Le vieillissement normal est souvent associé à des changements cognitifs négatifs, notamment sur les performances cognitives. Cependant, des changements comportementaux et cérébraux positifs ont aussi été observés. Ces modifications indiquent l’existence d’une plasticité cérébrale dans le vieillissement normal. Ainsi, plusieurs facteurs ont été étudiés afin de mieux connaitre les modulateurs de cette plasticité dite positive. La plupart des études évaluant ce phénomène ont utilisé la technique d’imagerie par résonance magnétique alors que la technique des potentiels évoqués a été beaucoup moins utilisée. Cette technique est basée sur les enregistrements de l’activité électrique cérébrale très sensible aux changements anatomiques associés au vieillissement et permet donc d’observer de manière précise les variations du décours temporel des ondes éléctrophysiologiques lors du traitement des informations. Les travaux de cette thèse visent à étudier les modifications de plasticité cérébrale induites par des facteurs protecteurs/préventifs du vieillissement normal et notamment lors de la réalisation de tâches impliquant le contrôle attentionnel, grâce à l’analyse de signaux électroencéphalographiques en potentiels évoqués. Dans un premier temps, une description de l’analyse des données EEG en potentiels évoqués sera fournie, suivie d’une revue de littérature sur le contrôle attentionnel et les facteurs de plasticité dans le vieillissement normal (Chapitre 1). Cette revue de littérature mettra en avant, d’une part la diminution des capacités de contrôle de l’attention dans le vieillissement et d’autre part, les facteurs protecteurs du vieillissement ainsi que la plasticité cérébrale qui leur est associée. Ces facteurs sont connus pour avoir un effet positif sur le déficit lié à l’âge. La première étude de ce projet (Chapitre 2) vise à définir l’effet d’un facteur de réserve cognitive, le niveau d’éducation, sur les composantes des potentiels évoqués chez les personnes âgées. Cette étude mettra en avant une composante des potentiels évoqués, la P200, comme indice de plasticité lorsqu’elle est liée au niveau d’éducation. Cet effet sera observé sur deux tâches expérimentales faisant intervenir des processus de contrôle attentionnel. De plus, une différence d’épaisseur corticale sera observée : les personnes âgées ayant un plus haut niveau d’éducation ont un cortex cingulaire antérieur plus épais. La deuxième étude (Chapitre 3) cherche à déterminer, chez les personnes âgées, les modifications comportementales et en potentiels évoqués induites par trois entraînements cognitifs, entrainements visant l’amélioration de processus attentionnels différents : l’attention focalisée, l’attention divisée, ainsi que la modulation de l’attention. Au niveau comportemental, les entraînements induisent tous une amélioration des performances. Cependant, l’entraînement en modulation de l’attention est le seul à induire une amélioration du contrôle attentionnel. Les résultats éléctrophysiologiques indiquent la N200 comme composante sensible à la plasticité cérébrale à la suite d’entraînements cognitifs. L’entraînement en modulation de l’attention est le seul à induire une modification de cette composante dans toutes les conditions des tests. Les résultats de ces études suggèrent que les facteurs protecteurs du vieillissement permettent des changements positifs observés en potentiels évoqués. En effet, nous mettons en évidence des phénomènes de plasticité cérébrale des personnes âgées qui diffèrent selon leurs origines. L’impact de ces résultats ainsi que les limites et perspectives futures seront présentés en fin de thèse (Chapitre 4). / Normal aging usually has a negative connotation for cognitive functioning. However, positive changes have been reported in the literature concerning the elderly. Indeed positive plasticity associated with protective factors has been found to have an impact on cognition. This plasticity was observed using magnetic resonance imaging which gives precise information concerning the localization of cerebral activations, but event-related potentials have not been used to evaluate this plasticity. Certain factors have been found to induce positive changes in the elderly; cognitive reserve factors, such as education, have been found to protect against deleterious effects of aging. Additionally, training programs aiming to improve