J'ai débuté ma recherche par l'étude d'une nouvelle méthode de monitoring auditif per-opératoire par potentiels évoqués auditifs durant la chirurgie des schwannomes vestibulaires avec tentative de préservation de l'audition. L'utilisation de techniques combinées avec enregistrement de potentiels directs de nerf est en cours de développement dans l'espoir d'améliorer les chances de préservation auditive. Les potentiels directs de nerf reposent notamment sur des technologies microélectrodes souples que j'ai testées sur modèle animal. Des enregistrements du cortex auditif obtenus par stimulation acoustique et électrique dans le noyau cochléaire ont démontré la faisabilité de l'enregistrement par microélectrode souple sur support poliimide. J'ai ainsi pu mener en collaboration avec l'Université de Tokyo un programme de recherche sur un nouveau type d'implant du tronc cérébral par électrode de stimulation profonde, qui permet un meilleur accès à la représentation tonotopique du noyau cochléaire. Les réponses électrophysiologiques ont été obtenues par technique de mapping de surfaces corticales avec des microélectrodes souples à haute résolution spatiale (64 sites), développées en collaboration avec le département d'ingénierie de l'Université de Tokyo. Nous avons montré qu'il est possible d'accéder à la tonotopie du noyau cochléaire par stimulation électrique profonde. Des études complémentaires de tolérance et d'efficacité, notamment au cours d'implantation chronique sont cependant indispensables. J'ai également participé à un travail de recherche clinique sur l'audition et le vestibule sur des patients ayant des atrésies aurales. L'étude de ces patients par méthode électrophysiologique (PEA bilatéraux et étude des composants d'interaction binaurale, potentiels évoqués saculo-colliques myogènes), comportementale (étude des facteurs de localisation, en particulier le facteur de compensation temps/intensité) est une approche originale de la plasticité cérébrale existante chez les patients ayant vécus des expériences auditives anormales

Ce travail a porté sur les remaniements corticaux précoces des circuits moteurs et extramoteurs dans la SLA grâce à l'étude des activations IRMf issues de tâches motrices et cognitives. La première partie de nos travaux nous a permis de montrer grâce des tâches simples d'activation motrice en IRMf (1) qu'alors que les patients SLA présentaient un déficit moteur discret, une augmentation des activations corticales est apparue dans les aires sensorimotrices bilatérales du cerveau. (2) Ces modifications précoces de l'activité neuronale étaient corrélées à la latéralisation du déficit moteur du membre ou la prédominance manuelle et surtout, (3) au taux de progression de la maladie à un an et à la survie, suggérant que ce remaniement de l'activité qui correspond probablement à de la plasticité cérébrale a des implications fonctionnelles. Enfin, (4) ce phénomène apparaissait actif puisqu'il s'est poursuivi pendant au moins onze mois. Dans la deuxième partie, nous avons montré lors d'une tâche de fluence verbale silencieuse que (1) les SLA présentaient une suractivation initiale des aires dévolues au processus sémantique avec un renforcement de la connectivité fonctionnelle entre les réseaux (CFR). (2) Au bout de onze mois et alors que l'atteinte des fluences était stable, ce phénomène de compensation s'épuisait avec une diminution conjointe de l'activation des réseaux et de la CFR. La tâche de 2-Back, réalisée alors que les patients ne présentaient pas d'atteinte de la mémoire de travail lors des tests psychométriques, nous a permis de montrer en outre que certains circuits non-moteurs se réorganisaient très précocement chez les patients, alors même qu'ils étaient asymptomatiques

