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

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une technique de stimulation corticale non-invasive.Depuis son apparition au milieu des années 1980, les évolutions technologiques qu’elle a connues ontconsidérablement amélioré sa fiabilité, sa précision ainsi que sa reproductibilité. Ces progrès ont favorisél’émergence d’un grand nombre d’applications, tant dans le domaine de la recherche fondamentale enneurosciences cognitives que dans celui de la recherche clinique. Cette thèse a pour objectif d’étudierles apports méthodologiques et fondamentaux de la TMS robotisée, dernière avancée technologique dudomaine. Grâce à un placement et un suivi automatisés de la bobine de stimulation, la TMS robotiséeouvre en effet la voie à l’automatisation des protocoles, ainsi qu’à l’élaboration de nouvelles approchesen neuroimagerie fonctionnelle. Les deux premières études de ce travail abordent ce premier point, enproposant le développement de deux outils nécessaires à l’automatisation du paramétrage des protocolesde TMS : CortExTool et AutoHS. CortExTool est une boîte à outils qui permet l’analyse automatisée dessignaux électromyographiques évalués durant le paramétrage, et AutoHS un modèle bayésien assurantune recherche automatique du point chaud moteur, étape essentielle de la procédure. Testée sur donnéesvirtuelles et comparée expérimentalement à la pratique manuelle d’experts sur 19 volontaires sains, laprocédure automatisée proposée ici apparaît au moins aussi fiable, tout en étant plus rapide et repro-ductible. La troisième et dernière étude de cette thèse s’attache quant à elle aux apports fondamentauxpossibles de cette technologie. Elle propose un protocole qui permet la cartographie extensive des ré-ponses électroencéphalographiques évoquées par la TMS sur 18 aires corticales réparties sur l’ensembledu néocortex. Appliquée sur 22 volontaires sains, l’analyse des propriétés dynamiques de ces réponses faitapparaître des spécificités régionales ainsi que des réseaux corticaux partageant des propriétés communes.Celles-ci étant liées aux caractéristiques cytoarchitecturales des aires stimulées, nos résultats apportent lapreuve de concept pour la cytoarchitectonie fonctionnelle, qui pourrait aboutir à une nouvelle méthodede parcellisation in vivo du cortex chez l’Homme. L’ensemble des résultats de cette thèse confirme l’intérêtde la robotisation de cette technique, qui pourrait à terme faciliter la mise en œuvre des protocoles par lescentres cliniques, et amener de nouveaux outils d’exploration fonctionnelle pour un meilleur diagnosticdes pathologies psychiatriques et neurologiques. / Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is a non invasive cortical stimulation tool. Major technologicalevolution has continuously increased the spatial reliability and reproducibility of TMS since its beginningin the middle of the 80’s, by minimizing the influence of human and experimental factors. Therefore, TMSestablished itself as a powerful technique for probing and treating the human brain. The aim of this thesisis to study the methodological and basics contribution of robotized TMS, as being the last technologicaladvance to date. By means of the automatic handling of the TMS coil, robotized TMS opens new avenues forthe automation of stimulation protocol, and to new approaches in functional neuroimaging. The two firststudies of this work aim at developing two tools that are still needed to achieve the automation of set-upprocedures of TMS protocols : CortExTool and AutoHS. CortExTool is a toolbox allowing the automaticanalysis of electromyographic signals, while AutoHS is a Bayesian model aiming at automatically finding themotor hotspot, which are two critical ingredients used during such procedures. We validated our automaticset-up procedure on both virtual and real data, during an experimental comparison against manual set-upprocedures on 19 healthy volunteers. Results showed that the automatic procedure was at least as reliableas the manual one, while being faster and more reproducible. The third and last study of this thesis aimed atexploring new basics approaches offered by this technology. We developed a protocol allowing the extensivemapping of evoked electroencephalographic responses on 18 cortical targets covering the whole neocortex,and tested it on 22 healthy volunteers. The analysis of the dynamical properties of these responses revealedregional specificities as well as cortical networks sharing similar properties. Our results provide the proofof concept of functional cytoarchitectonics, that would guide the parcellation of the human cortex in vivobased on its intrinsic responses to local perturbations. The results of this thesis are promising regarding thenew possibilities offered by robotized TMS. Its use could decrease the experimental variability, facilitatethe handling of TMS protocols used for research and clinical routine, and finally offer new functionalexploration approaches that could allow a better diagnosis of psychiatric and neurological pathologies.