various cognitive processes, such as attentional control, have been described to increase performance in the elderly and to induce changes in cerebral activity. The following thesis describes two studies that use event-related potentials (ERP) in which we evaluate the impact of education and attentional control training on cerebral plasticity in normal aging. Based on a literature review, Chapter 1 will describe ERP techniques, attentional control in aging as well as the different protective factors in aging and their impact on plasticity. This literature review will also highlight the lack of studies using the ERP technique. To address this dearth, chapter 2 will present a study that uses ERP to evaluate the effect of educational level on cerebral plasticity in aging populations. This reserve factor was studied using two tasks involving attentional control while recording ERPs to define the plasticity associated with it. Results indicate that the P200 component of event-related potentials serves as an index of plasticity, when this plasticity is related to the level of education. Additionally, cortical thickness analyses show a thicker anterior cingulate cortex with higher education. Chapter 3 examines the impact of three attentional training formats: focused attention, divided attention and attentional modulation formats. These formats have been reported to improve performance in the elderly in different attentional processes. Before and after being assigned to one of the training formats, participants underwent an EEG recording while performing an attentional control task. Behaviorally, all groups improved, but only attentional modulation training induces changes in attentional control. Event-related potentials reveal the N200, as an index of plasticity associated with cognitive training. Changes in the N200 component after training were shown in all testing conditions only for the group having received attentional modulation training. Results confirm that positive plasticity exists in aging and that some ERP components can serve as indexes of plasticity. However, this index differs depending upon factors responsible for the plasticity. Chapter 4 discusses the impact and limitations of the findings, as well as future areas of research.

La présente étude s’intéresse aux mécanismes neuronaux qui sous-tendent la rétention en mémoire à court terme auditive (MCTA) en utilisant la technique des potentiels reliés aux événements (PRE). Dans l’Expérience 1, nous avons isolé une composante de PRE, nommée SAN pour « sustained anterior negativity ». La SAN augmentait en amplitude négative plus le nombre de sons à maintenir en MCTA augmentait. Cet effet de charge était présent, bien que la durée totale des stimuli restait la même entre les conditions. L’effet de charge observé par la SAN dans l’Expérience 1 disparaissait dans l’Expérience 2, où les mêmes sons étaient utilisés, mais où la mémorisation de ceux-ci n’était plus requise. Finalement, dans l’Expérience 3, la tâche de MCTA a été effectuée avec et sans suppression articulatoire durant l'intervalle de rétention. L’effet de charge trouvé dans l’Expérience 1 était de nouveau observé, lorsque les participants faisaient la tâche de suppression articulatoire ou non. Ces résultats suggèrent que la SAN reflète l'activité nécessaire pour le maintien des objets acoustiques dans un système de MCTA qui serait distinct de la répétition phonologique. / We studied the neuronal mechanisms that implement acoustic short-term memory (ASTM) for pitch using event-related potentials (ERP). Experiment 1 isolated an ERP component, the sustained anterior negativity (SAN), that increased in amplitude with increasing memory load in ASTM using stimuli with equal duration at all memory loads. The SAN load effect found in Experment 1, when pitch had to be remembered to perform the task, was absent in Experiment 2 using the same sounds when memory was not required. In Experiment 3 the memory task was performed without or with concurrent articulatory suppression during the retention interval, to suppress rehearsal via an articulatory loop. Load-related effects found in Experiment 1 were found again, whether participants engaged in concurrent suppression or not. The results suggest that the SAN reflects activity required to maintain pitch objects in an ASTM system that is distinct from articulatory rehearsal.

