La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une technique d'investigation classiquement utilisée dans l'évaluation du cortex moteur. La TMS est utilisée dans l'étude de la fatigue afin de distinguer sa composante centrale. Peu d'études ont utilisé cette technique pour évaluer les effets de l'exercice locomoteur et aucune dans des conditions extrêmes. Ainsi, l'objectif de cette thèse était double: d'abord, répondre à certaines questions méthodologiques concernant l'utilisation de la TMS dans l'évaluation de la fatigue, en particulier du muscle quadriceps, et deuxièmement, étudier les effets de l'exercice en conditions extrêmes sur le développement de la fatigue centrale et supraspinal ainsi que sur l’excitabilité et l'inhibition corticospinales. Dans les Etudes 1 et 2, l'effet de différentes approches d'une force cible avant l’application d'une impulsion TMS ainsi que les différences entre les principales méthodes utilisées pour déterminer l'intensité optimale de TMS ont été étudiés. Dans l'Etude 3, l'effet d'une nuit de privation de sommeil sur les performances cognitives et physiques et les paramètres centraux a été étudié. L'effet d'un ultra-trail de 110 km sur la composante supraspinale de la fatigue centrale a été évalué dans l'Etude 4. Les conclusions principales de cette thèse sont, sur le plan méthodologique, i) que lors de l'évaluation par TMS pendant de brèves contractions volontaires, il est essentiel d’appliquer l'impulsion de TMS après que la force produite par le sujet se soit stabilisée à la valeur cible et ii) qu'une courbe stimulus-réponse à 20% de la force maximale volontaire est appropriée pour déterminer l'intensité de TMS optimale dans les études portant sur l'exercice et la fatigue. De plus, bien que la privation de sommeil ait des impacts négatifs sur les performances cognitives et à l'exercice, elle n'a pas d'influence sur des paramètres neuromusculaires ni ne provoque une plus grande fatigue centrale. Une fatigue supraspinale se développe et l’excitabilité corticospinale augmente au cours d’exercices d'endurance/ultra-endurance en course à pied et ne vélo, tandis que les effets sur les mécanismes inhibiteurs corticospinaux sont équivoques et probablement dépendent des caractéristiques de l'exercice et de l'intensité de la TMS / Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a widely-used investigative technique in motor cortical evaluation. TMS is now being used in the investigation of fatigue to help partition the effects of central fatigue. Few studies have utilized this technique to evaluate the effects of locomotor exercise and none in conditions of extreme exercise. Therefore, the purpose of this thesis was twofold; first, to answer methodological questions pertaining to the use of TMS in fatigue evaluation, particularly of the quadriceps, and second, to investigate the effects of extreme exercise conditions on the development of central and supraspinal fatigue and corticospinal excitability and inhibition. In Studies 1 and 2, the effect of approaching a target force in different ways before the delivery a TMS pulse and the difference between commonly-employed methods of determining TMS intensity on the selection of optimal TMS intensity were investigated. In Study 3, the effect of one night sleep deprivation on cognitive and exercise performance and central parameters was investigated. The effect of a 110-km ultra-trail on the supraspinal component of central fatigue was evaluated in Study 4. The principal findings from this thesis are that during TMS evaluation during brief voluntary contractions, it is essential to deliver the TMS pulse once the force has stabilized at the target and that a stimulus-response curve at 20% MVC is appropriate for determining optimal TMS intensity in exercise and fatigue studies. Furthermore, while sleep deprivation negatively-impacted cognitive and exercise performance, it did not influence neuromuscular parameters nor result in greater central fatigue. Supraspinal fatigue develops and corticospinal excitability increases during endurance/ultra-endurance running and cycling, while the effects on inhibitory corticospinal mechanisms are equivocal and probably depend on exercise characteristics and TMS intensity

Nous sommes fonctionnellement et structurellement asymétriques. La symétrie parfaite que nous expérimentons subjectivement en observant l'espace qui nous entoure est, dans une certaine mesure, une illusion. La cognition visuospatiale, comme indiqué par les tâches de bissection de lignes, est généralement biaisée à gauche chez les sujets sains et à droite suite à des lésions de l'hémisphère droit causant la Négligence Spatiale Unilatérale (NSU). Ces biais peuvent être modulés et l'adaptation prismatique (AP) a démontré sa capacité à réduire les symptômes de la NSU et à induire des comportements similaires à la NSU chez les individus sains. La question de savoir comment ce type d'adaptation sensorimotrice module la cognition spatiale est encore débattue. L'objectif de cette thèse était d'utiliser des approches comportementales et physiologiques, pour examiner les mécanismes sous-jacents des effets de l'AP sur la cognition visuospatiale d'individus sains. Dans une 1ère étude comportementale, nous avons observé la présence d'une dynamique temporelle des effets survenant après l'AP. Suite à ce premier résultat, nous avons testé sur une période de temps plus longue les effets faisant