Plusieurs fonctions cognitives sont latéralisées dans le cerveau humain adulte. Nous avons étudié l’origine des asymétries fonctionnelles chez les nourrissons, en évaluant les substrats neuronaux de reconnaissance des visages et des traitements du langage imbriqués dans les réseaux visuels et auditifs, grâce à la neuroimagerie non invasive (EEG et l’IRM de diffusion). Pour cela, nous avons étudié le développement fonctionnel et structurel de ces deux systèmes cérébraux au cours des six premiers mois postnataux. Nous avons observé que la vitesse des réponses visuelles était liée à la maturation des faisceaux de fibres de la matière blanche conduisant ces réponses, plus que l’âge des bébés, alors que la vitesse des réponses auditives doit dépendre d’un réseau de faisceaux de fibres et de régions corticales plus vaste. Parallèlement, nous avons étudié la latéralisation de la reconnaissance des visages grâce à un paradigme de discrimination des visages présentés dans chaque hémichamp. Nous avons observé que seul l'hémisphère droit pouvait discriminer les visages et que les informations pertinentes étaient transférées entre les deux hémisphères. Pour cibler la latéralisation du traitement du langage, nous avons étudié les réponses à des stimuli de la parole présentés de manière monaurale. Une comparaison entre un groupe de nourrissons avec une agénésie du corps calleux et un groupe contrôle a montré que les réponses à ces stimuli étaient transférées de façon asymétrique via le corps calleux. Cette asymétrie, facilitée vers l’hémisphère gauche, intervient probablement dans la latéralisation précoce du réseau du langage. L’ensemble de ces études mettent bien en évidence le potentiel de la neuroimagerie pour étudier le développement du cerveau et ces asymétries précoces. / Several cognitive functions such as face and speech processing are lateralized in the adult human brain. The ontogeny of these functional asymmetries is yet poorly understood. We aimed to evaluate the neural substrates of face and speech processing, nested in the visual and auditory networks using non-invasive neuroimaging techniques in infants. First, we studied how the functional and structural characteristics of these two brain systems change over the first postnatal semester. With EEG, we showed age-related decreases in the latency of brain responses and demonstrated that the speed of early visual responses is related to the maturation of underlying white matter tracts conducting them, as assessed with diffusion MRI. For the auditory system, our results suggested that the speed of responses may rely on maturation of more pathways and cortical regions. In parallel, we studied face processing lateralization using a discrimination paradigm of faces presented in each hemifield and observed that only the right hemisphere was able to discriminate between faces. Further evidence also suggested a transfer of face-relevant information across hemispheres. To study speech processing lateralization, we used a paradigm with monaural presentation of speech stimuli. A comparison between typical infants and infants with callosal agenesis, suggested an asymmetric transfer of auditory information across hemispheres, facilitated toward the left hemisphere, that might contribute to the lateralization of language early on. This thesis highlights the potential of neuroimaging techniques for the study of brain’s structural and functional development and of hemispheric asymmetries early on.