La présente recherche explore les conséquences d’une perte auditive périphérique sur le traitement de l’information auditive. Des études ont montré que les enfants malentendants ont de la difficulté à effectuer des tâches d’écoute complexes. De plus, des études menées auprès d’adultes malentendants montrent que l’activité corticale associée à l’écoute de stimuli auditifs est différente de celle d’adultes entendants. Cependant, les résultats de ces études ne mettent pas en lumière la nature des difficultés de traitement de l’information auditive des enfants malentendants. Cette recherche examine donc cet aspect en ayant recours à des mesures comportementales et neurophysiologiques. Les données ont été recueillies auprès de 40 enfants âgés de 9 à 12 ans : 12 enfants ayant une surdité neurosensorielle, 12 enfants ayant trouble de traitement auditif et 16 enfants normo-entendants. Les enfants ont reproduit dans l’ordre des séquences de deux, trois et cinq stimuli verbaux ou non verbaux avec un intervalle interstimuli de 425 ms. Les enfants ont également reproduit des séquences de deux stimuli avec un intervalle interstimuli de 20 et 1000 ms. Enfin, les enfants ont été soumis à des mesures neurophysiologiques à partir de potentiels évoqués auditifs de latence longue et de négativité de discordance avec des paires de stimuli verbaux et non verbaux. Les résultats obtenus permettent d’avancer que les participants du groupe d’enfants malentendants ont un trouble spécifique de traitement auditif. En effet, les résultats de la tâche comportementale montrent que les enfants malentendants ont de la difficulté à traiter des séquences de stimuli lorsque ceux-ci sont verbaux et acoustiquement similaires. Quant aux données neurophysiologiques, les résultats ont démontré que l’amplitude de l’onde tardive N2 était réduite chez les enfants malentendants comparativement à celle de l’onde N2 des deux autres groupes d’enfants. Cette onde pourrait être considérée comme étant un marqueur neurophysiologique reflétant l’influence d’une perte auditive sur le traitement auditif central. De plus, l’amplitude de l’onde de négativité de discordance pourrait être aussi un marqueur pour distinguer les enfants malentendants de ceux ayant un trouble de traitement auditif.Mots-clés : organisation séquentielle auditive, potentiels évoqués auditifs de latence longue, négativité de discordance, enfants malentendants d’âge scolaire / The present research explores the effects of peripheral hearing loss on central auditory processing. Previous studies showed that children with hearing loss have significant difficulties in performing complex listening tasks. Moreover, studies of adults with hearing loss revealed that cortical activity related to listening to acoustic stimuli differed from that of adults without hearing loss. However, results of these studies do not clarify the nature of the difficulties in processing auditory information among children with hearing loss. The present research examines this issue using behavioural and neurophysiological measures. Behavioural and neurophysiological data were collected with forty 9- to 12-year-old children: 12 with hearing loss, 12 with central auditory processing disorder (CAPD) and 16 with normal hearing. Children repeated, in order, two, three, and five verbal and nonverbal stimuli with an interstimulus interval of 425 ms. They also repeated sequences of two stimuli with an interstimulus interval of 20 or 1000 ms. Finally, late-latency auditory evoked potentials and mismatch responses were recorded in the participants using pairs of verbal and nonverbal stimuli. Results suggest that children with hearing loss have a specific central auditory processing disorder. Results of the behavioural task showed that children with hearing loss had difficulty processing sequences of stimuli when the stimuli were verbal as well as similar and complex acoustically. As for the neurophysiological data, results indicated that the amplitude of late N2 waveform was smaller in children with hearing loss than in the other two groups of children. The N2 waveform has the potential to be a neurophysiological marker revealing the influence of hearing loss on central auditory processing. Moreover, the amplitude of the mismatch response could be another marker to distinguish the children with hearing loss from those with central auditory processing disorder. Keywords : Auditory sequential organization, late-latency auditory evoked potentials, mismatch responses, school-aged children with hearing loss

L'objet de cette thèse est l'étude de l'asymptotique des collisions rasantes pour les équations de Kac et de Boltzmann ainsi que l'étude de la propagation du chaos pour l'équation de Keller-Segel dans un cadre sous-critique à l'aide d'équations différentielles stochastiques non linéaires. Le premier chapitre est consacré à l'équation de Kac avec un potentiel Maxwellien. Nous commençons par donner une vitesse de convergence explicite (que l'on pense être optimale) dans le cadre de l'asymptotique des collisions rasantes. Puis nous approchons la solution de l'équation de Kac dans le cadre général, ce qui nous permet de montrer la propagation du chaos pour un système de particules vers cette dernière de manière quantitative. Dans le deuxième chapitre, nous étudions l'asymptotique des collisions rasantes pour l'équation de Boltzmann avec des potentiels mous et de Coulomb. Nous donnons là encore des vitesses de convergence explicites (mais non optimales). Enfin dans le troisième et dernier chapitre, nous montrons la propagation du chaos pour l'équation de Keller-Segel dans un cadre sous-critique. Pour cela, nous utilisons des arguments de compacité (tension du système de particules).

