Le système cholinergique joue un rôle important au niveau de l’attention, de la mémoire et des fonctions exécutives. Les processus corticaux sous-tendant ces fonctions cognitives reposent sur des mécanismes de plasticité synaptique, tels que la potentialisation à long terme (PLT), qui font aussi appel à la transmission cholinergique. La diminution de l’activité cholinergique et de la plasticité synaptique lors du vieillissement normal semble contribuer au déclin des fonctions cognitives chez les personnes âgées. Les études comprises dans cette thèse portent sur un marqueur de l’activité cholinergique dérivé de la stimulation magnétique transcrânienne (SMT), soit l’inhibition afférente à courte latence (short-latency afferent inhibition, en anglais; SAI). Les modifications liées à l’âge dans les niveaux de SAI ont été examinées chez des jeunes adultes et des personnes âgées en santé. Celles-ci ont ensuite été mises en lien avec la performance à des tests psychomoteurs et cognitifs évaluant l’attention, la mémoire, et les fonctions exécutives. Nous avons aussi examiné comment ces variations liées à l’âge dans les niveaux de SAI influencent la susceptibilité d’exprimer de la plasticité de type PLT dans le cortex moteur en réponse à un protocole de stimulations répétitives intermittentes par bouffées thêta (SiBT). Nos résultats ont d’abord montré que le conditionnement afférent des réponses évoquées par la SMT était sélectivement moins efficace à 20 ms chez les personnes âgées que chez les jeunes adultes, indiquant ainsi une réduction sélective du SAI avec l’âge (Études 1 et 3/4). Cette diminution des niveaux de SAI suggère un déclin de l’activité cholinergique avec l’âge. Des déclins associés au vieillissement normal ont ensuite été notés dans de nombreuses tâches examinant les fonctions psychomotrices et cognitives (Études 1-3). À cet égard, nous avons montré que les variations liées à l’âge dans les niveaux de SAI étaient significativement corrélées à la performance à des tests psychomoteurs complexes (Études 1 et 3), ainsi qu’à un score global reflétant la mémoire épisodique (Étude 2). Toutefois, les variations dans les niveaux de SAI n’étaient pas associées aux fonctions exécutives (Étude 2) ou à l’attention (Étude 3). Finalement, les niveaux de SAI mesurés chez les jeunes et les personnes âgées étaient peu indicateurs de la susceptibilité à exprimer de la plasticité synaptique de type PLT suite au protocole SiBT. En fait, nos résultats ont plutôt mis en évidence la présence d’une grande variabilité interindividuelle dans les réponses à ce protocole de stimulations répétitives visant la plasticité corticale (Étude 4). Dans l’ensemble, nos travaux suggèrent un déclin parallèle de l’activité cholinergique et de certaines fonctions cognitives lors du vieillissement normal. La diminution de l’efficacité du système cholinergique dans le cortex moteur, telle que reflétée dans les niveaux de SAI, semble être liée au déclin des fonctions psychomotrices et de la mémoire avec l’âge. Toutefois, des liens n’ont pu être clairement établis avec la susceptibilité individuelle à exprimer de la plasticité synaptique. D’autres études seront nécessaires afin de clarifier davantage la relation entre la diminution de l’activité cholinergique avec l’âge, telle que mesurée in vivo avec la SMT, et le déclin des performances cognitives.

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

La Stimulation Magnétique Transcrânienne (SMT) est une technique de stimulation neuronale offrant de nombreuses applications médicales. Cependant son utilisation reste empirique. L'objectif de cette thèse était de mettre en place un logiciel permettant de mieux comprendre les effets de la stimulation et d'aider à la réalisation de séances de SMT. Suite au développement de ce logiciel, il est apparu que celui-ci était devenu patrimonial. L'objectif secondaire de ce travail fut donc d'analyser l'obsolescence du logiciel et d'essayer d'apporter des solutions pour limiter ce phénomène via l'utilisation de l'Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM). Après avoir présenté les phénomènes régissant l'activité cérébrale nous présentons les différentes techniques de stimulation neuronale et les avantages qu'offre la SMT. Nous présentons également les bases nécessaires à la compréhension des phénomènes électromagnétiques, puis une introduction aux concepts fondamentaux de l'IDM. Dans une troisième partie, l'accent est mis sur les différentes modélisations et méthodes de calcul des effets de la Stimulation Magnétique Transcrânienne avant de présenter la solution qui a été retenue et implantée dans le simulateur. Les deux dernières parties du manuscrit se focalisent sur le simulateur dans sa globalité (visualisation 3D) puis à la manière dont il pourrait être refactorisé pour faciliter sa maintenance et l'inclusion des évolutions possibles que nous présentons en conclusion.