Les travaux en psychologie ont mis en évidence que les jeunes et âgés utilisent différentes stratégies pour accomplir des tâches cognitives. La question qui se pose alors est comment nous choisissons une stratégie parmi plusieurs stratégies disponibles. Afin de mieux comprendre la sélection stratégique, l’objectif de cette thèse était d’étudier le phénomène de changement stratégique intra-item et son évolution au cours du vieillissement, d’une part, et de mettre en évidence les mécanismes impliqués lors du choix d’une stratégie, d’autre part. Nos données montrent que différentes variables, intrinsèques et extrinsèques aux problèmes, influencent la capacité de changement stratégique intra-item au cours du vieillissement. Les jeunes et les âgés interrompent une stratégie en cours d’exécution et choisissent une stratégie différente que celle précédemment exécutée. Les participants changeaient plus fréquemment de stratégies afin de choisir la meilleure stratégie, et ce d’autant plus que la stratégie était facile à exécuter. Les âgés avaient de plus difficultés que les jeunes à changer de stratégies et par conséquent, ils choisissaient moins fréquemment la meilleure stratégie. Nous montrons aussi que la sélection stratégique est associée à une augmentation de l’activité cérébrale dans des régions préfrontales bien connues pour être le siège des fonctions exécutives. Enfin, nous discutons en quoi ces résultats ont d’importantes implications concernant, les modèles théoriques de la sélection stratégique, et concernant le vieillissement cognitif. / Psychology research has shown that young and older adults used different strategies to accomplish a cognitive task. Thus, the issue of how we choose a strategy among several available strategies is raised. In order to further understand strategy selection, the goal of this thesis was to investigate the within-item strategy switching and its evolution with age, on one hand, and to highlight mechanisms involved in the selection strategy, on other hand. Our data show that different variables, intrinsic and extrinsic to the problems, affect the ability of switching strategies within item during aging. Young and older adults interrupt a mid-execution strategy and choose a different strategy than previously executed. Participants switched strategies more frequently to choose the best strategy, and especially when the strategy was easy to execute. Older adults had more difficulties than young adults to switch strategies and therefore, they chose less frequently the best strategy. We also show that the strategy selection is associated with increased brain activities in prefrontal regions, well known to be the seat of executive functions. Finally, we discuss how these results have important implications for theoretical models of strategy selection, and for cognitive aging.

Le langage demeure préservé des effets du vieillissement mais précocement atteint dans la Maladie d'Alzheimer (MA). Le discours, en mobilisant l'ensemble des fonctions cognitives, pourrait mettre en évidence davantage de difficultés. Ce travail vise à analyser des productions de patients et de participants âgés typiques en lien avec les changements cognitifs et cérébraux. Une étude s'est intéressée à la production de discours portant sur des événements personnellement vécus. Une deuxième visait à comparer ce type de discours à un discours sur support imagé. Les résultats montrent que les difficultés rencontrées lors d'un discours d'événements vécus seraient corrélées à l'atteinte mnésique des patients. A l'inverse, elles seraient associées à l'atteinte exécutive et lexicale dans un discours imagé. Une dernière étude s'est focalisée sur la variabilité existant chez les participants âgés "typiques". Une analyse en cluster a montré quatre profils de locuteurs, dont un profil "hors-sujet" qui pourrait refléter une zone ambiguë entre vieillissement normal et pathologique. Ce travail pointe des marqueurs de MA prodromale, en lien avec les modifications cognitives et cérébrales. Certaines difficultés seraient liées à une atteinte mnésique ou exécutive indépendamment de l'altération langagière. / Language is the most preserved cognitive function from the effects of aging. Unlike typical aging, Alzheimer's disease (AD) is characterized by an early impairment. Analysis of discourse may reveal more difficulties than other tests since it mobilizes a large set of cognitive functions. This work aims to analyze various discourses in AD patients and participants with typical aging, in relation to various cognitive tests as well as neuroimaging data. One study focused on a memory-based discourse. A second study compared a memory-based and in a picture-based discourse. Patients' difficulties were correlated on one hand with memory impairment in the memory-based discourse and on the second hand with lexical-executive impairment in the picture-based discourse. A final study focused on discourse variability in the general aging population. A cluster analysis revealed four profiles of speakers. Among them, an "off-topic" profile could reflect a grey zone between normal and pathological aging. This work allowed us to shed light on deficit markers and compensatory strategies in prodromal AD, in relation with cognitive and cerebral changes. In particular, many difficulties may actually be related to memory or executive impairment, regardless of a language alteration.

