Search

This work takes part in the field of translational research. Our aim was to explore thepost-lesional brain plasticity necessary to recover consciousness after a traumatic coma.The study of resting state functional connectivity, meaning the temporal correlation ofBOLD signal (blood oxygenation level dependent) between remote cerebral areas, wasapplied to severe traumatic brain injured (sTBI) patients.Using graph method, we explored the diagnosis and prognosis value of resting statefunctional connectivity during recovery of consciousness after a traumatic coma.Thirty six sTBI patients were studied in a cross sectional and a longitudinal design.We recorded a resting state functional MRI sequence while sTBI patients were eitherconscious or in altered state of consciousness when discharged from intensive care unit(ICU). A second fMRI was recorded after one month spent in a post-ICU rehabilitationunit.Our analysis focused on a hub disruption index (HDI) which expresses the reallocationof functional connections inside the graph. In the brain network, the hubs, which are definedas highly connected to the brain network in healthy subjects, have been characterizedwith integration, segregation and centrality metrics for information transfer.Our results suggest that the topological disruption of functional hubs is an objectivemapping of the brain network changes that correlates with post-TBI neurological recovery.Indeed, in our group analysis, the hub disruption index of the post TBI brainnetwork was sensitive to the state of consciousness and to its recovery during a onemonth follow-up. This index was also relevant to predict the level of disability 6 monthsafter injury.The computation of connectivity data in a metadata, the hub disruption index ofthe brain network, enhances the classical approach describing the post-traumatic brainplasticity as a loss and recovery of connectivity in one or several cortical networks. Therecovery of the brain network ability to compute local information in the functionalhubs could be necessary to recover consciousness after a traumatic coma. This resultis original as the recent litterature, based on the information integration theory andthe global workspace theory of consciousness, is considering severe TBI as a long rangeconnectivity disruption inducing a functional integration impairment.This pilot study was necessary prior to the assessment of the HDI on a single-subjectlevel and to quantifie the response of brain injured patients with disorder of consciousnessto several therapeutic options (psychostimulant drugs, electrical stimulation..)., Ce travail doctoral s’inscrit dans le champ de la recherche translationnelle. Nous avonsvoulu explorer la plasticité cérébrale post-lésionnelle qui sous-tend la restauration de la conscience après un coma traumatique. L’étude de la connectivité fonctionnelle de repos, c’est à dire de la corrélation temporelle du signal BOLD (blood oxygenationlevel dependent) entre régions cérébrales, a été appliquée à une cohorte de 36 patients traumatisés crâniens graves sortant de réanimation. A cette date, les patients pouvaient se trouver en état de conscience altérée ou être conscients. Nous avons réalisé une étude transversale et longitudinale : une 1ère IRM fonctionnelle en condition de veille de repos était réalisée à la sortie des soins intensifs et une seconde après un séjour de un moisen rééducation post-réanimation. Ainsi, à l’aide de la méthode des graphes, nous avons exploré l’intérêt diagnostique et pronostique de la connectivité fonctionnelle lors de la réémergence de la conscience après coma traumatique.Nous avons centré notre analyse sur un index de perturbation des hubs qui traduitla redistribution des connexions fonctionnelles dans le graphe. Les hubs du réseau cérébral,qui physiologiquement concentrent le plus de connexions, ont été caractérisésavec plusieurs métriques d’intégration, de ségrégation et de centralité dans le transfertd’information.Nos résultats suggèrent qu’une perturbation de la topologie des hubs fonctionnels estobjectivement "cartographiable" et qu’elle est corrélée à l’évolution neurologique cliniqueaprès agression cérébrale. En effet, notre étude a montré que, chez le traumatisé crâniengrave adulte, ce marqueur de perturbation fonctionnelle du réseau cérébral est sensible,dans une analyse de groupe, à l’état de conscience (patients conscients vs en état deconscience altérée) et à sa restauration au cours du temps. L’index de perturbation deshubs est également sensible à une autre dimension clinique : la prédiction du handicap neurologique à 6 mois post-coma.La computation des données de connectivité en une méta-donnée, l’index de perturbationdes hubs de l’ensemble du réseau cérébral, permet d’aller plus loin qu’un modèle descriptif de la plasticité cérébrale après coma (d’altération ou de restitution de connectivité dans un ou plusieurs réseaux). Ainsi, la restitution de la capacité du cerveau à traiterde l’information locale dans les hubs fonctionnels serait nécessaire à la ré-émergence de la conscience après coma traumatique. Ce résultat est original car dans la littérature actuelle, basée sur les théories de l’espace de travail global et de l’intégration de l’information,l’atteinte traumatique cérébrale est modélisée comme une altération de laconnectivité à longue distance et donc de l’intégration fonctionnelle.Cette étude pilote était un pré-requis pour évaluer à l’avenir cet index de perturbation fonctionnelle cérébrale à l’échelle individuelle et objectiver la réponse thérapeutique(psychostimulants, électrostimulation cérébrale....) de patients en état de conscience altérée.