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

Les résultats de la Stimulation Magnétique Transcrânienne répétée (rTMS) dans le traitement des troubles dépressifs résistants, bien que positifs, sont modestes. Ces résultats modérés pourraient s’expliquer par une mauvaise définition de la cible thérapeutique. En effet, la cible thérapeutique dans cette indication est le cortex dorsolatéral préfrontal, c’est-à-dire une large région corticale constituée de plusieurs sub-régions cyto-architecturalement différentes, dont les aires 9 et 46 de Brodmann (BA 9 et BA 46). A partir de l’hypothèse que seule l’une de ces 2 sub-régions pourrait représenter une cible thérapeutique efficace en rTMS, une étude est réalisée afin de comparer la réponse thérapeutique observée par stimulations appliquées sur l’aire 9 et sur l’aire 46 de Brodmann.Quinze patients souffrant de troubles dépressifs (âge moyen : 55 ans) sont randomisés dans une étude en cross-over. Les patients reçoivent 10 séances de rTMS sur chacune des 2 aires (wash-out de 4 semaines entre les 2 séries de stimulation). La rTMS est administrée à 1 Hz sur le cortex droit (120 % du seuil moteur, 360 stimuli par séance). Un neuronavigateur est utilisé pour cibler la BA 9 et BA 46. Les effets thérapeutiques sont mesurés en aveugle avec des échelles standardisées (échelles de dépression de Hamilton et de Montgomery).Les résultats montrent que la rTMS peut être efficace aussi bien sur l’aire 9 que sur l’aire 46 de Brodmann. Toutefois, parmi les répondants, seulement deux d’entre eux ont présenté une réponse thérapeutique sur les 2 aires cérébrales. La plupart des participants n’ont répondu qu’à une seule des deux cibles corticales.Ce résultat suggère que l’identification systématique de la meilleure cible corticale pourrait augmenter les résultats thérapeutiques de la rTMS dans le traitement des troubles dépressifs. Par ailleurs, d’autres paramètres (anatomiques, génétiques, endocriniens) pourraient être déterminants dans l’efficacité des stimulations cérébrales / No abstract

Les aires cérébrales frontales et pariétales sont impliquées dans différents processus cognitifs importants pour la performance visuelle, tels que l'attention ou la conscience. Malgré les preuves existantes en faveur d'une implication de ces régions dans la cognition visuelle, leurs contributions dans le traitement de stimuli non masqués de faible contraste ainsi que l'activité spatio-temporelle sous-tendant ces contributions restent largement inexplorées, tout particulièrement en termes de causalité. Nous avons mené une exploration approfondie de ces contributions chez l'humain, en mettant l'accent sur la dynamique de l'activité neurale et les améliorations perceptives potentielles qui peuvent résulter de la manipulation non invasive de l'activité cérébrale. À cette fin, nous avons testé chez des sujets sains les effets d'impulsions simples ou de rafales courtes de stimulation magnétique transcrânienne (SMT) réelle versus fausse, délivrée sur le champ oculomoteur frontal ou le sillon intrapariétal avant la présentation d'un filtre de Gabor de faible contraste, sur la discrimination et la détection consciente de ce filtre de Gabor. Nos résultats montrent que chez l'humain, la distribution spatio-temporelle de l'activité frontale et pariétale joue un rôle causal dans la performance visuelle. Nos recherches contribuent à mieux comprendre les bases oscillatoires de la cognition visuelle et les comportements associés et à préparer le terrain pour le développement de nouvelles thérapies basées sur la manipulation non-invasive de l'activité cérébrale oscillatoire avec, pour objectif ultime, l'amélioration des pathologies neuropsychiatriques. / Frontal and parietal areas have been shown to subtend different cognitive processes such as attentional orienting, decision making and access to consciousness, with bearing on visual performance. In spite of prior evidence supporting an implication of those regions in visual cognition, their contributions to the processing of low-contrast unmasked stimuli and the characteristic spatiotemporal activity patterns underlying them remain to be fully explored and causation is lacking. We here addressed a thorough exploration of such contributions in humans, with an emphasis on the dynamics of neural activity and visual performance enhancements as probed by patterns of noninvasive manipulation of local brain oscillatory activity. To this end, we tested in healthy participants the effects of either single pulses or short bursts of active vs. sham transcranial magnetic stimulation (TMS), delivered to the frontal eye field (FEF) and the intraparietal sulcus (IPS) prior to the presentation of a lateralized low-contrast near-threshold Gabor stimulus, on the visual discrimination and conscious detection of such stimulus. Our findings contribute to better substantiate the oscillatory basis of visual cognition and its associated behaviors and to set the stage for the development of novel therapies based on noninvasive manipulation of dysfunctional brain oscillatory activity.