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

La compréhension du fonctionnement cérébral passe par l'étude des relations entre les structures cérébrales et les fonctions cognitives qu'elles implémentent. Les études en activation, qui permettent d'obtenir, grâce aux techniques de neuroimagerie fonctionnelle, des données sur l'activité cérébrale pendant l'accomplissement d'une tâche cognitive, visent à étudier ces liens. Ces études, ainsi que de nombreux travaux chez l'animal, suggèrent que le support neurologique des fonctions cognitives est constitué de réseaux à grande échelle d'aires corticales et de régions sous-corticales interconnectées. Cependant, la mise en correspondance simple entre réseaux activés et tâche accomplie est insuffisante pour comprendre comment l'activation découle du traitement de l'information par le cerveau. De plus, le traitement cérébral est très complexe, et les mesures fournies par la neuroimagerie sont incomplètes, indirectes, et de natures différentes, ce qui complique grandement l'interprétation des données obtenues. Un outil de modélisation explicite des mécanismes de traitement et de propagation de l'information cérébrale dans les réseaux à grande échelle est nécessaire pour palier ces défauts et permettre l'interprétation des mesures de l'activité cérébrale en termes de traitement de l'information. Nous proposons ici un formalisme original répondant à ces objectifs et aux contraintes imposées par le système à modéliser, le cerveau. Il est basé sur une approche graphique causale et probabiliste, les réseaux bayésiens dynamiques, et sur une représentation duale de l'information. Nous considérons le cerveau comme un ensemble de régions fonctionnelles anatomiquement interconnectées, chaque région étant un centre de traitement de l'information qui peut être modélisé par un noeud du réseau bayésien. L'information manipulée dans le formalisme au niveau d'un noeud est l'abstraction du signal généré par l'activité de la population neuronale correspondante. Ceci nous conduit à représenter l'information cérébrale sous la forme d'un couple numérique/symbolique, permettant de tenir compte respectivement du niveau d'activation et de la configuration des neurones activés. Ce travail se situe dans le prolongement d'un projet visant à développer une approche causale originale pour la modélisation du traitement de l'information dans des réseaux cérébraux à grande échelle et l'interprétation des données de neuroimagerie. L'aspect causal permet d'exprimer explicitement des hypothèses sur le fonctionnement cérébral. Notre contribution est double. Au niveau de l'intelligence artificielle, l'utilisation de variables aléatoires labellisées dans des réseaux bayésiens dynamiques nous permet de définir des mécanismes d'apprentissage non-supervisés originaux. Sur le plan des neurosciences computationnelles, nous proposons un nouveau formalisme causal, plus adapté à la représentation du fonctionnement cérébral au niveau des réseaux d'aires que les réseaux de neurones formels, et présentant plus de plausibilité biologique que les autres approches causales, en particulier les réseaux causaux qualitatifs.