This work takes part in the field of translational research. Our aim was to explore thepost-lesional brain plasticity necessary to recover consciousness after a traumatic coma.The study of resting state functional connectivity, meaning the temporal correlation ofBOLD signal (blood oxygenation level dependent) between remote cerebral areas, wasapplied to severe traumatic brain injured (sTBI) patients.Using graph method, we explored the diagnosis and prognosis value of resting statefunctional connectivity during recovery of consciousness after a traumatic coma.Thirty six sTBI patients were studied in a cross sectional and a longitudinal design.We recorded a resting state functional MRI sequence while sTBI patients were eitherconscious or in altered state of consciousness when discharged from intensive care unit(ICU). A second fMRI was recorded after one month spent in a post-ICU rehabilitationunit.Our analysis focused on a hub disruption index (HDI) which expresses the reallocationof functional connections inside the graph. In the brain network, the hubs, which are definedas highly connected to the brain network in healthy subjects, have been characterizedwith integration, segregation and centrality metrics for information transfer.Our results suggest that the topological disruption of functional hubs is an objectivemapping of the brain network changes that correlates with post-TBI neurological recovery.Indeed, in our group analysis, the hub disruption index of the post TBI brainnetwork was sensitive to the state of consciousness and to its recovery during a onemonth follow-up. This index was also relevant to predict the level of disability 6 monthsafter injury.The computation of connectivity data in a metadata, the hub disruption index ofthe brain network, enhances the classical approach describing the post-traumatic brainplasticity as a loss and recovery of connectivity in one or several cortical networks. Therecovery of the brain network ability to compute local information in the functionalhubs could be necessary to recover consciousness after a traumatic coma. This resultis original as the recent litterature, based on the information integration theory andthe global workspace theory of consciousness, is considering severe TBI as a long rangeconnectivity disruption inducing a functional integration impairment.This pilot study was necessary prior to the assessment of the HDI on a single-subjectlevel and to quantifie the response of brain injured patients with disorder of consciousnessto several therapeutic options (psychostimulant drugs, electrical stimulation..).; Ce travail doctoral s’inscrit dans le champ de la recherche translationnelle. Nous avonsvoulu explorer la plasticité cérébrale post-lésionnelle qui sous-tend la restauration de la conscience après un coma traumatique. L’étude de la connectivité fonctionnelle de repos, c’est à dire de la corrélation temporelle du signal BOLD (blood oxygenationlevel dependent) entre régions cérébrales, a été appliquée à une cohorte de 36 patients traumatisés crâniens graves sortant de réanimation. A cette date, les patients pouvaient se trouver en état de conscience altérée ou être conscients. Nous avons réalisé une étude transversale et longitudinale : une 1ère IRM fonctionnelle en condition de veille de repos était réalisée à la sortie des soins intensifs et une seconde après un séjour de un moisen rééducation post-réanimation. Ainsi, à l’aide de la méthode des graphes, nous avons exploré l’intérêt diagnostique et pronostique de la connectivité fonctionnelle lors de la réémergence de la conscience après coma traumatique.Nous avons centré notre analyse sur un index de perturbation des hubs qui traduitla redistribution des connexions fonctionnelles dans le graphe. Les hubs du réseau cérébral,qui physiologiquement concentrent le plus de connexions, ont été caractérisésavec plusieurs métriques d’intégration, de ségrégation et de centralité dans le transfertd’information.Nos résultats suggèrent qu’une perturbation de la topologie des hubs fonctionnels estobjectivement "cartographiable" et qu’elle est corrélée à l’évolution neurologique cliniqueaprès agression cérébrale. En effet, notre étude a montré que, chez le traumatisé crâniengrave adulte, ce marqueur de perturbation fonctionnelle du réseau cérébral est sensible,dans une analyse de groupe, à l’état de conscience (patients conscients vs en état deconscience altérée) et à sa restauration au cours du temps. L’index de perturbation deshubs est également sensible à une autre dimension clinique : la prédiction du handicap neurologique à 6 mois post-coma.La computation des données de connectivité en une méta-donnée, l’index de perturbationdes hubs de l’ensemble du réseau cérébral, permet d’aller plus loin qu’un modèle descriptif de la plasticité cérébrale après coma (d’altération ou de restitution de connectivité dans un ou plusieurs réseaux). Ainsi, la restitution de la capacité du cerveau à traiterde l’information locale dans les hubs fonctionnels serait nécessaire à la ré-émergence de la conscience après coma traumatique. Ce résultat est original car dans la littérature actuelle, basée sur les théories de l’espace de travail global et de l’intégration de l’information,l’atteinte traumatique cérébrale est modélisée comme une altération de laconnectivité à longue distance et donc de l’intégration fonctionnelle.Cette étude pilote était un pré-requis pour évaluer à l’avenir cet index de perturbation fonctionnelle cérébrale à l’échelle individuelle et objectiver la réponse thérapeutique(psychostimulants, électrostimulation cérébrale....) de patients en état de conscience altérée.