L'interaction entre la biologie et l électronique est une discipline en pleine essort. De nombreux systèmes électroniques tentent de s interconnecter avec des tissus ou des cellules vivantes afin de décoder l information biologique. Le Potentiel d action (PA) est au cœur de codage biologique et par conséquent il est nécessaire de pouvoir les repérer sur tout type de signal bio-logique. Par conséquent, nous étudions dans ce manuscrit la possibilité de concevoir un circuit électronique couplé à un système de microélectrodes capable d'effectuer une acquisition, une détection des PAs et un enregistrement des signaux biologiques. Que ce soit en milieu bruité ou non, nous considérons le taux de détection de PA et la contrainte de temps réel comme des notions primordiales et la consommation en silicium comme un prix à payer. Initialement développés pour l étude de signaux neuronaux et pancréatiques, ces systèmes conviennent parfaitement pour d autres type de cellules.

Au voisinage de la condensation de Bose-Einstein, les propriétés collisionelles d'un gaz dilué d'hélium métastable He* dans l'état 23S1 sont gouvernées par les collisions auto-ionisantes de type Penning, et par la longueur de diffusion en onde s, notée "a". Nous avons mesuré "a" par photoassociation à deux photons formant une molécule contenant deux atomes métastables He* dans l'état le moins lié du potentiel d'interaction entre deux atomes métastables polarisés de spin. La mesure de l'énergie de liaison de cette molécule par résonance noire atomes-molécules permet d'en déduire la longueur de diffusion "a", que l'on a pu déterminer avec une grande précision (a = 7. 5105 ± 0.0025 nm), et qui ne dépend que très peu de la théorie : c'est donc une mesure directe. De plus, la durée de vie des molécules créées par spectroscopie à deux photons est liée à l'ionisation Penning entre les deux atomes He* qui la composent. Sa mesure permet de mieux comprendre le mécanisme de ce type de collisions.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale et théorique des corrélations de photons diffusés par des atomes refroidis par laser. Le spectre de corrélations d'intensité (ou, dans le domaine temporel, la fonction de corrélation) fournit différents types d'information selon la nature de l'échantillon atomique. Dans le cas d'un gaz d'atomes désordonné, nous montrons qu'il permet de mesurer là température de l'échantillon, mais c'est dans le cadre de l'étude de la dynamique atomique dans un potentiel optique tridimensionnel et périodique (un réseau atomique) que la technique se révèle la plus intéressante. Les spectres et fonctions de corrélations, interprétés grâce à des modèles numériques que nous exposons en détail, donnent en effet accès aux propriétés du transport des atomes dans le réseau, à petite comme à grande échelle. A l'instar d'autres techniques éprouvées, les corrélations d'intensité permettent de caractériser en détail la dynamique locale et le mouvement vibrationnel. Pour tirer parti de la nature particulière de la polarisation de la lumière diffusée dans les réseaux que nous étudions, nous introduisons la technique des corrélations d'intensité sélectives en polarisation qui nous permet d'obtenir des résultats originaux. En particulier, la fonction de corrélations croisées entre composantes de polarisation différente met en évidence la nature diffusive du mouvement* atomique dans certàines directions et porte la signature d'un nouvel effet de dégroupement de photons.