La présente étude avait pour but d’explorer les modulations fonctionnelles putaminales du signal de spectroscopie par résonance magnétique (SRM) combiné du glutamate et de la glutamine (Glx), ainsi que de l’acide γ-aminobutyrique (GABA) en lien avec l’apprentissage d’une séquence motrice. Nous avons émis l’hypothèse que les concentrations de Glx seraient spécifiquement augmentées pendant et après la pratique d’une telle tâche, et ce comparativement à une condition d’exécution motrice simple conçue pour minimiser l’apprentissage. La tâche d’appuis séquentiels des doigts (« finger taping task ») utilisée est connue pour induire un apprentissage moteur évoluant en phases, avec une progression initialement rapide lors de la première session d’entraînement (phase rapide), puis lente lors de sessions subséquentes (phase lente). Cet apprentissage est également conçu comme dépendant de processus « on-line » (pendant la pratique) d’acquisition et « off-line » (entre les périodes de pratique) de consolidation de la trace mnésique de l’habilité motrice. Une grande quantité de données impliquent le système de neurotransmission glutamatergique, principalement par l’action de ses récepteurs N-Méthyl-D-aspartate (NMDAR) et métabotropiques (mGluR), dans une multitude de domaine de la mémoire. Quelques-unes de ces études suggèrent que cette relation s’applique aussi à des mémoires de type motrice ou dépendante du striatum. De plus, certains travaux chez l’animal montrent qu’une hausse des concentrations de glutamate et de glutamine peut être associée à l’acquisition et/ou consolidation d’une trace mnésique. Nos mesures de SRM à 3.0 Tesla, dont la qualité ne s’est avérée satisfaisante que pour le Glx, démontrent qu’une telle modulation des concentrations de Glx est effectivement détectable dans le putamen après la performance d’une tâche motrice. Elles ne nous permettent toutefois pas de dissocier cet effet putativement attribuable à la plasticité du putamen associée à l’apprentissage moteur de séquence, de celui de la simple activation neuronale causée par l’exécution motrice. L’interprétation de l’interaction non significative, montrant une plus grande modulation par la tâche motrice simple, mène cependant à l’hypothèse alternative que la plasticité glutamatergique détectée est potentiellement plus spécifique à la phase lente de l’apprentissage, suggérant qu’une seconde expérience ainsi orientée et utilisant une méthode de SRM plus sensible au Glx aurait donc de meilleures chances d’offrir des résultats concluants. / The present study explored motor learning-related functional changes in putaminal combined glutamate and glutamine (Glx) and γ-Aminobutyric acid (GABA) magnetic resonance spectroscopy (MRS) signal. It was hypothesized that Glx concentrations would specifically increase during and after learning of a sequential finger tapping task (sFTT), as compared to execution of a simple motor task designed to elicit minimal learning. Learning of sFTT is known to evolve in an initial fast progressing stage during the first practice session (fast learning stage), followed by a slower progression during later sessions (slow learning stage). It is also thought to depend on both on-line (during practice sessions) acquisition and off-line (between practice sessions) consolidation processes to create, transform and assure retention of a motor skill memory trace. A body of data implicates glutamatergic neurotransmission, especially through its N-Methyl-D-aspartate (NMDAR) and metabotropic (mGluR) receptors, in many memory systems, some of which apply to motor learning and striatal-dependant learning. Moreover, some animal studies suggest that Glx concentrations can be upregulated in relation to memory acquisition and/or consolidation. Our MRS acquisitions, of which the quality happened to be sufficient only for Glx quantification, allowed the detection of an augmentation in putaminal Glx occurring after motor task execution. However, our data could not ascribe this modulation specifically to motor learning related plastic changes, at the exclusion of simple neural activation related to motor execution. Nevertheless, the interpretation of the non-significant interaction, showing a larger Glx change in response to the simple motor task compared to sFTT, leads to the possibility that the detected glutamatergic plasticity may be specifically associated to the slow learning phase. We therefore suggest that testing this alternate hypothesis in a second experiment, using an MRS technique with more sensibility to Glx could yield more convincing results.