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

La schizophrénie est un trouble mental, chronique et invalidant caractérisé par divers symptômes tels que des hallucinations, des épisodes délirants ainsi que des déficiences dans les fonctions cognitives. Au fil des ans, l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) a été de plus en plus utilisée pour mieux comprendre les anomalies structurelles et fonctionnelles inhérentes à ce trouble. Les progrès récents en apprentissage automatique et l'apparition de larges bases de données ouvrent maintenant la voie vers la découverte de biomarqueurs pour le diagnostic/ pronostic assisté par ordinateur. Compte tenu des limitations des algorithmes actuels à produire des signatures prédictives stables et interprétables, nous avons prolongé les approches classiques de régularisation avec des contraintes structurelles provenant de la structure spatiale du cerveau afin de: forcer la solution à adhérer aux hypothèses biologiques, produisant des solutions interprétables et plausibles. De telles contraintes structurelles ont été utilisées pour d'abord identifier une signature neuroanatomique de la schizophrénie et ensuite une signature fonctionnelle des hallucinations chez les patients atteints de schizophrénie. / Schizophrenia is a disabling chronic mental disorder characterized by various symptoms such as hallucinations, delusions as well as impairments in high-order cognitive functions. Over the years, Magnetic Resonance Imaging (MRI) has been increasingly used to gain insights on the structural and functional abnormalities inherent to the disorder. Recent progress in machine learning together with the availability of large datasets now pave the way to capture complex relationships to make inferences at an individual level in the perspective of computer-aided diagnosis/prognosis or biomarkers discovery. Given the limitations of state-of-the-art sparse algorithms to produce stable and interpretable predictive signatures, we have pushed forward the regularization approaches extending classical algorithms with structural constraints issued from the known biological structure (spatial structure of the brain) in order to force the solution to adhere to biological priors, producing more plausible interpretable solutions. Such structured sparsity constraints have been leveraged to identify first, a neuroanatomical signature of schizophrenia and second a neuroimaging functional signature of hallucinations in patients with schizophrenia. Additionally, we also extended the popular PCA (Principal Component Analysis) with spatial regularization to identify interpretable patterns of the neuroimaging variability in either functional or anatomical meshes of the cortical surface.

La qualité du sommeil se modifie avec l’âge, et les troubles du sommeil seraient associés au déclin cognitif et à un risque accru de développer une maladie d’Alzheimer (MA). Cependant, les mécanismes cérébraux sous-tendant cette association restent mal compris. L’objectif de cette thèse était de contribuer à une meilleure compréhension des corrélats cérébraux structuraux, fonctionnels et moléculaires des principales modifications objectives du sommeil dans le vieillissement, et d’explorer les liens avec les performances cognitives. Nos résultats montrent que les altérations des premiers cycles de sommeil et de l’activité à ondes lentes sont associées à un hypométabolisme, une hypoperfusion et/ou une diminution du volume de substance grise au niveau des aires fronto-cingulaires et hippocampiques. De plus, la présence d’un syndrome d’apnées obstructive du sommeil et l’altération de la microstructure du sommeil paradoxal étaient significativement associés à une augmentation de la charge amyloïde, respectivement au niveau du cortex cingulaire postérieur et du précunéus, ou de manière plus diffuse. En revanche, les liens avec la cognition restaient subtils voire absents, certaines modifications cérébrales étant asymptomatiques. Ainsi, le sommeil pourrait être un facteur de résilience face aux premières altérations neuropathologiques de la MA. Ces résultats supportent la nécessité de dépister et traiter les pathologies du sommeil dans le vieillissement, avant l’apparition des premiers déficits cognitifs, dans l’espoir de ralentir le déclin cognitif. / Sleep changes are a major feature of the ageing process, and sleep disturbances are increasingly recognized as a risk factor for cognitive decline and Alzheimer’s disease (AD). However, the brain mechanisms underlying this association are still unclear. The objective of this thesis was to deepen our understanding about brain structural, functional and molecular correlates of the main objective sleep changes in ageing, and to assess the potential links with cognitive performance. Our results demonstrate that the fragmentation of the first sleep cycles and the alteration of slow wave activity, are associated with reduced gray matter metabolism, perfusion and/or volume in fronto-cingulate and hippocampal areas. Moreover, sleep-disordered breathing and rapid eye movement sleep microstructure alterations were related to increased amyloid burden respectively in the posterior cingulate cortex and precuneus, or more widespread neocortical areas. However, associations with cognitive performance remained subtle or inexistent, suggesting early and asymptomatic associations between sleep and brain changes. Therefore, sleep may contribute to resilience processes and may help to cope with early neuropathological changes in AD. These results support the need to screen and treat sleep disturbances in older adults, before the onset of the first cognitive signs, in order to slow cognitive decline.