Nous effectuons tous les jours une multitude d'actions motrices coordonnées qui permettent d'atteindre différents buts. Ces habiletés n'étant pas innée; elles doivent donc être apprises et intégrées dans un répertoire qui se développe au cours de notre vie afin de s'adapter à un environnement en constant changement. Elles sont aussi généralement constituées de plusieurs actions organisées en séquences; leur apprentissage permettant l'enchaînement fluide, rapide et précis des mouvements. Une pléthore d’études indique que l’exécution de ce type d’action s'améliore, non seulement avec la pratique, mais aussi grâce à la mise en œuvre de processus neurobiologiques opérant en dehors des périodes d'entraînement proprement dites, lesquels permettent à la trace mnésique de devenir plus durable, notamment pendant le sommeil. Ce mécanisme est appelé "consolidation de la mémoire". De nombreux travaux ont récemment démontré que ce processus repose sur la réactivation répétée des réseaux supportant l'expression de l'habileté motrice, renforçant ainsi l'activité des structures neuronales impliquées dans la programmation du patron moteur nécessaire à leur exécution, et reconfigurant les réseaux à large-échelle recrutés lors de futures productions de ces dernières. Cette réorganisation a principalement été mise en évidence chez l'humain grâce à des études visant à mesurer des changements régionaux d'activation cérébrale en IRM fonctionnelle, mais ces études présentent d’importantes limites. En effet, leurs résultats ne permettent pas de démontrer une plasticité spécifique associée à l'information séquentielle motrice acquise. Cette thèse a donc pour but d'identifier les régions cérébrales qui encodent l'information distincte reliée à des séquences motrices durant leur apprentissage, en comparaison aux structures impliquées lorsque ces séquences sont consolidées après une nuit de sommeil. Pour ce faire, nous avons couplé un protocole expérimental d'apprentissage de plusieurs séquences motrices, établies sur plusieurs jours, à des méthodes d'investigation représentationnelles. Ceci a comme avantage de permettre de tester l'hypothèse de la présence d'informations discriminant les diverses séquences. Ainsi nous démontrons pour la toute première fois que l'information séquentielle est présente dans un large réseau moteur cortical avant et après la consolidation de ce type de mémoire. Cette consolidation suscite un important remaniement, renforçant les représentations dans des régions corticales motrices secondaires, cerébelleuses, et striatales dorso-latérales, alors que les représentations impliquant l'hippocampe et le striatum dorso-médial sont atténuées. Les résultats de cette nouvelle approche statistique multivariée contribuent à asseoir les modèles de la plasticité cérébrale associée directement à l'apprentissage de séquence motrices, lesquels conjecturent le support transitoire de l'hippocampe lors de la phase rapide de l'apprentissage moteur et sa réactivation pendant le sommeil, ainsi que le rôle proéminent du putamen dans la persistance des mémoires motrices. Par ailleurs, afin de pallier les limites des méthodes conventionnelles de prétraitement en IRMf qui restreignent l'analyse des configurations fines de patrons d'activité cérébrale, des développements méthodologiques sur la correction du mouvement du participant et des bruits inhérents à l'acquisition ont également été menés dans le cadre de la présente thèse. De ce fait, nous démontrons un avantage significatif de notre méthode de correction par rapport au prétraitement conventionnel en termes de précision spatiale et de qualité du signal par l'analyse de données simulées et réelles. Ainsi, cette thèse amène plusieurs contributions concernant l'interprétation robuste des variations fines du signal par une investigation représentationnelle des phénomènes de plasticité chez l'humain, étendant ainsi significativement la connaissance actuelle des substrats neuronaux de l’apprentissage moteur séquentiel., Everyday, we produce a number of coordinated motor actions to achieve a variety of goals. As these skills are not innate, they thus need to be learned and integrated in a vast repertoire that develops along the lifetime in order to adapt to a constantly changing environment. Motor skills are generally composed of multiple movements organized in a sequence. Repeated training of such actions enables fluid, fast and precise chaining of movements. A plethora of studies indicates that the production of this type of skills improves not only during physical practice, but also through the intervention of neurobiological processes occurring out of these training sessions, notably during sleep, which allows this form of memory trace to become persistant. This mechanism is coined "memory consolidation" and recent accumulating results demonstrate that it is driven by the repeated reactivation of the networks supporting the expression of the motor skill, thus reinforcing the activity of neuronal structures implicated in the programming of the motor pattern necessary for their production, and reconfiguring large-scale networks recruited during subsequent expression. Such a reorganization has generally been demonstrated in humans through studies measuring changes in regional cerebral activations observed with functional MRI, but these results do not allow to reveal the genuine and specific plastic changes that occur during the acquisition of new motor sequential information. Therefore, the present thesis aimed at identifying, not only the brain regions specialized in encoding information specific to motor sequences, but also those involved in the consolidation process after a night of sleep. To do so, we carried out an experimentation in which participants learned different motor sequences over multiple days and used a representational approach to test the hypothesis that the existence of information allows to discriminate the diverse sequences. We demonstrate that sequential information is equally present in a large motor cortical network before and after consolidation. The latter, however, induces an important restructuring and strengthening of the representations in secondary cortical cortices, cerebellum and dorsolateral striatum, while the one implicating the hippocampus and dorsomedial striatum are fading. The results of these new multivariate statistical approaches contribute to entrench the models of brain plasticity in motor sequence learning, which