La paralysie cérébrale (PC) est définie comme un trouble du mouvement secondaire à une lésion cérébrale précoce non progressive. C'est la première cause de handicap moteur de l'enfant. La médecine physique et de réadaptation a donc un intérêt particulier à l'étude du contrôle centrale de la motricité (motricité-cérébrale) aussi bien en termes d'organisation que de réorganisation après lésion, et ce, afin de proposer de nouvelles méthodes de rééducation motrice. Après avoir montré, chez le sujet sain, que la motricité-cérébrale pouvait être étudiée, en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), par l'observation du mouvement et le mouvement passif, nous démontrons que l'IRMf " de repos " peut étudier la connectivité fonctionnelle du réseau sensori-moteur chez l'enfant avec PC. D'autre part, dans cette population, l'observation d'une main parétique active le réseau sensori-moteur comme attendu chez le sujet sain, avec une prédominance d'activation dans le cortex moteur primaire lésé. Aussi, lorsque l'on combine cette tâche d'observation du mouvement à un mouvement passif congruent de la main parétique, on observe une activation plus importante des aires sensori-motrices, notamment des aires de " haut niveau ". Cette tâche de mouvement vidéo-guidé nous semble pouvoir constituer une tâche de rééducation motrice dont l'efficience sera à tester ultérieurement. Enfin, nous exposons l'accident vasculaire néonatal comme modèle d'étude de la plasticité postlésionnelle, notamment pour différencier la plasticité " mal-adaptative " de la plasticité efficiente.

Les réseaux vasculaires cérébraux adaptent leur activité à la demande métabolique des neurones environnants, mais leur contribution fonctionnelle à la consolidation de la mémoire, processus par lequel les traces mnésiques se stabilisent dans le temps, reste inconnue. A l’aide d’un test de mémoire olfactif associatif couplé à des approches biochimiques et d’imagerie cérébrale chez le rat, nous avons étudié la dynamique des changements vasculaires au cours de la consolidation mnésique qui nécessite une interaction transitoire entre l'hippocampe et les régions corticales constituant les sites dépositaires des souvenirs. Nous montrons que la formation d’une mémoire durable est associée, dès l’encodage, à un signal hypoxique qui déclenche une angiogenèse transitoire dans des régions corticales spécifiques impliquées plus tard dans le stockage des souvenirs. Manipuler cette angiogenèse corticale précoce (ACP) par blocage ou stimulation spécifique de la voie de signalisation de l'angiopoïétine-2 perturbe, ou améliore, le rappel des informations anciennement acquises. Stimuler l’ACP chez un modèle de rats hypertendus présentant des déficits d’activation de la voie de l’angiopoïetine-2 et de formation de la mémoire pallie le déficit mnésique observé, confirmant l'importance fonctionnelle de l’ACP comme un prérequis à la formation des souvenirs. L'hypergravité, connue pour altérer les fonctions vasculaires, n’a pas modifié l'organisation de la mémoire. Nos résultats identifient l’ACP comme un processus neurobiologique crucial sous-tendant la formation et la stabilisation des souvenirs. Ils révèlent l'importance de la plasticité vasculaire dans la modulation des fonctions cognitives et suggèrent que les changements structurels précoces du réseau vasculaire cérébral constituent un mécanisme permissif pour la régulation de la plasticité neuronale au sein des réseaux corticaux impliqués dans la formation progressive et le stockage des souvenirs. / While the cerebral microvasculature is known to adapt its activity according to the metabolic demand of surrounding neurons, the functional contribution of vascular networks to memory consolidation, the process by which memory traces acquire stability over time, remains elusive. By using an associative olfactory memory task in rats coupled to biochemical and imaging techniques, we investigated the dynamics of vascular changes during memory consolidation which requires a transitory interaction between the hippocampus and distributed cortical regions that ultimately support storage of enduring memories. We found that remote memory formation was associated, upon encoding, with a hypoxic signal that triggered transitory angiogenesis in specific cortical regions which support memory storage and retrieval only weeks later. Manipulating early cortical angiogenesis (ECA) by selectively blocking or stimulating the angiopoietin-2 signaling pathway impaired or improved remote memory retrieval, respectively. Enhancing ECA in spontaneously hypertensive rats, which exhibit reduced angiopoietin- 2 expression when cognitively challenged and are unable to properly stabilize and/or retrieve remotely acquired information, was efficient in rescuing the observed memory deficit, thus confirming the functional importance of ECA as a prerequisite for the formation of remote memories. Hypergravity, known to impair vascular functions, failed to alter the organization of recent and remote memory. Altogether, our findings identify ECA as a crucial neurobiological process underlying the formation and stabilization of remote memory. They highlight the importance of vascular plasticity in modulating cognitive functions and suggest that the early structural changes within vascular networks constitute a permissive mechanism for the regulation of neuronal plasticity within cortical networks which support the formation and storage of enduring memories.