suite à l'AP déviant la vision vers la droite ou la gauche, et nous avons dévoilé, dans une 2ème étude, des dynamiques temporelles différentes en fonction de la direction de l'AP. Dans une 3ème étude, nous avons utilisé la stimulation magnétique transcrânienne pour étudier la physiologie sous-tendant la modulation visuospatiale efficacement induite par l'AP. Les résultats de cette thèse appellent à un raffinement des modèles actuels de l'action de l'AP sur la cognition visuospatiale / We are functionally and structurally asymmetric. The perfect symmetry we subjectively experience through vision of the space around us is, to some extent, an illusion. Visuospatial cognition, as indexed by performance on line bisection tasks, is generally biased leftward in healthy individuals and pathologically rightward after right brain damage causing unilateral spatial neglect (USN). These biases can be modulated and prism adaptation (PA) is capable of both alleviating USN symptoms and inducing a rightward shift (the so-called “neglect-like behavior”) in healthy individuals. How this type of sensorimotor adaptation modulates spatial cognition is still debated. The goal of this thesis was to use both behavioral and physiological approaches to investigate the underlying mechanisms of PA’s effects on visuospatial cognition in healthy individuals. In a first behavioral study we found the presence of a temporal dynamic in PA after-effects. Based on this first finding we tested, over a longer period of time the PA after-effects following both right and leftward PA and unveiled, with the second study, different temporal dynamics depending on PA direction. In a third study we used transcranial magnetic stimulation to investigate the physiology underlying the effective visuospatial modulation induced by PA. The results of this thesis call for a refinement of the current models of PA action on visuospatial cognition

Dans les suites d'un accident vasculaire moteur (AVC), il existe une réorganisation des cartes de représentation corticale des territoires musculaires pouvant intéresser aussi bien le cortex moteur primaire (CMP) que le cortex prémoteur (CPM) de l'hémisphère cérébral atteint. La contribution de ces deux aires à la plasticité corticale post-AVC est loin d'être bien définie. Notre objectif était d'étudier les modifications de cartographie corticale motrice, notamment au niveau du CMP et du CPM, et leur implication dans la récupération fonctionnelle post-AVC. Dans ce but nous avons utilisé une technique de stimulation magnétique transcrânienne (SMT) guidée par l'imagerie (neuronaviguée). Les limites anatomiques des aires corticales et l'existence de repères anatomiques fiables dans différentes régions d'intérêts ont été définies dans un premier temps. Puis nous avons établi la cartographie normale des représentations corticales motrices dans un groupe de sujets sains, notamment au moyen de cartes « probabilistes » d'obtention de réponses motrices à la SMT qui prennent en compte les variabilités interindividuelles. Nous avons ensuite étudié les modifications de ces représentations dans un groupe de patients ayant des séquelles de lésion vasculaire des régions corticales motrices. Enfin, nous avons effectué un travail prospectif de suivi cartographique d'un groupe de patients ayant présenté un AVC moteur. Dans cette dernière partie, l'analyse des données cliniques et de SMT obtenues à la phase aigüe et à trois mois de l'AVC nous a permis de caractériser les modifications anatomo-fonctionnelles corticales qui accompagnent la régression du déficit moteur, supportant en particulier le rôle central du CMP de l'hémisphère lésé. En conclusion, nous proposons des modèles d'organisation neuronale expliquant le fonctionnement du cortex moteur chez le sujet sain ainsi que la récupération motrice après une lésion partielle du CMP. / Following stroke, reorganization of the motor cortical maps takes places and involves both the primary motor cortex (M1) and the premotor cortex (PMC) on the affected hemisphere. The relative contribution of each of these two cortical areas in the process of post-stroke plasticity and motor recovery remains uncertain. The present project was designed to study the cortical changes that follow a motor stroke, namely those involving M1 and the PMC, and their implications for motor recovery. For this purpose we used MRI-guided (neuronavigated) transcranial magnetic stimulation (TMS). First, we defined the anatomical limits of the cortical areas and the reliable cortical landmarks within each region of interest. We then defined a normal motor map in a group of healthy subjects. Our “probabilistic” map was based on the probability of obtaining motor responses in a given area and therefore accounted for inter-subject variability of motor representations. Thereafter we studied the modifications of the motor cortical representations in a group of patients having recovered from a motor stroke. Finally, we prospectively followed a group of patients presenting with a motor stroke. By comparing the neurophysiological and clinical data at admission and three months later, we were able to characterize the anatomo-functional cortical changes that accompany motor recovery following stroke. Our results are consistent with a major role of M1 in motor recovery. To conclude, we propose a model of how the motor cortex works in healthy subjects and during post-stroke recovery process.