conjecture the transient support of the hippocampus during the fast learning phase and the offline reactivation during sleep as well as the critical role of the putamen in the persistence of motor memories. In addition, to circumvent the limits of conventional fMRI preprocessing, methodological developments for the correction of motion and the noises inherent to fMRI acquisition in humans have been conducted in order to improve multivariate statistical analysis based on fine-grained activity patterns. We demonstrate a significant advantage of our method, in comparison to conventional preprocessing in terms of spatial accuracy and signal quality by analyzing both simulated and real datasets. In sum, this thesis contributes to different aspects of the interpretations of subtle signal variations by investigating the representational changes underlying plasticity in humans, significantly improving the knowledge of neuronal substrates underlying motor sequence learning., Thèse en cotutelle Université de Montréal, Université Pierre et Marie Curie/Sorbonne Université

Background: soccer, as a contact sport, exposes players to repetitive head impacts (RHI), especially through heading the ball. The question of a long-term brain cumulative effect remains. Our objective was to determine whether playing soccer is associated with changes in functional brain connectivity at rest, using Magnetic Resonance Imaging (MRI), and secondary to determine whether the exposure to RHI over one soccer season is associated with changes in functional connectivity. Methods: in this prospective comparative double cohort study, 16 semi-professional male soccer players, aged 18-25 years, and 20 age-matched male amateur athletes from University without a concussion history and who do not practice any contact sport were recruited in Bordeaux (France). All controls and 10 soccer players completed the study. For each soccer player, exposure to RHI during each soccer game over the regional championship season was carried-out using videos analysis. Eventual exposure to head impacts in control group was checked by phone calls once a month. Resting-state functional MRI data was acquired for both groups at two times with an interval of 9 to 12 months (before and after the season for soccer players). With a seed-based analysis, resting-state networks that have been intimately associated with aspects of cognitive or motor functioning were investigated. Results: increased connectivity within the Motor network was found in soccer players relative to controls in pre-season. Mean RHI per soccer player was 42 (±33) over the season, with no concussion. Exposure to RHI over the season was associated with hyper-connectivity within the Default Mode network and the Cortico-cerebellar network (p, Introduction : le football est le sport le plus populaire au monde, et les footballeurs sont exposés à des impacts crâniens répétés (ICR) en particulier lorsqu’ils frappent le ballon avec la tête. Comme le jeu de tête est répété des milliers de fois durant une carrière de joueur, un effet cumulatif sur le cerveau pourrait mener à des maladies neurodégénératives comme l’encéphalopathie chronique traumatique. Cependant, le manque de donnée scientifique sur la question explique l’absence de mesure de protection ou de prévention pour les joueurs. Aucune étude de neuro-imagerie n’a suivie des joueurs longitudinalement en prenant en compte l’exact nombre d’ICR sur une saison et aucune ne s’est focalisée sur la connectivité et l’imagerie fonctionnelle. Notre objectif était de déterminer si jouer au football est associé à des modifications de la connectivité cérébrale en relation avec l’exposition aux ICR. Méthode : dans cette étude longitudinale, une cohorte de 16 footballeurs semi-professionnels, hommes, adultes, âgés de 18 à 26 ans ont été recrutés dans 2 clubs de la ville de Bordeaux qui participent au championnat de CFA français. Vingt hommes appareillés sur l’âge ont été recrutés comme témoins, ils n’avaient pas d’antécédent de commotion et ne pratiquaient pas de sport de contact. Les données d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ont été acquises au repos pour les deux groupes avant et après la saison de football 2016-2017. Un suivi longitudinal des expositions aux ICR dans le groupe des footballeurs a été réalisé grâce aux enregistrements vidéo des matchs joués durant la saison. Résultats : les footballeurs présentaient une augmentation des connections fonctionnelles notamment entre les régions pré centrales bilatérales et les régions fronto-temporales, en comparaison avec les contrôles (p

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is used to modulate neuronal activity in the brain. It consists in applying a small constant current between two electrodes placed over the scalp. Two frontal tDCS montages have shown promises in modulating cognitive abilities and/or helping to alleviate clinical symptoms. However, the effects of tDCS on brain physiology are still poorly understood. The aim of this thesis work was to clarify brain mechanisms underlying frontal tDCS in healthy subjects, specifically in relation to the dopaminergic system. Using a double blind sham-controlled design, we combined a single session of tDCS online with several imaging techniques (PET or simultaneous PET-MRI) with the subject at rest. A first study (n=32, 2mA, 20min) showed that bifrontal tDCS induced an increase in extracellular dopamine in the ventral striatum, involved in the reward-motivation network, after the stimulation period. A second study (n=30, 1mA, 30min) showed that fronto-temporal tDCS induced an increase in extracellular dopamine in the executive part of striatum as well as a decrease in perfusion in a region part of the default mode network (DMN), after the stimulation period. The data analysis of this study is still ongoing. Overall, the present work provides evidence that a single session of frontal tDCS impacts the dopaminergic system in regions connected to the stimulated cortical areas. Therefore, levels of dopamine activity and reactivity should be new elements to consider for a general hypothesis of brain modulation by frontal tDCS, La stimulation transcrânienne par courant continu (tDCS) sert à moduler l’activité neuronale. Elle consiste à appliquer un faible courant constant entre deux électrodes placées sur le cuir chevelu. Deux montages semblent efficaces pour moduler les capacités cognitives et/ou soulager des symptômes