L’objectif de cette thèse a été de comprendre les mécanismes cérébraux associés aux symptômes du trouble de stress post-traumatique (TSPT), ainsi que les mécanismes cérébraux modulés par la disparition des symptômes, en utilisant la thérapie de désensibilisation et de retraitement de l’information par les mouvements oculaires (Thérapie EMDR). Cette thérapie associe rappel du traumatisme et stimulations bilatérales alternées (SBA). Premièrement, en utilisant l’IRM fonctionnelle (IRMf), nous avons mis en évidence une altération de l’activité fonctionnelle du système de récompense dans le TSPT, correspondant à une mobilisation déséquilibrée des processus motivationnels cognitifs et hédoniques (étude 1). Deuxièmement, par l’intermédiaire d’une étude en IRMf au repos, nous avons montré que les patients présentent des altérations de connectivité fonctionnelle entre un réseau neuronal impliqué dans les processus mnésiques et émotionnels, et un réseau neuronal impliqué dans les processus attentionnels (étude 2). Troisièmement, nous avons montré que les structures initialement altérées par la pathologie évoluent après rémission symptomatique, suggérant un rétablissement des altérations neuronales induites par le stress chronique (étude 3). Enfin, nous avons montré que les SBA employées dans la thérapie EMDR facilitent l’extinction de la peur ainsi que la récupération de cette extinction au sein d’un groupe de volontaires sains (étude 4). Ainsi, ces travaux offrent de nouvelles perspectives en termes de modélisation de la pathologie, et offre de nouvelles pistes de réflexion quant à la prise en charge thérapeutique de ce trouble. / Posttraumatic Stress Disorder (PTSD) is a debilitating psychiatric disorder that arises in the aftermath of a traumatic event. To date, the Eye Movement Desensitization and Reprocessing therapy (EMDR) therapy has shown to be the most efficient therapy for the treatment of PTSD. The aim of this thesis was therefore to understand neural mechanisms underlying PTSD and its recovery. To do so, we conducted four studies. In a first study, we showed alterations in the reward circuit activity in PTSD patients, which may underlie an imbalance mobilization of cognitive and hedonic motivational processes, possibly contributing to emotional numbing in PTSD (study 1). Following this, an altered resting state functional connectivity between a network associated with attentional processes and another associated with emotional and memory processes was also found, suggesting an atypical emotional regulation and attention processing (study 2). A third study showed changes of grey matter density in regions involved in emotional regulation after symptoms remission by EMDR therapy. Finally, we were also able to replicate, in PTSD patients, the fear extinction and fear extinction recall facilitation by bilateral alternating stimulations (BAS) a major component of EMDR therapy, previously demonstrated in animal studies. Taken together, the present findings of these studies contribute to enlarge our knowledge, opening new ways of thinking the actual model of explaining the PTSD. More importantly, we believe that our findings may contribute to improve therapeutic strategies to significantly ameliorate the life of these patients.

Le vieillissement cérébral normal est caractérisé par un déclin progressif de la capacité de traitement des informations en particulier dans le système de la mémoire de travail. Il apparaît donc essentiel d'explorer l'organisation corticale cérébrale sous-jacente au mécanisme de la mémoire de travail dont l'évaluation est rendu possible par l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Les objectifs de notre travail ont consisté à identifier, dans une large cohorte d'individus âgés en bonne santé, les réorganisations des réseaux neuronaux en relation avec (i) l'augmentation de la difficulté d'une tâche de mémoire de travail, (ii) l'âge des individus au cours de la tâche et (iii) la performance de la tâche pendant un état de repos. Trois cent quatre-vingt participants âgés (82 ans, 56% femmes) issus de la cohorte des Trois Cités de Montpellier ont été sélectionnés pour réaliser un examen d'IRMf comprenant une tâche de DIR (reconnaissance d'item en élément différé) et un état de repos. La tâche de DIR s'organisait en trois phases : (i) présentation – une, trois ou six lettres – (ii) rétention – écran blanc – et (iii) réponse – après la présentation d'une lettre cible, le participant indique si cette lettre cible faisait partie ou non de l'ensemble de départ. Dans une première partie, après avoir localisé les régions activées lors des trois phases de la tâche, nos analyses de covariance ont pu identifier, simultanément à la difficulté croissante de la tâche, une augmentation de l'activation dans les réseaux du central exécutif et de saillance pendant les trois phases de la tâche ainsi qu'une diminution dans le réseau du mode par défaut pendant la phase de stimulation et dans les régions limbiques et des ganglions de la base pendant la phase de rétention. Ces résultats suggèrent une interaction entre les réseaux d'augmentation et de