Mémoire de maîtrise présenté en vue de l'obtention de la maîtrise en psychologie (M. Sc) / L'humeur, en tant qu’élément central dans notre perception du monde, englobe diverses émotions et affecte grandement le bien-être mental et physiologique. Une régulation efficace de l'humeur est vitale pour un fonctionnement quotidien normal et tout dérèglement peut mener à des troubles psychologiques majeurs comme la dépression. Au niveau cérébral, le système de récompense, en particulier le cortex préfrontal dorsolatéral gauche (CPFdl) et ses projections dopaminergiques, joue un rôle central dans la régulation de l'humeur et du plaisir. De nombreuses recherches montrent maintenant que l’écoute de la musique influence notre humeur, en agissant sur le système de récompense. En outre, la stimulation magnétique transcrânienne répétitive excitatrice (SMTr) ciblant le CPFdl gauche a donné des résultats prometteurs en modifiant l'humeur et l'activité du système de récompense, ainsi qu'en modulant le plaisir perçu et la motivation pendant l'écoute de la musique en augmentant l'excitabilité et la plasticité corticales. Cependant, les études existantes sur l'impact de la SMTr sur l'humeur des personnes en bonne santé aboutissent à des résultats contradictoires, et l'effet conjoint de la SMTr et de la musique sur l'humeur reste inexploré. Cette étude vise donc à déterminer si la SMTr excitatrice peut augmenter les effets de la musique sur l'humeur chez des volontaires sains. Plus précisément, nous souhaitons valider l'impact de la musique, de la SMTr et de leur application combinée sur l'humeur des participants. Vingt-quatre participants ont suivi quatre sessions expérimentales, comprenant soit la SMTr seule, l’écoute de la musique seule, la SMTr associée à l’écoute de la musique, ou les conditions placebo/sham. L'humeur des participants a été évaluée à l'aide d'un questionnaire sur l'humeur et d'enregistrements de l'activité électrodermale (EDA) avant et après les stimuli. Les résultats ont révélé une amélioration significative de l'humeur générale et de l'humeur positive, ainsi qu'une diminution significative de l'humeur négative au cours de la séance de musique seule, ce qui indique l'efficacité de la musique en tant qu'intervention pour améliorer l'humeur. À l'inverse, la séance de SMTr seule a entraîné une diminution de l'humeur positive et une augmentation de l'humeur négative, ce qui suggère un effet négatif potentiel de la SMTr sur l'humeur. . Dans la session SMTr + musique, on a observé une tendance à l'amélioration de l'humeur, ce que nous interprétons comme le fait que l'application de la SMTr sur le CPFdl gauche a entrainé une baisse de l'humeur, tandis que l'écoute de la musique contrecarrait cet effet en induisant une humeur positive et en réduisant l'humeur négative.En conclusion, les résultats de cette étude soulignent le potentiel de la musique en tant qu'intervention visant à améliorer l'humeur. En outre, les résultats suggèrent que la SMTr excitatrice ciblant le CPFdl gauche peut entraîner une baisse de l'humeur. Il est nécessaire de poursuivre les recherches dans ce domaine, notamment en explorant d'autres combinaisons de stimuli, telles que la SMTr excitatrice sur le CPFdl droit associée à la musique, afin de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents et d'optimiser l'utilisation de ces interventions pour la régulation de l'humeur. Ces recherches supplémentaires permettront de mieux comprendre la modulation de l'humeur et d'améliorer l'efficacité des interventions dans ce domaine. / Mood, as a central element in our perception of the world, encompasses a variety of emotions and greatly affects mental and physiological well-being. Effective mood regulation is vital for normal daily functioning, and any disruption can lead to major psychological disorders such as depression. At the cerebral level, the reward system, in particular, the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) and its dopaminergic projections, plays a central role in regulating mood and pleasure. A large body of research now shows that listening to music influences our mood, by affecting the reward system. In addition, excitatory repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) targeting the left DLPFC has shown promising results in altering mood and the reward system activity, as well as modulating perceived pleasure and motivation during music listening by increasing cortical excitability and plasticity. However, existing studies on the impact of rTMS on mood in healthy individuals yield conflicting results, and the joint effect of rTMS and music on mood remains unexplored. This study aims to determine whether excitatory rTMS can enhance the effects of music on mood in healthy volunteers. More specifically, we aim to validate the impact of music, rTMS, and their combined application on participants' mood. Twenty-four participants completed four experimental sessions, comprising either rTMS alone, listening to music alone, rTMS + music, or placebo/sham conditions. Participants' mood was assessed using a mood questionnaire and electrodermal activity (EDA) recordings before and after the stimuli. Results revealed a significant improvement in overall mood and positive mood, as well as a significant decrease in negative mood during the music-only session, indicating the effectiveness of music as a mood-enhancing intervention. Conversely, the rTMS session alone resulted in a decrease in positive mood and an increase in negative mood, suggesting a potential negative effect of rTMS on mood. In rTMS + music session, there was a trend in mood improvement, which we interpret as meaning that applying rTMS to the left DLPFC resulted in a decrease in the mood while listening to music counteracted this effect by inducing positive mood and reducing negative mood. In conclusion, the results of this study underline the potential of music as a mood-enhancing intervention. In addition, the results suggest that excitatory rTMS targeting the left DLPFC may lead to a decrease in mood. Further research in this area is necessary, including exploring alternative combinations of stimuli, such as excitatory rTMS on the right DLPFC in conjunction with music to better understand the underlying mechanisms and optimize the use of these interventions for mood regulation. This additional research will contribute to a more comprehensive understanding of mood modulation and enhance the effectiveness of interventions in this field.