Cette thèse présente de nouvelles méthodes d’apprentissage structuré et parcimonieux sur les graphes, ce qui permet de résoudre une large variété de problèmes d’imagerie cérébrale, ainsi que d’autres problèmes en haute dimension avec peu d’échantillon. La première partie de cette thèse propose des relaxation convexe de pénalité discrète et combinatoriale impliquant de la parcimonie et bounded total variation d’un graphe, ainsi que la bounded `2. Ceux-ci sont dévelopé dansle but d’apprendre un modèle linéaire interprétable et on démontre son efficacacité sur des données d’imageries cérébrales ainsi que sur les problèmes de reconstructions parcimonieux.Les sections successives de cette thèse traite de la découverte de structure sur des modèles graphiques “undirected” construit à partir de peu de données. En particulier, on se concentre sur des hypothèses de parcimonie et autres hypothèses de structures dans les modèles graphiques gaussiens. Deux contributions s’en dégagent. On construit une approche pour identifier les différentes entre des modèles graphiques gaussiens (GGMs) qui partagent la même structure sous-jacente. On dérive la distribution de différences de paramètres sous une pénalité jointe quand la différence des paramètres est parcimonieuse. On montre ensuite comment cette approche peut être utilisée pour obtenir des intervalles de confiances sur les différences prises par le GGM sur les arêtes. De là, on introduit un nouvel algorithme d’apprentissage lié au problème de découverte de structure sur les modèles graphiques non dirigées des échantillons observés. On démontre que les réseaux de neurones peuvent être utilisés pour apprendre des estimateurs efficacaces de ce problèmes. On montre empiriquement que ces méthodes sont une alternatives flexible et performantes par rapport aux techniques existantes. / This dissertation presents novel structured sparse learning methods on graphs that address commonly found problems in the analysis of neuroimaging data as well as other high dimensional data with few samples. The first part of the thesis proposes convex relaxations of discrete and combinatorial penalties involving sparsity and bounded total variation on a graph as well as bounded `2 norm. These are developed with the aim of learning an interpretable predictive linear model and we demonstrate their effectiveness on neuroimaging data as well as a sparse image recovery problem.The subsequent parts of the thesis considers structure discovery of undirected graphical models from few observational data. In particular we focus on invoking sparsity and other structured assumptions in Gaussian Graphical Models (GGMs). To this end we make two contributions. We show an approach to identify differences in Gaussian Graphical Models (GGMs) known to have similar structure. We derive the distribution of parameter differences under a joint penalty when parameters are known to be sparse in the difference. We then show how this approach can be used to obtain confidence intervals on edge differences in GGMs. We then introduce a novel learning based approach to the problem structure discovery of undirected graphical models from observational data. We demonstrate how neural networks can be used to learn effective estimators for this problem. This is empirically shown to be flexible and efficient alternatives to existing techniques.