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

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Cette thèse s’intéresse à la capacité du cerveau à s’adapter à un environnement changeant. Plus spécifiquement, elle s’intéresse à la plasticité cérébrale dans le système olfactif. Les sommeliers, experts dans le domaine de l’olfaction, ont constitué notre modèle. Une première étude nous a permis d’établir un protocole afin de tester la performance olfactive des sommeliers. Dans une deuxième étude, nous avons testé des étudiants en sommellerie au début de leur formation d’un an et demi qui mène à la profession de sommelier. Nous avons observé que ces futurs experts de l’olfaction présentaient déjà, au cours des deux premiers mois, des capacités olfactives supérieures. Dans une troisième étude, nous avons de nouveau testé les étudiants à la fin de leur formation, afin d’examiner les effets d’un entraînement olfactif à long terme sur la performance olfactive et sur le cerveau : en plus de mesurer les capacités olfactives avec le test des Sniffin’ Sticks, nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour évaluer l’évolution du cerveau au cours de la formation en sommellerie. Nos principales observations concernent des changements au niveau de la structure cérébrale. Premièrement, le volume du bulbe olfactif a augmenté au cours de la formation, ce qui est en accord avec la littérature disponible à propos de cette structure. Deuxièmement, nous avons observé un épaississement au niveau du cortex entorhinal mais aussi un amincissement au niveau d’autres régions du cortex. Mises en relation avec les résultats d’études antérieures, ces observations soutiennent le récent modèle de surproduction-élagage selon lequel les changements dus à la plasticité liée à l’entraînement ne sont pas linéaires mais font intervenir différents processus en plusieurs phases. Ce modèle constitue une avancée importante dans la compréhension des mécanismes impliqués dans la plasticité cérébrale et devrait être pris en compte dans les futures études sur la plasticité. Bien que les résultats sur le plan neuroimagerie soient intéressants, les résultats de l’étude longitudinale relatifs à la performance olfactive n’étaient pas concluants sur le plan comportemental. Nous avons donc mis en place dans une quatrième étude une tâche d’identification d’odorants au sein de mélanges plus complexe et plus adaptée aux sommeliers qui a confirmé la supériorité de leurs capacités olfactives. Nous avons aussi entraîné des novices sur cette tâche pendant cinq jours pour tester les effets d’un court entraînement olfactif. Cette thèse est organisée sous forme de thèse par articles. Le premier chapitre correspond à l’introduction générale, qui est elle-même organisée en plusieurs grandes parties. Ces différentes parties définissent les concepts-clés de cette thèse : l’olfaction, les corrélations neuroanatomiques dans le système olfactif, la plasticité cérébrale, la plasticité liée à l’entraînement dans le système olfactif, la neuroimagerie. La dernière partie conclut l’introduction en présentant les objectifs et hypothèses de recherche. Les chapitres suivants correspondent aux articles rédigés au cours du doctorat et présentant les résultats des recherches. Le dernier chapitre constitue une discussion générale. Enfin, en annexes se trouvent deux articles publiés lors du doctorat, un chapitre à paraître dans un livre ainsi que des résultats non publiés. / This thesis is about the brain’s ability to adapt to an ever-changing environment. More specifically, it is about brain plasticity in the olfactory system. We used sommeliers, who are experts in olfaction, as our model. A first study allowed us to instate a protocol to assess sommeliers’ olfactory function. In a second study, we tested sommelier students at the start of their year-and-a-half-long training which is the prerequisite to become a professional sommelier. We observed that these future experts in olfaction already had, during the first two months of training, superior olfactory abilities. In a third study, we tested sommelier students again at the end of their training to examine the effects of a long-term olfactory training on olfactory performance and on the brain: beside assessing olfactory performance with the Sniffin’ Sticks test, we used magnetic resonance imaging (MRI) to examine the evolution of brain structure and function during sommelier training. Changes in brain structure constituted our main results. Firstly, olfactory bulb volume increased during sommelier training, which is in line with previous reports about this structure. Secondly, we observed a cortical thickness increase in the entorhinal cortex but also cortical thinning in other brain areas. Put together with findings from previous studies, these results support the recent overproduction-pruning model of plasticity according to which changes due to training-related brain plasticity are nonlinear but involve different processes and different phases. This model constitutes a great advance in the understanding of brain plasticity and its underlying mechanisms and should be considered in future studies about plasticity. Though neuroimaging results were interesting, results from olfactory tests in our longitudinal study were not conclusive so we conducted a fourth study to test the ability to identify odorants within mixtures, a task which is more complex and suitable for sommeliers than the Sniffin’ Sticks test. Sommeliers performed better. We also tested novices that we had trained on this task for five days to evaluate the effects of a short-term olfactory training. This thesis is organized by articles. The first chapter is a general introduction, itself organized in several parts. These different parts define the major concepts of this thesis: olfaction, neuroanatomical correlations in the olfactory system, brain plasticity, plasticity in the olfactory system, neuroimaging. The last part concludes the introduction with aims and hypotheses. The following chapters are articles written during PhD that present the results of our research. The last chapter is a general discussion of all the results. Finally, two articles published during PhD, a chapter that is to be published in a book and unpublished results are presented as appendices.