Environ 300 millions de personnes dans le monde souffrent de dépression et environ 30% vont développer une dépression réfractaire. Une dépression est réfractaire quand deux traitements antidépresseurs ou plus échouent à améliorer la condition d’un patient. La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est un traitement sécuritaire et efficace de la dépression réfractaire. Son efficacité et sa tolérabilité ont été largement prouvées grâce à des études randomisées, des méta-analyses et des revues de littérature. Toutefois, jusqu’à présent, le traitement de la dépression réfractaire avec la TMS demeure sous-étudié avec des données en pratique clinique réelle. Pour répondre à cette lacune, nous avons conduit une analyse rétrospective des dossiers médicaux de patients dépressifs réfractaires ayant suivi un traitement de TMS à l’Unité de Neuromodulation Psychiatrique (UNP) du Centre Hospitalier de l’Université de Montréal (CHUM) entre janvier 2012 et mai 2022. Nous avons examiné l’efficacité et la tolérabilité de la TMS pour ces patients. De façon secondaire, nous avons vérifié si des caractéristiques cliniques des patients avant leur traitement de TMS pouvaient être associées avec l’amélioration de leurs symptômes dépressifs à la suite du traitement de TMS. Nous avons également vérifié si nos résultats étaient semblables à ceux retrouvés dans la littérature scientifique. Cette étude offrirait aux cliniciens une perspective réaliste de l’efficacité et de la tolérabilité de la TMS à une clinique de troisième ligne. / Around 300 million people worldwide suffer from depression and around 30% will develop treatment-resistant depression (TRD). Depression is treatment-resistant when two or more antidepressant treatments fail to improve a patient’s condition. Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a safe and effective treatment for TRD. Its efficacy and tolerability have been widely demonstrated through randomized studies, meta-analyses, and literature reviews. However, to date, the treatment of TRD with TMS remains under-studied with evidence in real-world clinical practice. To address this gap, we conducted a retrospective chart review of TRD patients who had undergone TMS therapy at the Psychiatric Neuromodulation Unit (UNP) of the University of Montreal Hospital Center (CHUM) between January 2012 and May 2022. We examined the efficacy and tolerability of TMS for these patients. As a secondary measure, we examined whether baseline clinical characteristics of patients could be associated with the improvement of their depressive symptoms following TMS treatment. We also examined whether our results were similar to those found in the scientific literature. This study would provide clinicians with a realistic perspective on the efficacy and tolerability of TMS at a third-line clinic.

Chez l’humain, différents protocoles de stimulation magnétique transcrânienne répétée (SMTr) peuvent être utilisés afin de manipuler expérimentalement la plasticité cérébrale au niveau du cortex moteur primaire (M1). Ces techniques ont permis de mieux comprendre le rôle du sommeil dans la régulation de la plasticité cérébrale. Récemment, une étude a montré que lorsqu’une première session de stimulation SMTr au niveau de M1 est suivie d’une nuit de sommeil, l’induction subséquente de la plasticité par une deuxième session SMTr est augmentée. La présente étude a investigué si ce type de métaplasticité pouvait également bénéficier d’une sieste diurne. Quatorze sujets en santé ont reçu deux sessions de intermittent theta burst stimulation (iTBS) connue pour son effet facilitateur sur l’excitabilité corticale. Les sessions de stimulation étaient séparées par une sieste de 90 minutes ou par une période équivalente d’éveil. L’excitabilité corticale était quantifiée en terme d’amplitude des potentiels évoqués moteurs (PEM) mesurés avant et après chaque session de iTBS. Les résultats montrent que la iTBS n’est pas parvenue à augmenter de manière robuste l’amplitude des PEMs lors de la première session de stimulation. Lors de la deuxième session de stimulation, la iTBS a produit des changements plastiques variables et ce peu importe si les sujets ont dormi ou pas. Les effets de la iTBS sur l’excitabilité corticale étaient marqués par une importante variabilité inter et intra-individuelle dont les possibles causes sont discutées. / In humans, various repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) protocols can be used to modulate motor cortical plasticity. These techniques have shed light on the role of sleep in neural plasticity regulation. Recent work has demonstrated that when a night of sleep follows one session of rTMS over the hand motor cortex (M1), the capacity to induce subsequent plasticity by another rTMS session in M1 is enhanced. The present study investigated whether such metaplasticity could also benefit from a day nap. Fourteen healthy participants received two sessions of intermittent theta burst stimulation (iTBS) known for its excitatory effects on cortical excitability over M1 spaced by either a 90-minute nap or an equivalent amount of wake. Motor cortical excitability was measured in terms of amplitude of motor evoked potentials (MEP), which were assessed before iTBS and after the stimulation. Results show that the first iTBS session did not induce significant change in MEP amplitude. The second iTBS session induced variable plastic changes regardless of whether participants slept or stayed awake. The effects of iTBS on motor cortical excitability were highly variable within and between individuals. The possible causes of such variability are discussed.