cliniques. Cependant, les effets neurobiologiques de la tDCS sont encore mal connues. Ce travail de thèse a tenté de clarifier les mécanismes cérébraux de la tDCS chez les sujets sains, en particulier en lien avec le système dopaminergique. En utilisant un design randomisée en double aveugle, nous avons combiné une session de tDCS online avec plusieurs modalités d'imagerie (PET ou PET-IRM simultanée) chez le sujet au repos. Une première étude (n=32, 2mA, 20min) a montré que la tDCS bifrontale induit une augmentation de la dopamine extracellulaire dans le striatum ventral, impliqué dans le réseau de récompense-motivation, après la stimulation. Une seconde étude (n=30, 1mA, 30min) a montré que la tDCS fronto-temporale induit une augmentation de la dopamine extracellulaire dans la partie exécutive du striatum et une diminution de la perfusion dans une région du réseau du default mode (DMN), après la stimulation. L'analyse des données de cette étude est toujours en cours. Dans l’ensemble, ce travail fournit la preuve qu'une seule session de tDCS frontale peut impacter le système dopaminergique dans des régions connectées aux zones corticales stimulées. Par conséquent, les niveaux d'activité et réactivité dopaminergique doivent être de nouveaux éléments à considérer dans l’hypothèse globale de modulation de l’activité cérébrale par la tDCS frontale

Huntington's disease is accompanied by disturbances insocial behavior that disrupt inter-individual relationships.The aim of this thesis was to better understand these social disorders by examining the social cognition skills of people with the mutation or the neurogenic disease. Social cognition includes the recognition of the emotions of others, social knowledge and the theory of the mind, namely the ability to attribute to others emotional (feelings) or cognitive (intentions, beliefs) mental states. We studied social cognition in the presymptomatic and symptomatic phase of Huntington's disease using neuropsychological tests and morphological and functional neuroimaging. This work was carried out within the framework of a collaboration between the national center of reference for the neurogenic diseases of adults of the CHU of Angers and the platform of medical imaging Cyceron of Caen. This work aimed to better understand the social cognition disruptions accompanying Huntington's disease, their evolution and their neurobiological basis in order to improve our understanding of behavioral disorders accompanying this disease. We hope to be able to better contribute to the diagnosis, prognosis and care of those affected by this disease., La maladie de Huntington s’accompagne de troubles des conduites sociales perturbant les relations interindividuelles. L'objectif de ce travail de thèse était de mieux comprendre ces troubles sociaux en examinant les habiletés en cognition sociale de personnes porteuses de la mutation ou atteintes de cette maladie neurogénétique. La cognition sociale comprend notamment la reconnaissance des émotions d’autrui, les connaissances sociales et la théorie de l’esprit, soit la capacité à attribuer aux autres des états mentaux affectifs (sentiments) ou cognitifs (intentions,croyances). Nous avons étudié la cognition sociale à la phase présymptomatique et symptomatique de la maladie de Huntington à l’aide de tests neuropsychologiques et de la neuroimagerie morphologique et fonctionnelle. Ce travail a été réalisé dans le cadre d’une collaboration entre le centre national de référence pour les maladies neurogénétiques de l'adulte du CHU d’Angers et la plate-forme d’imagerie médicale Cyceron de Caen. Ce travail visait à mieux comprendre les perturbations en cognition sociale accompagnant la maladie de Huntington, leur évolution et leurs bases neurobiologiques afin d’améliorer notre compréhension des troubles du comportement accompagnant cette maladie. Nous espérons ainsi pouvoir mieux contribuer au diagnostic, au pronostic et à la prise en charge des personnes concernées par cette maladie.

The precise mechanisms at the origin of the depression are not yet elucidated. The advent of functional neuroimaging techniques such as functional magnetic resonance imaging (fMRI) has provided a powerful tool not only for defining the neurobiological circuits disturbed in depression, but also for better understanding the contribution of each region. The objectives of this work were to highlight: (i) the clusters involved in the hedonic evaluation of the smell (ii) the functional brain abnormalities underlying the olfactory deficits in the major depressive episode (MDE) and (iii) the modulations of these abnormalities following antidepressant treatment. Thirty-eight depressive patients and thirty healthy subjects were selected to perform a fMRI examination with three tasks: recognizing three smells which are the spearmint, sandalwood and wine lees. Based on our study, we can conclude that depressed patients have functional abnormalities in the thalamus, this region may be considered as a good marker for the prognosis of depression. In addition, fMRI could be a good tool to evaluate the treatment performance of antidepressant treatment.; Les mécanismes précis à l’origine de la dépression ne sont pas encore élucidés. L’avènement des techniques de neuro-imagerie fonctionnelle telle que l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (fMRI) fournit un outil puissant permettant non seulement de définir les circuits neurobiologiques perturbés dans la dépression, mais aussi de mieux comprendre la contribution de chaque région. Les objectifs de ce travail ont consisté à mettre en évidence : (i) les clusters neuronaux impliqués dans l’évaluation hédonique d’un odorat, (ii) les anomalies cérébrales fonctionnelles sous-tendant les déficits olfactifs dans l’épisode de dépression caractérisée (EDC) et (iii) les modulations de ces anomalies suite à un traitement d’antidépresseur. Trente-huit patients dépressifs et trente sujets sains ont été sélectionnés pour réaliser un examen de fMRI comprenant trois tâches olfactives, les trois odeurs sont la menthe crépue (odeur agréable), bois de santal (odeur neutre) et le lie de vin (odeur désagréable). D’après notre étude nous avons conclu que les patients déprimés présentent des anomalies de fonctionnement dans le thalamus qui peut être considéré un marqueur efficace pour le pronostic de la dépression. De plus, la fMRI constitue un bon outil pour juger de l’efficacité du traitement antidépresseur.