diminution. Dans une deuxième partie, nous avons exploré l'effet de l'âge sur l'augmentation de l'activité simultanément avec la difficulté croissante de la tâche. Pendant la phase de stimulation, une réduction de l'activation dans le lobule pariétal gauche a été identifiée chez les individus très âgés par rapport aux individus âgés jeunes suggérant la mise en jeu d'un décalage antéro-postérieur lorsque l'âge augmente. Dans une troisième partie, les réseaux impliqués dans la mémoire de travail (central exécutif, saillance et mode par défaut) ont été mis en évidence pendant l'état de repos. Notre travail a montré que la connectivité fonctionnelle et la performance sont corrélées par : (i) une réduction au sein des réseaux de saillance et du mode par défaut suggérant une altération des processus mémoriels et attentionnels et (ii) une augmentation au sein du réseau du central exécutif évoquant l'implication d'un processus compensatoire. L'ensemble de ces résultats indiquent la présence de réorganisations cérébrales des réseaux neuronaux (saillance, central exécutif et mode par défaut) sous-tendant la mémoire de travail au cours du vieillissement cérébral normal. / Normal brain aging is characterized by a progressive decline in information processing ability in particular in the system of working memory. Therefore, it is essential to examine neural substrates underlying the working memory system which can be assessed by functional magnetic resonance imaging (fMRI). The aim of our work is to explore, in a large cohort of healthy elderly individuals, reorganizations in the networks in relation to (i) increase task load during a DIR (delayed item recognition) task, (ii) age during increase DIR task load and (iii) the performance in the DIR task during a resting state. Three hundred and eighty elderly participants (82 years, 56% women) from the Three-City cohort in Montpellier have been selected to perform an fMRI exam including a DIR task and a resting state. DIR task consisted of three phases: (i) stimulation – presentation of one, three or six letters - (ii) retention - blank screen to hold the stimulus items in mind - and (iii) probe - after the presentation of a target letter, the participant indicates whether or not this probe matched a letter in the study array. In the first work, using a covariance analysis, we observed, when the difficulty of the DIR task increases, simultaneously increased activation in salience and central executive networks during three phases separately of the DIR task and decreased activation in DMN during stimulation phase and in limbic regions and deep grey nuclei during retention phase. It may be hypothesized that salience and central executive networks interact in a complex way with DMN and limbic regions and deep grey nuclei. In the second work, age effects on load-dependent increases activations of the task were explored. Reduced activation in the left parietal lobe was identified in very old individuals compared to young old individuals during the stimulation phase suggesting an involvement of posterior–anterior shift with increasing age. In the third work, networks implicated in working memory (central executive, salience and the default mode networks) were highlighted by independent component analysis during the resting state. Our findings have confirmed that the functional connectivity and performance are related by: (i) a decreased in the both salience and the default mode networks and (ii) an increased in the central executive network. We can suggest that the decreased functional connectivity within the salience and the default mode networks could be due attentional and memory processes alterations and/or altered motivation. The increased functional connectivity within the central executive network could be related to compensatory mechanisms meanwhile elders would perform more poorly. All of these studies indicate that brain reorganizations of neural networks (salience, central executive and default mode) underlying working memory in normal brain aging.

No description available.

Le trouble comportemental en sommeil paradoxal (TCSP) se caractérise par une perte de l’atonie musculaire en sommeil paradoxal et par des manifestations motrices élaborées souvent associées au contenu onirique. Le TCSP peut apparaître sous une forme idiopathique (TCSPi), mais il est fréquemment lié à certains désordres neurodégénératifs, dont les synucléinopathies. Des marqueurs biologiques des synucléinopathies, tels que la présence d’anomalies au plan de la motricité, de la détection des odeurs ainsi que de la discrimination des couleurs, ont été retrouvés dans le TCSPi. De plus, des perturbations de l’activité cérébrale en neuroimagerie ainsi que du fonctionnement cognitif ont été observées chez ces patients. Des études ont démontré que le TCSPi pouvait précéder l’apparition d’une maladie de Parkinson (MP) ou d’une démence à corps de Lewy (DCL). Ceci suggère que le TCSPi représenterait un facteur de risque des synucléinopathies. L’objectif principal du présent projet est d’étudier les anomalies du débit sanguin cérébral régional (DSCr) de repos avec la