Thèse de doctorat présenté en vue de l'obtention du doctorat en psychologie - recherche intervention, option neuropsychologie clinique (Ph.D) / Selon les dernières estimations mondiales, plus de 43,3 millions d’individus seraient atteints d’une privation visuelle. Autrement dit, l’aptitude de ces individus à percevoir visuellement le monde et les détails qui le composent est presque ou totalement nulle. Bien que privés de l’un des sens les plus importants, ces derniers parviennent à s’adapter et interagir, de façon remarquable, avec l’environnement, et ce, en s’appuyant principalement sur leurs sens préservés. La navigation dans l’espace, la localisation et l’identification d’objets ou de personnes ainsi que la lecture ne sont que quelques exemples permettant d’illustrer la compensation comportementale réalisée par l’entremise des autres canaux sensoriels chez les individus atteints de cécité. L’accomplissement fructueux de telles activités nécessite certes un apprentissage chez les individus aveugles, mais permet également de mettre en lumière qu’au-delà d’une différence de perception visuelle, l’adaptation à une existence vécue dans l’obscurité la plus complète occasionne des changements dans le traitement de l’information en provenance des autres modalités sensorielles. Ces transformations comportementales, issues principalement de la réorganisation cérébrale occasionnée par un déficit perceptif, constitue un sujet d’intérêt pour la communauté scientifique depuis de nombreuses années. Bien que l’apparition des techniques d’imagerie cérébrale non-invasives a permis d’élucider jusqu’à présent de nombreux mystères concernant l’incroyable capacité du cerveau à se modifier sous l’effet de l’expérience, de nombreuses questions demeurent sans réponse. Ainsi, les articles composant cette thèse ont pour objectif principal de contribuer à l’état des connaissances actuelles concernant la réorganisation cérébrale chez les individus atteints de cécité, tant au niveau fonctionnel que structurel, et ce, afin de mieux saisir les répercussions de ces changements cérébraux sur le comportement des non-voyants. Plus particulièrement, nous avons souhaité investiguer l’impact de la privation visuelle précoce sur les régions cérébrales impliquées dans traitement des informations chimiosensorielles (olfactives et trigéminales). Pour ce faire, nous avons d’abord souhaité préciser les mécanismes de réorganisation cérébrale de type structurel prenant place au sein des régions traitant l’information de nature olfactive auprès d’aveugles congénitaux, et ce en comparaison à leurs pairs voyants. L’article 1 de cette thèse révèle que les individus aveugles présentent de multiples altérations cérébrales dans les régions composant le système olfactif. Bien que les aveugles congénitaux inclus dans notre étude présentent des volumes significativement réduits au niveau des bulbes olfactifs, du cortex orbitofrontal et du complexe parahippocampique, leurs performances olfactives, mesurées à l’aide d’épreuves standardisées, demeurent comparables à celles obtenues chez leurs pairs voyants. Nos résultats supportent ainsi la présence d’une réorganisation intramodale au sein du système olfactif chez les aveugles congénitaux, laquelle n’ayant aucune incidence mesurable sur leurs performances olfactive. D’autre part, nous avons souhaité explorer, par le biais de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle, si, tout comme pour le traitement de stimuli auditifs et tactiles, les régions habituellement dévolues au traitement visuel participaient, chez l’individu atteint cécité au traitement particulier d’une odeur. Plus précisément, l’article 2 de cette thèse révèle que les aveugles congénitaux sollicitent davantage leur cortex occipital que leurs pairs voyants lors d’une tâche de localisation d’odeurs. Toutefois, lorsque ces mêmes odeurs doivent être identifiées, aveugles et voyants présentent des niveaux d’activité cérébrales comparable dans les régions occipitales. Nos résultats supportent ainsi la présence d’un recrutement intermodal lors du traitement chimiosensoriel de différentes odeurs. Mis ensemble, ces résultats contribuent à une meilleure appréciation des changements cérébraux à la suite d’une privation visuelle, notamment en ce qui concerne les régions impliquées dans le traitement des informations de nature chimiosensorielle. Cette thèse doctorale s’inscrit de façon intéressante au sein des théories de la compensation comportementale présente chez l’individu aveugles, de