Executive functions (EF), including Inhibitory Control (IC), play a major role in academic and professional achievement, as well as in the pathophysiology of many psychiatric disorders. Adolescence is a critical period in IC development as it is underlain by the protracted maturation of prefrontal cortex until early adulthood. The first objective of this thesis was to examine the neural bases of IC during development and to evaluate their specificities by comparing them with the working memory (WM), another key component of EF. Based on a meta-analysis of IC and WM fMRI studies including 845 children, 1377 adolescents and 10235 adults, we identified changes in functional activity with a shift from a diffuse to a more focal and specialized network with age. These results support the model of dynamic neurofunctional development. Moreover, a large overlap of fronto-parietal regions was found for IC and WM, which raises issues regarding the specificities of IC and WM processes and tasks. Second, we analyzed the long-term effect of early neurodevelopment on IC based on the sulcus morphology, an anatomical brain feature determined during fetal life. We showed, using a longitudinal analysis of 243 MRIs, that folding patterns are fixed from childhood to adulthood. Subsequently, we established that the sulcal polymorphisms of the anterior cingulate cortex and the inferior frontal sulcus complementary contributed to IC efficiency in both children and adults. Finally, we studied IC training in adolescence, a period of high brain plasticity and environmental sensitivity. We examined the effects of an intensive IC training (25 sessions of 15 minutes per day) versus active control training group on touchscreens in 49 adolescents (16-17 years-old) on cognitive and brain levels (fMRI: stop-signal, dot matrix, attentional network and delayed gratification tasks). We also assessed the effect of early neurodevelopmental factors on IC training receptivity. This thesis is part of a new field of interdisciplinary research, at the interface between neurosciences and psychology. It includes translational educational and therapeutic perspectives, with aims at evaluating as finely as possible, using anatomical and functional brain imaging, what pedagogical and therapeutic interventions are likely to help the brain to overcome cognitive difficulties., Les fonctions exécutives (FE), et en particulier le Contrôle Inhibiteur (CI), jouent un rôle très important dans la réussite académique et professionnelle ainsi que dans la physiopathologie de nombreux troubles psychiatriques. L'adolescence est une période critique du développement du CI, ce dernier étant sous-tendu en particulier par la maturation tardive du cortex préfrontal jusqu’au début de l'âge adulte. Le premier objectif de cette thèse a été de cartographier les bases neurales du CI durant le développement et d'en évaluer leurs spécificités en les comparant avec celles de la mémoire de travail (MdT), une autre composante clef des FE. À partir d'une méta-analyse des études en IRMf du CI et de la MdT incluant 845 enfants, 1377 adolescents et 10235 adultes, nous avons identifié des modifications de l'activité fonctionnelle, à savoir le passage d'un réseau diffus à un réseau focal plus spécialisé avec l'âge, en accord avec un modèle dynamique du développement cérébral. Un large recouvrement de régions fronto-pariétales pour le CI et la MdT a également été détecté, ce qui soulève la question de la spécificité des processus et des tâches de ces deux FE. Par la suite, nous avons analysé l'effet à long terme du neuro-développement précoce sur le CI à partir de l'étude de la morphologie sulcale, un paramètre anatomique du cerveau déterminé lors de la vie fœtale. Dans un premier temps, nous avons montré, d'après une analyse longitudinale de 243 IRM, la stabilité du motif des sillons durant le développement. Nous avons par la suite établi que les polymorphismes sulcaux du cortex cingulaire antérieur et du sillon frontal inférieur contribuaient, de manière complémentaire, à l'efficience du CI chez l'enfant et également chez l'adulte. Enfin, nous nous sommes intéressés à l’entraînement cognitif au CI à l'adolescence, une période de très grande plasticité cérébrale et de sensibilité à l'environnement. Nous avons étudié chez 49 adolescents de 16-17 ans l'effet d'un entraînement intensif sur tablette tactile (25 sessions de 15 minutes par jour) au CI versus Contrôle Actif aux niveaux cognitif et cérébral (IRMf : tâches de stop-signal, de matrice de points, du réseau attentionnel et de gratification retardée). Nous avons en particulier évalué l'effet des facteurs neurodéveloppementaux précoces sur la réceptivité à l’entraînement au CI. Ces travaux s'inscrivent dans un nouveau champ de recherche interdisciplinaire à l'interface entre les neurosciences et la psychologie. Dans une perspective translationnelle éducative et thérapeutique, il vise à évaluer le plus finement possible, grâce à l'imagerie cérébrale anatomique et fonctionnelle, quelles interventions pédagogiques et thérapeutiques sont susceptibles d'aider au mieux le cerveau à surmonter des difficultés d'ordre cognitif.