Il a été suggéré que la similarité physique entre un observateur et une action observée facilite la perception et la compréhension d’action. Par exemple, l’observation d’un acteur exécutant des gestes de la main ayant une signification culturelle est associée à une augmentation de l’excitabilité corticospinale lorsque les deux individus sont de la même ethnicité (Molnar-Szakacs et al., 2007). La perception tactile serait également facilitée lorsqu’un individu regarde un modèle de sa propre race être touché (Serino et al., 2009), tandis que des études en imagerie cérébrale fonctionnelle suggèrent la présence d’activations plus importantes dans le cortex cingulaire lorsqu’un sujet observe une personne de son propre groupe racial ressentir de la douleur (Xu et al., 2009). Certaines études ont lié ces résultats à un mécanisme de résonance motrice, possiblement associé au système des neurones miroirs (SNM), suggérant que la représentation de l’action dans les aires motrices est facilitée par la similarité physique. Toutefois, la grande majorité des stimuli utilisés dans ces études comportent une composante émotionnelle ou culturelle pouvant masquer les effets purement moteurs liant la similarité physique à un mécanisme de résonance motrice. De plus, la sélectivité de l’activation du SNM face à des stimuli biologiques a récemment été remise en question en raison de biais méthodologiques. La présente thèse présente trois études visant à évaluer l’effet de la similarité physique et des caractéristiques biologiques d’un mouvement sur la résonance motrice à l’aide de mesures comportementales et neurophysiologiques. À cet effet, l’imitation automatique de mouvements de la main, l’excitabilité corticospinale et la désynchronisation du rythme électroencéphalographique mu ont servi de marqueurs de l’activité du SNM. Dans les trois études présentées, la couleur de la peau et l’aspect biologique du stimulus observé ou imité ont été systématiquement manipulés. Nos données confirment la sélectivité du SNM pour le mouvement biologique en démontrant une réponse imitative plus rapide et une désynchronisation du rythme mu plus prononcée lors de la présentation de stimuli biologiques comparativement à des stimuli non-biologiques répliquant les aspects physiques du mouvement humain. Les deux mêmes mesures montrent une réponse neurophysiologique et comportementale équivalente lorsque l’action est exécutée par un agent de couleur similaire ou dissimilaire au participant. Nous rapportons aussi un effet surprenant de la similarité physique sur l’excitabilité corticospinale, où l’observation d’une action exécutée par un agent de couleur différente est associée à une activation plus grande du cortex moteur primaire droit de participants de sexe féminin. Prises dans leur ensemble, ces données suggèrent que la similarité physique avec une action observée ne module généralement pas l’activité du SNM au niveau des aires sensorimotrices en l’absence de composantes culturelles et émotionnelles. De plus, les résultats présentés suggèrent que le SNM est sélectif au mouvement biologique plutôt qu’à l’aspect kinématique du mouvement. / It has been suggested that physical similarity with an observed model facilitates action perception and understanding. For example, increased corticospinal excitability is found in participants observing actors of their own ethnicity performing culture-specific hand movements (Molnar-Szakacs et al., 2007). Tactile perception is also said to be increased when individuals watch a model of the same race being touched (Serino et al., 2009). Moreover, imaging data suggest that stronger activations are observed in the cingulate cortex when a subject observes a person of their own race feeling pain (Xu et al., 2009). Some studies have linked these findings with a motor resonance mechanism, possibly associated with the mirror neuron system (MNS), suggesting that action representation in motor areas is facilitated by physical similarity. However, most of the observed stimuli in those studies include emotional or cultural components, which may blur the link between physical similarity and motor resonance per se. The present thesis is comprised of three studies that aimed at evaluating the effect of physical similarity on motor resonance using stimuli that are purely motor in nature. The effect of physical similarity on motor responses during action observation was assessed with behavioral and electrophysiological measures. To this end, imitation of simple finger movements, as well as corticospinal excitability and mu rhythm desynchronization during passive observation of simple finger movements was evaluated, using stimuli that were similar or dissimilar to the participant in terms of skin color. In line with previous results, observation of biological movement resulted in faster reaction times and greater mu desynchronization compared to non-biological movement. Physical similarity with the imitated or observed hand did not affect imitation speed or mu desynchronization. It did, however, have a surprising effect on corticospinal excitability, where the amplitude of transcranial magnetic stimulation-induced motor evoked potentials was greater in the right hemisphere of female participants observing hand movement executed by hands of a different color. These data suggest that physical similarity with an observed action in terms of skin color does not modulate MNS activity in sensorimotor cortex when cultural and emotional components are absent. The present results also strengthen the notion that the motor cortex node of the MNS is tuned to the biological nature of an observed action.