Les épilepsies acquises se déclarent après un processus graduel appelé épileptogenèse. Bien que cliniquement silencieux, ce processus implique des modifications fonctionnelles observables notamment par électroencéphalographie. Cette thèse vise i) à identifier des marqueurs électrophysiologiques apparaissant au cours de l'épileptogenèse, et ii) à comprendre les modifications physiopathologiques sous-jacentes responsables de ces marqueurs et de leur évolution temporelle. Dans un premier temps, nous avons, dans un modèle d'épilepsie partielle chez la souris, monitoré des signaux électrophysiologiques intracérébraux pendant la mise en place de la maladie. Nous avons observé dans ces signaux expérimentaux, l'émergence d'événements transitoires pathologiques appelés pointes épileptiques. Nous avons développé des méthodes de traitement du signal pour détecter et caractériser automatiquement ces événements. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence certains changements dans la forme des pointes épileptiques au cours de l'épileptogenèse ; en particulier l'apparition et l'augmentation d'une onde qui suit la pointe épileptique. Une hypothèse défendue dans ces travaux est que ces changements morphologiques peuvent constituer des marqueurs de l'épileptogenèse dans ce modèle animal. Dans un second temps, afin d'interpréter ces modifications électrophysiologiques en termes de processus neurophysiologiques sous-jacents, nous avons implémenté un modèle biomathématique, physiologiquement argumenté, capable de simuler des pointes épileptiques. Formellement, ce modèle est un système dynamique non linéaire qui reproduit les interactions synaptiques (excitatrices et inhibitrices) dans une population de neurones. Une analyse de sensibilité de ce modèle a permis de mettre en évidence le rôle critique de certains paramètres de connectivité dans la morphologie des pointes. Nos résultats montrent en effet, qu'une diminution de l'inhibition GABAergique entraîne un accroissement de l'onde dans les pointes épileptiques. À partir du modèle théorique, nous avons pu ainsi émettre des hypothèses sur les modifications opérant au cours du processus d'épileptogenèse. Ces hypothèses ont pu être en partie vérifiées expérimentalement en bloquant artificiellement l'inhibition GABAergique, dans le modèle in vivo chez la souris, et dans un modèle in vitro chez le rat. En conclusion, ce travail de thèse fournit, dans un modèle animal, un biomarqueur électrophysiologique de l'épileptogenèse et tente d'expliquer, grâce à une modélisation biomathématique, les processus neurophysiologiques sous-jacents qu'il reflète.

Les développements récents des techniques IRM engendre des sources de potentiels induits qui " polluent " les signaux électrophysiologiques, utilisé simultanément en IRM pour surveiller le patient et synchroniser les images. Le système élaboré dans ce travail est compose de deux modules " émetteur-récepteur " IRM-compatibles. Le premier permet d'introduire dans le tunnel d'IRM des signaux EPS dont on connait les caractéristiques. Les signaux sont injectés dans un tissu conducteur placé dans le tunnel. Le second module permet de recueillir les signaux après leur contamination par les artéfacts générés par les séquences d'imagerie. Il comporte 20 canaux répartis en quatre bandes fréquentielles (40, 80, 160 et 350 Hz). Des mesures du potentiel induit ont été réalisées en environnements 1,5 T et 3 T. Nous pouvons ainsi analyser les modifications des paramètres des signaux selon les séquences, mais aussi à l'intérieur des différentes bandes de fréquences. Dans ce travail, nous présentons une caractérisation et modélisation des potentiels induits par les commutations de gradients de champ magnétique recueilli par notre dispositif expérimental. La caractérisation et la modélisation permettent d'obtenir des informations pertinentes à prendre en compte pour l'élaboration des algorithmes de filtrage efficaces et robustes.