Resting-state functional MRI is increasingly used to investigate brain networks in stroke patients. Most studies focused specifically on motor, attentional and language deficits. Here we have investigated the relationships between global post-stroke disability and functional connectivity of seven major cortical networks in subacute ischemic stroke patients. We have studied 50 patients with first-ever unilateral hemispheric stroke (29 men, 22 left strokes, 57 ± 14 years) with a median post-stroke delay of 4.5 weeks and 75 healthy volunteers (27 men, 55 ± 15 years). Seven cortical networks were characterized with a seed-based approach and for each network we distinguished inter-hemispheric, ipsi- and contra-lesional functional connectivity. The 22 patients without disability (modified Rankin’s scale 0-1) had normal functional connectivity in all networks whereas the 28 disabled patients had widespread and bilateral decreases in functional connectivity explaining 22 % of the variance. Secondary analyses showed that abnormalities mainly differentiate no disability from mild disability and may predominate in default-mode and top-down control networks. We have computed for each subject a functional connectivity index that summarizes all these abnormalities. This simple tool was strongly predictive of residual disability with a specificity of 91% and a sensitivity of 86%. In conclusion, widespread and bilateral alterations in cortical connectivity occur in disabled subacute stroke patients, whereas normal indicate excellent global outcome.; L’étude des réseaux cérébraux en IRM fonctionnelle au repos est de plus en plus utilisée chez les patients victimes d’accidents vasculaires cérébraux. La majorité des études se sont focalisés sur les déficits moteurs, attentionnels ou phasiques. Dans ce travail, nous avons étudié l’impact du handicap global sur la connectivité fonctionnelle de grands réseaux corticaux à la phase subaiguë d’infarctus cérébraux. Ce travail a porté sur 50 patients ayant subi un premier infarctus sus-tentoriel (29 hommes, 22 AIC gauche, 57 ± 14 ans, délai médian après l’AIC = 4.5 semaines) et 75 témoins (27 hommes, 55 ± 15 ans). Sept réseaux de repos ont été étudiés à partir d’une analyse en graine et nous avons distingué pour chacun les connectivités fonctionnelles interhémisphérique, ipsi et contralésionnelle. Les 22 patients sans handicap (mRS = 0/1) avaient une connectivité normale alors qu’une diminution diffuse et bilatérale était observée chez les 28 patients avec handicap, expliquant 22% de la variance. Les analyses post-hoc ont montré que ces différences s’observaient essentiellement entre les patients sans handicap et ceux avec handicap léger et portaient surtout sur le mode par défaut et un réseau exécutif. Nous avons calculé pour chacun un score d’intégrité de la connectivité fonctionnelle permettant de résumer l’ensemble de ces altérations. Cet outil simple permettait de prédire le handicap résiduel avec une spécificité de 91% et une sensibilité de 86%. Nous avons donc observé une diminution diffuse de la connectivité fonctionnelle des réseaux de repos chez les patients ayant un handicap résiduel, alors qu’une connectivité normale marquait un excellent pronostic fonctionnel.

Visual perception of faces is a primary function of the human brain, critical for social interactions. The neural basis of face perception in humans has been investigated extensively for decades as a primary research goal, whose findings may serve as a rich model for understanding perceptual recognition. Structural imaging of individuals with face recognition impairment following brain damage point to a large territory of the human ventral occipito-temporal cortex (VOTC), from the occipital lobe to the anterior temporal lobe (ATL), with a right hemispheric advantage. Functional magnetic resonance imaging studies (fMRI) have reported face-selective responses (larger responses to faces than other visual objects) in circumscribed regions (clustered organization) of the posterior VOTC. However, they failed to report genuine responses in the ATL because of methodological artefacts. Intracranial electroencephalographic (iEEG) recordings performed in epileptic patients offer a unique opportunity to measure direct local neural activity with a very high signal-to-noise ratio. In contrast to fMRI studies, iEEG studies recorded face-selective responses in widely distributed regions of the VOTC without any evidence of a clustered organization. Despite decades of research, several outstanding questions are still unanswered: (1) what is the spatial organization of brain regions supporting face perception (clustered vs. distributed)?; (2) what are the neural basis of face perception in the ATL?; (3) which are the critical regions for face perception? To address these gaps in knowledge, we used human iEEG recordings and electrical intracerebral stimulations. In a first study (Jonas et al., in press), we combined iEEG recordings with the Fast Periodic Visual Stimulation (FPVS), a powerful approach providing objective and high signal-to-noise brain responses. FPVS is based on the simple principle: presenting visual stimuli at a fixed rate generates a periodic EEG response at exactly the same frequency. We use this approach to report a comprehensive map of face-selective responses across the VOTC in a large group of participants (N=28). They were presented with natural images of objects at a rapid fixed rate (6 images per second: 6 Hz), with face stimuli interleaved as every 5th stimulus (i.e., 1.2 Hz). Face-selective responses were objectively (i.e., exactly at the face stimulation frequency) identified and quantified throughout the whole VOTC. Although face-selective responses were widely distributed, specific regions displayed a clustered spatial organization of their most face-selective responses. Among these regions, the right fusiform gyrus showed the largest face-selective response. In addition, we recorded face-selective responses in 3 distinct regions of the ATL. In 3 others studies, we reported very rare cases of intracerebral electrical stimulation of face-selective brain regions, testing the critical role of these regions in face perception. We reported a case of transient inability to