La découverte dans le cerveau du singe macaque de cellules visuo-motrices qui répondent de façon identique à la production et la perception d’actes moteurs soutient l’idée que ces cellules, connues sous le nom de neurones-miroirs, encoderaient la représentation d’actes moteurs. Ces neurones, et le système qu’ils forment, constitueraient un système de compréhension moteur; par delà la simple représentation motrice, il est également possible que ce système participe à des processus de haut niveau en lien avec la cognition sociale. Chez l’humain adulte, des études d’imagerie récentes montrent d’importants chevauchements entre les patrons d’activité liés à l’exécution d’actes moteurs et ceux associés à la perception d’actions. Cependant, malgré le nombre important d’études sur ce système de résonance motrice, étonnamment peu se sont penchées sur les aspects développementaux de ce mécanisme, de même que sa relation avec certaines habiletés sociales dans la population neurotypique. De plus, malgré l’utilisation répandue de certaines techniques neurophysiologiques pour quantifier l’activité de ce système, notamment l’électroencéphalographie et la stimulation magnétique transcrânienne, on ignore en grande partie la spécificité et la convergence de ces mesures dans l’étude des processus de résonance motrice. Les études rassemblées ici visent à combler ces lacunes, c'est-à-dire (1) définir l’existence et les propriétés fonctionnelles du système de résonance motrice chez l’enfant humain, (2) établir le lien entre ce système et certaines habiletés sociales spécifiques et (3) déterminer la validité des outils d’investigation couramment utilisés pour mesurer son activité. Dans l’article 1, l’électroencéphalographie quantitative est utilisée afin de mesurer l’activité des régions sensorimotrices chez un groupe d’enfants d’âge scolaire durant la perception d’actions de la main. On y démontre une modulation de l’activité du rythme mu aux sites centraux non seulement lors de l’exécution de tâches motrices, mais également lors de l’observation passive d’actions. Ces résultats soutiennent l’hypothèse de l’existence d’un système de résonance motrice sensible aux représentations visuelles d’actes moteurs dans le cerveau immature. L’article 2 constitue une étude de cas réalisée chez une jeune fille de 12 ans opérée pour épilepsie réfractaire aux médicaments. L’électroencéphalographie intracrânienne est utilisée afin d’évaluer le recrutement du cortex moteur lors de la perception de sons d’actions. On y montre une modulation de l’activité du cortex moteur, visible dans deux périodes distinctes, qui se reflètent par une diminution de la puissance spectrale des fréquences beta et alpha. Ces résultats soutiennent l’hypothèse de l’existence d’un système de résonance motrice sensible aux représentations auditives d’actions chez l’enfant. L’article 3 constitue une recension des écrits portant sur les données comportementales et neurophysiologiques qui suggèrent la présence d’un système de compréhension d’action fonctionnel dès la naissance. On y propose un modèle théorique où les comportements d’imitation néonataux sont vus comme la résultante de mécanismes d’appariement moteurs non inhibés. Afin de mesurer adéquatement la présence de traits empathiques et autistique dans le but de les mettre en relation avec l’activité du système de résonance motrice, l’article 4 consiste en une validation de versions françaises des échelles Empathy Quotient (Baron-Cohen & Wheelwright, 2004) et Autism Spectrum Quotient (Baron-Cohen et al., 2001) qui seront utilisées dans l’article 5. Les versions traduites de ces échelles ont été administrées à 100 individus sains et 23 personnes avec un trouble du spectre autistique. Les résultats répliquent fidèlement ceux obtenus avec les questionnaires en version anglaise, ce qui suggère la validité des versions françaises. Dans l’article 5, on utilise la stimulation magnétique transcrânienne afin d’investiguer le décours temporel de l’activité du cortex moteur durant la perception d’action et le lien de cette activité avec la présence de traits autistiques et empathiques chez des individus normaux. On y montre que le cortex moteur est rapidement activé suivant la perception d’un mouvement moteur, et que cette activité est corrélée avec les mesures sociocognitives utilisées. Ces résultats suggèrent l’existence d’un système d’appariement moteur rapide dans le cerveau humain dont l’activité est associée aux aptitudes sociales. L’article 6 porte sur la spécificité des outils d’investigation neurophysiologique utilisés dans les études précédentes : la stimulation magnétique transcrânienne et l’électroencéphalographie quantitative. En utilisant ces deux techniques simultanément lors d’observation, d’imagination et d’exécution d’actions, on montre qu’elles évaluent possiblement des processus distincts au sein du système de résonance motrice. En résumé, cette thèse vise à documenter l’existence d’un système de résonance motrice chez l’enfant, d’établir le lien entre son fonctionnement et certaines aptitudes sociales et d’évaluer la validité et la spécificité des outils utilisés pour mesurer l’activité au sein de ce système. Bien que des recherches subséquentes s’avèrent nécessaires afin de compléter le travail entamé ici, les études présentées constituent une avancée significative dans la compréhension du développement et du fonctionnement du système de résonance motrice, et pourraient éventuellement contribuer à l’élaboration d’outils diagnostiques et/ou de thérapeutiques chez des populations où des anomalies de ce système ont été répertoriées. / The discovery of cells in the macaque brain that respond both to action production and perception brings support to the hypothesis that these mirror-neurons (MN) code for the representation of action. These cells, and the system they form (the so-called mirror neuron system; MNS), appear to underlie action understanding by simulating the perceived action into the observer’s brain. Beyond simple action understanding, it has been suggested that this system contributes to higher-order processes related to social cognition. In human adults, recent imaging studies have shown important ovelaps in the activity patterns