used these autonomic measures as dependent variables of mental/emotional loadundergone by drivers, under more or less demanding conditions.A heavy braking elicited long and ample autonomic responses, correlate of a strong load. The focus of attention wasgreater in stressful driving conditions, needed to get ready to respond to the possible change of the color of thetraffic light.We showed, from magnetoencephalographic recordings, that under high time pressure, drivers who tended to breakthe lights showed higher activation in the left dorsolateral prefrontal cortex. They continuously operated a trade-offbetween the simultaneous respect of the traffic law and of the experimental instructions thus making the motorresponse selection harder.We also evidenced that the autonomic activity reliably paralleled the central activity. The activation of the leftanterior cingulate cortex decreased both electrodermal and cardiac activities.Due to their impaired cognitive abilities, ageing citizens might become anxious during driving situations consideredbenign by young drivers. It is necessary to provide them simple recommendations in order that they address the roadmore serenely.