tomographie par émission monophotonique (TEM) dans le TCSPi. Deux études ont été réalisées. La première visait à comparer le DSCr entre des patients avec un TCSPi et des sujets sains, puis d’explorer la relation entre l’activité cérébrale et la présence de marqueurs biologiques des synucléinopathies. Les résultats ont montré une diminution de la perfusion cérébrale dans les régions frontales et pariétales ainsi qu’une augmentation de la perfusion au niveau du pont, du putamen et des hippocampes chez les patients avec un TCSPi. Une relation significative entre la performance des sujets avec un TCSPi à une épreuve de discrimination des couleurs et la perfusion cérébrale au niveau des régions frontales et occipitales a été mise en évidence. Dans l’ensemble, ces résultats ont démontré des anomalies du DSCr chez les patients avec un TCSPi qui sont similaires à celles observées par d’autres études en neuroimagerie dans la MP. Ceci suggère des atteintes neuroanatomiques semblables entre ces pathologies. La seconde étude en TEM a été effectuée dans le but d’examiner les modifications du DSCr associées aux perturbations du fonctionnement cognitif dans le TCSPi. Pour ce faire, le DSCr a été comparé entre un sous-groupe de patients avec un TCSPi et un trouble cognitif léger (TCL), un sous-groupe de patients avec un TCSPi sans TCL et un groupe de sujets sains. Les résultats ont montré que seuls les patients avec un TCSPi et un TCL présentaient une diminution de la perfusion cérébrale dans les aires corticales postérieures (occipitales et temporo-pariétales). Ces observations sont similaires à celles rapportées dans la MP avec démence et la DCL dans les études en neuroimagerie. En conclusion, les résultats de ces deux études ont montré des perturbations du DSCr dans le TCSPi, similaires à celles observées dans les synucléinopathies. Par ailleurs, nos résultats ont mis en évidence que les patients avec un TCSPi et un TCL présentaient les mêmes anomalies de la perfusion cérébrale que les patients avec une MP avec démence et/ou une DCL. La présence de tels marqueurs des synucléinopathies dans le TCSPi suggère que ces patients pourraient être plus à risque d’évoluer vers ce type de maladie neurodégénérative. / Rapid eye movement sleep behavior disorder (RBD) is a parasomnia characterized by intermittent loss of normal atonia during REM sleep and elaborate motor activity associated with dreams. RBD may occur in an idiopathic form (iRBD), but is frequent in neurodegenerative diseases characterized by alpha-synuclein deposition such as Parkinson’s disease (PD) and dementia with Lewy bodjes (DLB). Biomarkers of synucleinopathies, such as motor, olfaction and color discrimination dysfunctions have been found in patients with iRBD. Moreover, impaired cerebral activities with neuroimaging and cognitive perturbations have also been detected in those patients. Longitudinal studies have demonstrated that iRBD might precede PD or DLB by several years. This suggests that iRBD could represent a risk factor of synucleinopathies. The goal of the present research was to investigate the resting regional cerebral blood flow (rCBF) in an iRBD sample using single photon emission computerized tomography (SPECT) neuroimaging. This led to two different studies. The aim of the first study was to compare the rCBF between a group of patients with iRBD and a group of healthy control subjects, and to explore correlations between rCBF of iRBD patients and markers of synucleinopathies. The results of this study showed that compared to controls, iRBD patients had decreased perfusion in frontal and parietal cortical regions and an increased perfusion in pons, putamen and hippocampus bilaterally. Moreover, a significant correlation between brain perfusion in frontal and occipital cortex and performance on a color discrimination test was found in iRBD patients. The brain perfusion anomalies observed in our iRBD patients are similar to those observed in PD in functional neuroimaging studies, suggesting similar neuroanatomic basis between these two pathologies. The objective of the second study was to investigate brain perfusion changes associated with mild cognitive impairment (MCI) in iRBD. We compared rCBF of a sub-group of patients with iRBD and MCI, a sub-group of patients with iRBD without MCI and a group of healthy control subjects. The results showed that only iRBD with MCI showed decreased perfusion in posterior brain regions, in occipital and temporo-parietal areas. These anomalies found in iRBD with MCI are similar to those reported in other studies in PD patients with dementia (PDD) and DLB in neuroimaging studies. To conclude, the results of this research showed brain perfusion abnormalities in iRBD patients similar to those found in synucleinopathies. One of our studies demonstrated a specific pattern of cerebral anomalies with SPECT, similar to those found in PDD and DLB, in patients with iRBD and MCI compared to iRBD without MCI. These biomarkers of synucleinopathies in iRBD suggest that these patients might be at higher risk to develop a neurodegenerative disease associated with alpha synuclein deposition.