during both action production and execution, supporting the existence of a system similar to that shown in monkeys. However, surprisingly few studies have investigated the presence and the development of the MNS in the human child, and its relationship with socio-cognitive abilities in healthy individuals. Moreover, we still ignore the specificity of measures widely used to assess this system. The studies that follow aim at clarifying these issues. More specifically, the main objectives of this work are to : (1) establish the existence and the properties of motor resonance mechanisms in children; (2) clarify the relationship between activity of the MNS and social abilities in healthy individuals; and (3) determine the specificity of neurophysiological tools widely used to measure MNS activity in humans. In the first article, quantitative electroencephalography is used to assess the activity of sensorimotor regions in a group of school-age children during the observation of simple hand movements. We show a modulation of mu rhtyhm activity at central sites not only during motor production, but also during passive action observation. These results support the existence of an action-execution pairing system sensitive to visual actions in the immature brain. In the second article, we present an experiment conducted in a 12 year-old child undergoing presurgical monitoring for intractable epilepsy. Intracranial electroencephalography is used to assess motor cortex involvement in the perception of action-related sounds. We show a modulation of motor cortex activity at two distinct time-periods in the alpha and beta bands. These results suggest the presence of a motor matching system sensitive to auditory stimuli in the child’s brain. In the third article, we present an overview of behavioral and neurophysiological data supporting the idea that an action-understanding system is present from birth in humans. We propose a theoretical model whereby neonatal imitation is the result on an uninhibited motor resonance system. In order to adequatly measure the presence of empathic and autistic traits in healhy individuals to assess their link with motor resonance, article 4 consists of a french validation of questionnaires used in the fifth article, the Empathy Quotient (Baron-Cohen & Wheelwright, 2004) and the Autism Spectrum Quotient (Baron-Cohen et al., 2001). Translated versions of these scales were administered to 100 healthy adults and 23 individuals with autistic spectrum disorders. Our results replicate faithfully those obtained with the original version of the scales. In the fifth article, transcranial magnetic stimulation is used to assess the timecourse of motor cortex activity during action observation, as well as its relationship with empthic and autistic traits in healthy individuals. We show that the motor cortex is rapidly modulated following movement onset, and that its activity correlates with specific socio-cognitives measures. These results suggest the presence of a rapid mechanism taking place in the motor resonance system that is related to social ability. The sixth acticle aims at clarifying the specificity of the neurophysiological tools used in the preceeding studies to quantify MNS, namely transcranial magnetic stimulation and quantitative electroencephalography. Using both techniques simultaneously during action observation, imagination and execution, we show that these measures capture different aspects of motor resonance. In summary, this thesis aims at documenting the existence of a motor resonance mechanism in children, establishing the relationship between MNS activity and socio-cognitive traits and assessing the specificity of the measures used to quantify activity within this system. Although further studies are needed to complete the task begun here, these studies contribute significantly to our understanding of the development and function of motor resonance mechanism is humans. In the long run, they could contribute to the elaboration of diagnostic markers, and ultimately therapeutic targets, in clinical populations where abnormalities of this system have been documented.

Il existe plusieurs théories du contrôle moteur, chacune présumant qu’une différente variable du mouvement est réglée par le cortex moteur. On trouve parmi elles la théorie du modèle interne qui a émis l’hypothèse que le cortex moteur programme la trajectoire du mouvement et l’activité électromyographique (EMG) d’une action motrice. Une autre, appelée l’hypothèse du point d’équilibre, suggère que le cortex moteur établisse et rétablisse des seuils spatiaux; les positions des segments du corps auxquelles les muscles et les réflexes commencent à s’activer. Selon ce dernier, les paramètres du mouvement sont dérivés sans pré-programmation, en fonction de la différence entre la position actuelle et la position seuil des segments du corps. Pour examiner de plus près ces deux théories, nous avons examiné l’effet d’un changement volontaire de l’angle du coude sur les influences cortico-spinales chez des sujets sains en employant la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) par-dessus le site du cortex moteur projetant aux motoneurones des muscles du coude. L’état de cette aire du cerveau a été évalué à un angle de flexion du coude activement établi par les sujets, ainsi qu’à un angle d’extension, représentant un déplacement dans le plan horizontal de 100°. L’EMG de deux fléchisseurs du coude (le biceps et le muscle brachio-radial) et de deux extenseurs (les chefs médial et latéral du triceps) a été enregistrée. L’état d’excitabilité des motoneurones peut influer sur les amplitudes des potentiels évoqués moteurs (MEPs) élicitées par la TMS. Deux techniques ont été entreprises dans le but de réduire l’effet de cette variable. La première était une perturbation mécanique qui raccourcissait les muscles à l'étude, produisant ainsi une période de silence EMG. La TMS a été envoyée avec un retard après la perturbation qui entraînait la production du MEP pendant la période de silence. La deuxième technique avait également le but d’équilibrer l’EMG des muscles aux deux angles du coude. Des forces assistantes ont été appliquées au bras par un moteur externe