même que les mécanismes sous-tendant la neuroplasticité structurelle et fonctionnelle des systèmes sensorielles. / According to the latest global estimates, more than 43.3 million people suffer from visual deprivation. In other words, the ability of these individuals to visually perceive the world and the details that compose it is almost or totally absent. Although deprived of one of the most important senses, they manage to adapt and interact with their environment, and this, by relying mainly on their remaining senses. Navigating in space, locating and identifying objects or people, and reading are just few examples that illustrate the behavioral compensation achieved through other sensory channels among individuals living with blindness. The successful accomplishment of such activities certainly requires learning or adaptation. However, it also highlights that beyond a difference in visual perception, adaptation to an existence lived in complete darkness causes changes in the processing of information from other sensory modalities. These behavioral transformations, resulting from the cerebral reorganization caused by a perceptual deficit, have been a subject of interest in the scientific community for many years. Although the emergence of non-invasive brain imaging techniques has, so far, elucidated many mysteries concerning the incredible capacity of the brain to change under the effect of experience, many questions remain unanswered. Thus, the articles included in this thesis have the main objective of contributing to the current knowledge of cerebral reorganization found in individuals living with blindness. More specifically, we wanted to investigate the impact of early visual deprivation on brain regions involved in the processing of chemosensory information (olfactory and trigeminal). To do this, we first evaluated the structural cerebral reorganization taking place among congenitally blind individuals within the olfactory regions. The first study of this thesis reveals that blind individuals present multiple cerebral alterations in the regions composing the olfactory system. More precisely, we found that congenitally blind individuals present significantly reduced olfactory bulb volume, as well as reduction in grey matter density in the orbitofrontal cortex and the parahippocampal complex. Despite this, their olfactory performances, measured using standardized tests, remain comparable to those obtained by their seeing counterparts. Therefore, our results support the presence in congenitally blind individuals of an intramodal reorganization within the olfactory system, which has no measurable impact on their olfactory performance. Through functional magnetic resonance imaging, we wanted to explore if regions that are usually devoted to visual processing are in congenitally blind individuals engaged for the processing of different components of an odor (i.e. olfactory and trigeminal components). More specifically, compared to their sighted counterparts, we found stronger activation in the occipital cortex of blind individuals during our odor localization task. However, when identifying the same odorants, blind and sighted individuals show comparable levels of brain activity in the occipital regions. Our results thus support the presence of cross-modal recruitment during the chemosensory processing of odors. Taken together, these results contribute to a better appreciation of cerebral changes following visual deprivation, particularly in regions involved for the processing of chemosensory information. In an interesting way, the results of this doctoral thesis fit some of the theories stated for blind individuals, such as the structural and functional neuroplasticity of sensory systems.

Cette thèse porte sur les modèles génératifs en apprentissage automatique. Deux nouveaux modèles basés sur les réseaux de neurones y sont proposés. Le premier modèle possède une représentation interne où une certaine structure a été imposée afin d’ordonner les caractéristiques apprises. Le deuxième modèle parvient à exploiter la structure topologique des données observées, et d’en tenir compte lors de la phase générative. Cette thèse présente également une des premières applications de l’apprentissage automatique au problème de la tractographie du cerveau. Pour ce faire, un réseau de neurones récurrent est appliqué à des données de diffusion afin d’obtenir une représentation des fibres de la matière blanche sous forme de séquences de points en trois dimensions.