L'activité neuronale partagée entre les différentes régions cérébrales permet d'estimer les patrons d'activation fonctionnelle à l'échelle de réseaux distribués, même en l'absence de paradigme. Constamment rapportés dans la population saine, les réseaux fonctionnels au repos (RSNs) peuvent être utilisés comme objet d'étude pour comprendre la contribution du développement sensoriel atypique sur la communication globale inter-réseau. À ce jour, peu d'études ont exploré l'organisation cérébrale au repos dans le contexte de la surdité. Pourtant, de multiples évidences soutiennent l'importance des entrées sensorielles en début de vie dans la consolidation de l'architecture fonctionnelle du cerveau. L'étude présentée dans ce mémoire a été développée et conceptualisée pour rendre compte de la relation entre la privation sensorielle et l'activité cérébrale spontanée entre les RSNs. À cette fin, 17 personnes avec une surdité congénitale de degré sévère à profond et 18 personnes entendantes non signeurs ont été recrutées et ont effectué 10 minutes d'enregistrement par imagerie magnétique fonctionnelle (IRMf) à l'état de repos. Les estimations de connectivité fonctionnelle de 17 RSNs extraites par une méthode de parcellisation fonctionnelle du cerveau ont été comparées entre les groupes. Le couplage entre les réseaux d'attention dorsale (DAN) et d'attention ventrale (VAN) était significativement plus élevé chez les participants qui présentent une surdité. Ces deux systèmes sont impliqués dans les tâches attentionnelles descendantes (« top-down ») et ascendantes (« bottom-up »), respectivement. Les résultats démontrent une réorganisation du cerveau au sein des réseaux associatifs et proposent une preuve potentielle des substrats neuronaux qui sous-tendraient les performances attentionnelles supérieures des personnes avec une surdité. / Neural activity shared between different brain regions allows estimation of functional activation patterns at the scale of distributed networks, even in the absence of a paradigm. Consistently reported in the healthy population, resting-state functional networks (RSNs) can be studied to understand the contribution of atypical sensory development on global inter-network communication. To date, few studies have explored brain organization at rest in the context of deafness. Yet, numerous evidence supports the importance of early sensory input in the consolidation of the brain's functional architecture. The study presented in this thesis was developed and conceptualized to report on the relationship between sensory deprivation and spontaneous brain activity between RSNs. To this end, 17 individuals with severe to profound congenital hearing loss and 18 non-signer hearing individuals were recruited and performed 10 minutes of functional magnetic imaging (fMRI) recording at rest. Functional connectivity estimates of 17 RSNs extracted by a functional brain parcellation method were compared between groups. The coupling between dorsal attention (DAN) and ventral attention (VAN) networks was significantly higher in deaf participants. These two systems are involved in topdown and bottom-up attentional tasks, respectively. The results demonstrate brain plasticity within associative networks and offer potential evidence of neural substrates that may underlie superior attentional performances observed in individuals with deafness.