L’aphasie est un symptôme fréquent après un AVC et a un impact majeur social, économique, médical et psychologique sur les patients. Des études récentes ont tenté avec peu de succès de rechercher des critères pronostiques cliniques précoces de récupération d’une aphasie. L’enjeu de cette possibilité de prédiction est un enjeu majeur clinique et scientifique et peut influencer la prise en charge ré-éducative décidée dès les premiers jours après l’AVC. De plus, l’étude clinico-physiologique de la récupération du langage permettrait de mieux comprendre les mécanismes de plasticité cérébrale mis en jeux. Tout d’abord, nous allons nous intéresser chez le sujet sain à l’implication du cortex moteur dans des tâches de perception, renforçant l’idée que cette structure anatomique jouerait un rôle plus étendu que celui auquel elle a été reléguée pendant de nombreuses années, puis nous allons explorer des facteurs prédictifs de la récupération de l’aphasie, les facteurs langagiers dans un premier temps et des facteurs électrophysiologiques, notamment via la TMS explorant l’intégrité du cortex moteur, et leur contribution dans la prédiction de la récupération. / Considering the high incidence of post-stroke aphasia and its significant social and economic impact, better understanding the mechanisms of language recovery in order to predict patient’s outcome and to optimize rehabilitation is a clinical and scientific challenge. Here we aimed to study whether the motor cortex is involved in speech and language perception, suggesting this structure could play a crucial role. Then, we investigated whether some language features could contribute to the prognosis of aphasia recovery. Finally, we investigated whether the anatomofunctional evaluation of the corticomotor pathway using TMS could improve the prediction of post stroke aphasia recovery.

Résumé : INTRODUCTION : Le rappel de douleurs passées est souvent inexact. Ce phénomène, connu sous le nom de biais mnémonique, pourrait être lié au développement de certaines douleurs chroniques. Dans une étude précédente, notre laboratoire a montré, grâce à l’électroencéphalographie, que l’activité du gyrus temporal supérieur (GTS) était positivement corrélée à l’exagération des rappels douloureux. L’objectif de cette étude était de confirmer si l’activité cérébrale du GTS est impliquée causalement dans le phénomène du biais mnémonique. MÉTHODES : Dans cette étude randomisée à double insu, la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) fut utilisée pour perturber temporairement l’activité du GTS (paradigme de lésion virtuelle). Les participants étaient assignés aléatoirement au groupe contrôle (TMS simulée, n = 21) ou au groupe expérimental (TMS réelle, n = 21). L’intensité et l’aspect désagréable de la douleur ont été évalués grâce à des échelles visuelles analogues (ÉVA; 0 à 10) immédiatement après l’événement douloureux (stimulations électriques du nerf sural droit) et au rappel, 2 mois plus tard. L’exactitude du rappel douloureux fut calculée en soustrayant l’ÉVA au rappel de l’ÉVA initiale. RÉSULTATS : Le biais mnémonique de l’intensité de la douleur était similaire dans les deux groupes (contrôle = -0,3, expérimental = 0,0; p = 0,83) alors que le biais mnémonique de l’aspect désagréable de la douleur était significativement inférieur dans le groupe expérimental (contrôle = 1.0, expérimental = -0,4; p < 0,05). CONCLUSION : Nos résultats suggèrent que le GTS affecte spécifiquement nos souvenirs liés à l’aspect motivo-affectif de la douleur. Étant donné le lien entre l’exagération des souvenirs douloureux et la persistance de la douleur, l’inhibition du GTS pourrait être une avenue intéressante pour prévenir le développement de douleur chronique. / Abstract : INTRODUCTION: Pain memories are often inaccurate. This phenomenon, known as the mnemonic pain bias, could be related to the development of chronic pain. In a past study, our research team showed, using electroencephalography, that the activity of the superior temporal gyrus (STG) was positively correlated to the exaggeration of pain recall. The aim of this study was to confirm that the STG is causally involved in the pain mnemonic bias. METHODS: In this randomised double-blind study, single-pulse transcranial magnetic stimulation (TMS) was used to transiently disrupt (virtual lesion paradigm) the activity of the STG. Participants were either assigned to the control (sham TMS, n = 21) or experimental (real TMS, n = 21) group. Pain intensity and unpleasantness were assessed using visual analog scales (VAS; 0-10) immediately after the painful event (electric stimulations of the right sural nerve) and at recall, 2 months later. The accuracy of the pain recall was determined by calculating the difference between the VAS at recall and the initial VAS. RESULTS: The mnemonic pain intensity bias was similar in both groups (control = -0.3, experimental = 0.0; p = 0.83). However, the mnemonic pain unpleasantness bias was significantly lower in the experimental group (control = 1.0, experimental = -0.4; p < 0.05). CONCLUSION: Our results suggest that the STG affects specifically our memories of the affective component of pain. Given the link between exaggerated pain memories and the development of persistent pain, this study suggests that the inhibition of the STG could be a promising avenue for individuals at risk of developing chronic pain.