La présente thèse reprend trois articles de recherche (deux études et un article de revue) portant sur les neurosciences cognitives du langage, chacun desquels a été écrit en vue d’identifier les bénéfices que la théorie (neuro)linguistique contemporaine pourrait tirer d’une étude exhaustive des processus cognitifs et neuraux sous-tendant les troubles du spectre autistique (TSA) et inversement. Deux études y sont présentées, utilisant la méthode des potentiels évoqués, lesquelles fournissent des preuves préliminaires, chez des individus typiques, de deux aspects de la compréhension de phrases nécessitant une recherche approfondie chez des personnes autistes : (1) Les corrélats neuraux de la nature syntaxique et sémantique particulière des verbes d’expérience (par exemple The girl has feared the storm) contrairement aux verbes d’action (par exemple The kids have eaten the fries) et leur interface potentielle avec la Théorie de l’Esprit – la capacité d’attribuer des états mentaux à soi et à autrui – pour laquelle les personnes autistes semble accuser un retard et/ou un déficit, et (2) les corrélats neuraux des compétences en « imagerie visuelle », telles quelles sont identifiées à l’aide des Matrices de Raven, sur les processus de détection de violations de catégories grammaticales (par exemple He made the meal to enjoy with friends/He made the enjoy to meal with friends) dans un paradigme expérimental “équilibré” et en modalité visuelle. L’article de revue cherche à fournir une perspective plus large du rôle que les neurosciences cognitives des TSA peuvent jouer dans l’étude biologique du langage. L’importance de considérer l’autisme comme un « style cognitif » plutôt qu’un trouble en soi y est défendue, en particulier contre la notion commune d’autisme en tant que déficit de Théorie de l’Esprit. Au delà de leurs perspectives potentielles de recherche future auprès de populations autistes, ces trois articles cherchent à répondre à plusieurs questions de recherche cruciales sur le développement et la compréhension du langage (c’est à dire le débat sur la «P600 sémantique», les théorie d’échantillonnage asymétrique de la perception de la parole et de la musique, le rôle de la vision dans le langage, la modularité, les styles cognitifs et l’inférence Bayesienne). / The present thesis comprises a set of three research articles (two studies and one review article) on the cognitive neuroscience of language, all of which were written with the purpose of understanding the benefits that contemporary (neuro)linguistic theory may draw from an extensive study of the cognitive and neural processes underlying Autism Spectrum Disorders (ASD) and vice versa. Two studies are presented, using event-related brain potentials, which provide preliminary evidence in typical individuals for two aspects of sentence processing in need of future investigation in ASD participants: (1) The neural correlates of the peculiar syntactic and semantic nature of verbs of experience (Experiencer Subject verbs, i.e., The girl has feared the storm) as opposed to verbs of action (Agent Subject verbs, i.e., The boys have eaten the fries) and their potential interface with Theory of Mind – the ability to attribute mental states to self and others – known to present delays and impairments in autism, and (2) the neural correlates of “visual imagery” skills, as assessed through the Raven Matrices, on comprehenders’ ability to detect word category violations (e.g., He made the meal to enjoy with friends/He made the enjoy to meal with friends) in a balanced visual paradigm and their potential insights into the role of visual imagery in language comprehension, known to play a potentially predominant role in ASD. The review article attempts to provide a larger perspective on the role of the cognitive neuroscience of ASD in the biology of language, in which the importance of considering autism as a “cognitive style” rather than as a disorder is given greater value, especially relative to the common notion of autism solely as a Theory of Mind impairment. Aside from their potential prospects for future research in autistic populations, these three articles also attempt to frame their topic of inquiry into the broader context of contemporary research questions on language development and language comprehension, such as the role of animacy in language processing (the “semantic P600” debate), asymmetric sampling theories of speech and music perception, the role of vision in language, modularity, cognitive styles or Bayesian inference. / VERSION ANGLAISE DISPONIBLE AU DÉPARTEMENT; THÈSE RÉALISÉE CONJOINTEMENT AVEC L'ÉCOLE DES SCIENCES DE LA COMMUNICATION DE L'UNIVERSITÉ MCGILL (DRS. K. STEINHAUER ET J.E. DRURY).