Il a récemment été largement reconnu que la dynamique interne des réseaux de neurones pourraient jouer un rôle essentiel dans leur fonction. À cet régard, le "bruit synaptique" -- qui représente l'influence du réseau cortical sur les neurones individuels, et qui est une conséquence directe de la circuiterie récurrente massive du néocortex -- a récemment été identifié comme un facteur important qui affecte les propriétés intégratives des neurones. Cette activité affecte aussi l'évolution des réponses neuronales en fonction des changements d'états du cerveau, parfois en quelques secondes. Ces états d'activité générés en interne, qui résultent -- et eux-même influencent -- la plasticité des connexions synaptiques récurrentes, se combinent alors avec les entrées externes pour produire un riche répertoire de réponses aux stimuli sensoriels. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur le aspect spatial de ces dynamiques intrinsèques, en particulier la structure spatiale des oscillations corticales, à la fois dans le cas spontané et des réponses évoquées. Nous avons fait un examen approfondi de la littérature concernant la propagation d'ondes dans le thalamus et le cortex, et nous avons proposé un modèle de réseau neuronal pour examiner l'interaction entre les ondes de propagation et l'activité interne du réseau. Nous avons aussi mis en place de nouveaux outils pour la caractérisation de ce type d'activité spatio-temporelle à partir d'enregistrements multicanaux bruités. Le point culminant de ce travail est une démonstration, en utilisant les données d'imagerie par colorants voltage-sensitifs (VSD, "voltage-sensitive dye imaging") obtenues chez le singe éveillé, que la réponse de la population à un stimulus visuel se propage comme une onde sur une grande étendue du cortex visuel primaire. Ce résultat contredit une série d'études précédentes qui semblaient suggérer l'absence d'onde de propagation dans ce cas. Ensuite, nous avons commencé à étudier la structure spatio-temporelle du potentiel de champ local (``local field potential'') obtenu à partir d'enregistrements multi-électrodes chez l'homme et le singe, dans divers états cérébraux, pour répondre aux questions suscitées par l'étude initale en imagerie VSD chez le singe. En parallèle, nous avons étudié les caractéristiques de la structure de connectivité de plusieurs systèmes nerveux, en utilisant la théorie des graphes, pour identifier les aspects aléatoires ou structurés ("small-world") de cette connectivité. Le résultat principal est que, contrairement au consensus, la structure de connectivité est beaucoup plus proche d'une connectivité aléatoire. Les résultats de ces études de doctorat couvrent ainsi un grand spectre d'échelles en neurosciences, de modèles d'activité macroscopiques à des profils de connectivité microscopiques. J'espère sincèrement pouvoir exposer dans ces pages ces résultats de façon unifiée, dans le but de constituer une base pour la poursuite de ces travaux en neurosciences - une recherche de structure au sein de l'architecture interne du système nerveux central. / It has only recently been acknowledged to what large extent the internal dynamics of neural networks could play a role in their function. In this respect, synaptic "noise" -- that is, the influence of the cortical network on single neurons exerted through the massive recurrent circuity that is the hallmark of neocortex -- has recently been shown to have a profound effect on neuronal integrative properties, changing the responses of single neurons across brain states, sometimes within the matter of a few seconds. These internally generated activity states, shaped by and continually shaping the plastic synaptic recurrent connections, then combine with the external inputs to produce a rich repertoire of responses to sensory stimuli in primary cortical regions. In this thesis, we have focused on the {\it spatial} aspect of these internal dynamics, specifically the spatial structure of cortical oscillations, spontaneous and stimulus-evoked. Along the way, we have made an extensive review of the literature concerning propagating waves in thalamus and cortex, and studied network models to investigate how waves depend on network state. We have also introduced new tools for the characterization of spatiotemporal activity patterns in noisy multichannel data. The culmination of this work is a demonstration, using voltage-sensitive dye imaging data taken from the awake monkey, that the population response to a small visual stimulus propagates like a wave across a large extent of primary visual cortex during the awake state, a result contradicting a range of previous studies which seemed to suggest that propagating waves disappear in this case. Moving forward, we have begun to investigate the spatiotemporal structure of local field potential and spiking activity in multielectrode recordings taken from the human and monkey in various states of arousal, to address questions prompted by our initial voltage-sensitive dye imaging study in the monkey. In parallel, we have initiated an analysis of the extent to which neural connectivity can be characterized by the "small-world" effect, the main result of which is that neural graphs may in fact reside outside the small-world regime. The results from these PhD studies thus span the spectrum of scales in neuroscience, from macroscopic activity patterns to microscopic connectivity profiles. It is my sincere hope to expound in these pages a unified theme for these results, and a foundation for further work in neuroscience -- a search for structure within the internal architecture of the system under study.