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

Résumé : L’interaction entre la douleur et le système moteur est bien connue en clinique et en réadaptation. Il est sans surprise que la douleur est un phénomène considérablement invalidant, affectant la qualité de vie de ceux et celles qui en souffrent. Toutefois, les bases neurophysiologiques qui sous-tendent cette interaction demeurent, encore aujourd’hui, mal comprises. Le but de la présente étude était de mieux comprendre les mécanismes corticaux impliqués dans l’interaction entre la douleur et le système moteur. Pour ce faire, une douleur expérimentale a été induite à l’aide d’une crème à base de capsaïcine au niveau de l’avant-bras gauche des participants. L'effet de la douleur sur la force des projections corticospinales ainsi que sur l’activité cérébrale a été mesuré à l’aide de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de l’électroencéphalographie (EEG), respectivement. L’analyse des données EEG a permis de révéler qu'en présence de douleur aiguë, il y a une augmentation de l’activité cérébrale au niveau du cuneus central (fréquence têta), du cortex dorsolatéral préfrontal gauche (fréquence alpha) ainsi que du cuneus gauche et de l'insula droite (toutes deux fréquence bêta), lorsque comparée à la condition initiale (sans douleur). Également, les analyses démontrent une augmentation de l'activité du cortex moteur primaire droit en présence de douleur, mais seulement chez les participants qui présentaient simultanément une diminution de leur force de projections corticales (mesurée avec la TMS t=4,45, p<0,05). Ces participants ont également montré une plus grande connectivité entre M1 et le cuneus que les participants dont la douleur n’a pas affecté la force des projections corticospinales (t=3,58, p<0,05). Ces résultats suggèrent qu’une douleur expérimentale induit, chez certains individus, une altération au niveau des forces de projections corticomotrices. Les connexions entre M1 et le cuneus seraient possiblement impliquées dans la survenue de ces changements corticomoteurs. / Abstract : The interaction between pain and the motor system is well-known in clinic. For instance, it is well documented that pain significantly complicates the rehabilitation of the patients. The aim of the present study was to better understand the cortical mechanisms underlying the interaction between pain and the motor system. Nineteen healthy adults participated in the study. The effect of pain (induced with a capsaicin cream) on brain activity and on the corticomotor system was assessed with electroencephalography (EEG) and transcranial magnetic stimulation (TMS), respectively. For EEG, 15 non-overlapping, 2-seconds artifacts were randomly selected for each participant. Intracranial source current density and functional connectivity was determined using sLORETA software. When participants experienced experimentally-induced inflammatory pain, their resting state brain activity increased significantly in the central cuneus (theta frequency), left dorsolateral prefrontal cortex (alpha frequency), and both left cuneus and right insula (beta frequency; all ts >3.66; all ps<0.01). A pain-evoked increase in the right primary motor cortex (M1) activity was also observed (beta frequency), but only among participants who showed a simultaneous reduction in the strength of the corticospinal projections (quantified using the recruitment curves obtained with TMS; t=4.45, p<0.05). These participants further showed greater beta motor-cuneus connectivity than participants for whom pain did not affect M1 somatotopy (t=3.58, p<0.05). These results suggest that pain-evoked increases in M1 beta power are intimately tied to alterations in corticospinal system. Moreover, we provide evidence that beta motor-cuneus connectivity is related to the corticomotor alterations induced by pain.