afin de compenser les forces produites par les muscles lorsqu’ils étaient actifs comme agonistes d’un mouvement. Les résultats des deux séries étaient analogues. Un muscle était facilité quand il prenait le rôle d’agoniste d’un mouvement, de manière à ce que les MEPs observés dans le biceps fussent de plus grandes amplitudes quand le coude était à la position de flexion, et ceux obtenus des deux extenseurs étaient plus grands à l’angle d’extension. Les MEPs examinés dans le muscle brachio-radial n'étaient pas significativement différents aux deux emplacements de l’articulation. Ces résultats démontrent que les influences cortico-spinales et l’activité EMG peuvent être dissociées, ce qui permet de conclure que la voie cortico-spinale ne programme pas l’EMG à être générée par les muscles. Ils suggèrent aussi que le système cortico-spinal établit les seuils spatiaux d’activation des muscles lorsqu’un segment se déplace d’une position à une autre. Cette idée suggère que des déficiences dans le contrôle des seuils spatiaux soient à la base de certains troubles moteurs d’origines neurologiques tels que l’hypotonie et la spasticité. / According to a dominant theory, the motor cortex is directly involved in pre-programming motor outcome in terms of movement trajectories and electromyographic (EMG) patterns. In contrast, the equilibrium point theory suggests that the motor cortex sets and resets the spatial thresholds, i.e., the positions of body segments at which muscles and reflexes begin to act. Movement parameters thereby emerge without pre-programming, depending on the difference between the actual and the threshold position of the body segments. To choose between these two theories of motor control, we investigated corticospinal influences associated with voluntary changes in elbow joint angle in healthy individuals using transcranial magnetic stimulation (TMS) of the brain site projecting to motoneurons of the elbow muscles. In order to minimize the influence of motoneuronal excitability on the evaluation of corticospinal influences, motor evoked potentials (MEPs) elicited by TMS were obtained during the EMG silent period produced by a brief muscle shortening prior to the TMS pulse. MEPs were obtained at a flexion and an extension elbow angle actively established by subjects. MEPs were recorded from 2 elbow flexors (biceps and brachioradialis) and 2 extensors (medial and lateral heads of triceps). Flexor MEP amplitude was bigger at the elbow flexion position in the case of the biceps and extensor MEPs were bigger at the extension position in both extensors studied (reciprocal pattern). MEPs observed in the brachioradialis did not differ at the two elbow orientations. A similar difference in corticospinal influences at the two elbow positions was often preserved when the tonic activity of elbow muscles was equalized by compensating the passive muscle forces at the two positions with a torque motor. Thus, corticospinal influences and EMG activity were de-correlated and it can be concluded that the corticospinal system is not involved in pre-determining the magnitude of motor commands to muscles. Results suggest that the corticospinal system resets the spatial thresholds for muscle activation when segments move from one position to another. This implies that deficits in spatial threshold control may underlie different neurological motor problems (e.g., hypotonia and spasticity).

Chez l’humain, différents protocoles de stimulation magnétique transcrânienne répétée (SMTr) peuvent être utilisés afin de manipuler expérimentalement la plasticité cérébrale au niveau du cortex moteur primaire (M1). Ces techniques ont permis de mieux comprendre le rôle du sommeil dans la régulation de la plasticité cérébrale. Récemment, une étude a montré que lorsqu’une première session de stimulation SMTr au niveau de M1 est suivie d’une nuit de sommeil, l’induction subséquente de la plasticité par une deuxième session SMTr est augmentée. La présente étude a investigué si ce type de métaplasticité pouvait également bénéficier d’une sieste diurne. Quatorze sujets en santé ont reçu deux sessions de intermittent theta burst stimulation (iTBS) connue pour son effet facilitateur sur l’excitabilité corticale. Les sessions de stimulation étaient séparées par une sieste de 90 minutes ou par une période équivalente d’éveil. L’excitabilité corticale était quantifiée en terme d’amplitude des potentiels évoqués moteurs (PEM) mesurés avant et après chaque session de iTBS. Les résultats montrent que la iTBS n’est pas parvenue à augmenter de manière robuste l’amplitude des PEMs lors de la première session de stimulation. Lors de la deuxième session de stimulation, la iTBS a produit des changements plastiques variables et ce peu importe si les sujets ont dormi ou pas. Les effets de la iTBS sur l’excitabilité corticale étaient marqués par une importante variabilité inter et intra-individuelle dont les possibles causes sont discutées. / In humans, various repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) protocols can be used to modulate motor cortical plasticity. These techniques have shed light on the role of sleep in neural plasticity regulation. Recent work has demonstrated that when a night of sleep follows one session of rTMS over the hand motor cortex (M1), the capacity to induce subsequent plasticity by another rTMS session in M1 is enhanced. The present study investigated whether such metaplasticity could also benefit from a day nap. Fourteen healthy participants received two sessions of intermittent theta burst stimulation (iTBS) known for its excitatory effects on cortical excitability over M1 spaced by either a 90-minute nap or an equivalent amount of wake. Motor cortical excitability was measured in terms of amplitude of motor evoked potentials (MEP), which were assessed before iTBS and after the stimulation. Results show that the first iTBS session did not induce significant change in MEP amplitude. The second iTBS session induced variable plastic changes regardless of whether participants slept or stayed awake. The effects of iTBS on motor cortical excitability were highly variable within and between individuals. The possible causes of such variability are discussed.