recognize faces following the stimulation of the right inferior occipital gyrus, the most posterior face-selective region (Jonas et al., 2012, 2014) and one similar case following the stimulation of the right ATL (Jonas et al., 2015). Overall, these studies show that: (1) face-selective responses are widely distributed but some specific regions displayed a clustered spatial organization of their most face-selective responses; (2) several distinct regions are face-selective in the ATL; (3) specific brain regions in the posterior VOTC and in the ATL are critical for face perception. These finding also illustrate the diagnostic value of intracerebral electrophysiological recordings in understanding visual recognition processes., La perception visuelle des visages est une fonction importante du cerveau humain, essentielle pour les interactions sociales. L'étude des bases neurales de la perception des visages a débuté il y a plusieurs décennies et les découvertes servent de modèle pour la compréhension de la perception visuelle en général. L'imagerie structurelle des patients présentant un déficit de reconnaissance des visages à la suite d'une lésion cérébrale a montré l'importance d'un vaste territoire au sein du cortex ventral occipito-temporal (VOTC), du lobe occipital jusqu'au lobe temporal antérieur (LTA), avec une prédominance droite. L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) a montré l'existence de zones cérébrales circonscrites qui répondent plus fortement aux visages qu'aux autres objets visuels (organisation en « cluster ») principalement dans le VOTC postérieur. Cependant l'IRMf a été limitée dans sa capacité à retrouver de telles régions dans le lobe temporal antérieur à cause d'artefacts méthodologiques. Les études d'électro-encéphalographie intracrânienne (iEEG) réalisées chez les patients épileptiques sont une opportunité unique d'enregistrer l'activité neuronale directe avec un très haut rapport signal/bruit. Les études iEEG ont enregistré des réponses sélectives aux visages largement distribuées dans le VOTC, sans organisation en « clusters ». Malgré des années de recherches, plusieurs questions cruciales restent sans réponse : (1) quelle est l'organisation spatiale des régions sélectives aux visages (organisation distribuée vs. en « clusters ») ? ; (2) quelles sont les bases neurales de la perception des visages dans le LTA ? ; (3) quelles sont les régions critiques pour la perception des visages ? Afin de répondre à ces questions, nous avons utilisé les enregistrements et les stimulations électriques intracérébraux. Dans une 1ère étude (Jonas et al., sous presse), nous avons combiné les enregistrements iEEG avec la stimulation visuelle périodique rapide (FPVS). La méthode FPVS est basée sur le principe suivant : présenter des stimuli visuels à une fréquence fixe va générer une réponse EEG périodique à la même fréquence. Nous avons utilisé cette approche pour réaliser une cartographie complète des réponses sélectives aux visages dans le VOTC (28 participants). Nous leur avons montré des séquences d'images d'objets présentées à une fréquence fixe et rapide (6 Hz), avec un visage présenté tous les 5 objets (1,2 Hz). Les réponses sélectives aux visages ont été identifiées objectivement (à la fréquence de stimulation) et quantifiées dans tout le VOTC. Bien que ces réponses aient été enregistrées de manière largement distribuée, nous avons identifié plusieurs régions dans les lesquelles les réponses les plus fortes se regroupent spatialement (en « clusters »). De plus, nous avons enregistré la plus forte réponse dans le gyrus fusiforme droit. Enfin, nous avons enregistré des réponses sélectives aux visages dans 3 régions distinctes du LTA. Dans 3 autres études, nous rapportons de très rares cas de stimulations électriques de régions sélectives aux visages, testant leur rôle critique dans la perception des visages. Nous rapportons un cas de déficit transitoire de la perception des visages après stimulation du gyrus occipital inférieur droit, la région sélective au visage la plus postérieure (Jonas et al., 2012, 2014) et un cas similaire après stimulation du LTA (Jonas et al., 2015). Dans l'ensemble, ces études montrent que : (1) les régions impliquées dans la perception des visages sont largement distribuées le long du VOTC et certaines sont marquées par un regroupement spatial de leurs réponses les plus fortes ; (2) plusieurs régions distinctes sont sélectives aux visages dans le LTA; (3) des régions spécifiques dans le VOTC postérieur et le LTA sont critiques pour la perception des visages. Ces études montrent l'intérêt des enregistrements intracérébraux pour la compréhension des mécanismes de perception visuelle.

BackgroundIn Parkinson’s disease, dopamine agonists are associated with an increased risk of impulse control disorders (ICD). Their occurrence is supposed to be related with a deregulation of the dopaminergic meso-limbic pathway, involved in the processing of the consequences of previous action to adapt future behaviors. Dopamine agonists, through a tonic stimulation of the dopamine receptors would lead to an overestimation of the positive consequences of actions, and therefore, continuation of a harmful behavior.Method:We investigated (i) the resting-state striato-cortical functional connectivity using functional MRI, and (ii) electro-encephalographic (EEG) markers of feedback processing during a gambling task : the feedback related negativity (FRN), the feedback related positivity, (FRP), and the theta band oscillations (4-7 Hz) in 20 Parkinson’s disease patients with an active ICD, 19 Parkinson’s disease patients without ICD, and 19 healthy subjects.Functional MRI: The ventral striatum, dorsal caudate, and anterior and posterior putamen were semi-automatically segmented. For each region of interest, a seed-based connectivity analysis was performed on preprocessed fMRI data mapped on the ipsilateral cortical surface.Neurophysiological approach: The subjects underwent an EEG while performing a gambling task. The EEG was averaged for each condition and each subject. The FRP amplitude was measured in Cz, and the FRN amplitude was measured in Fz on the difference wave between the potential evoked by losses and by gains. The power spectra were computed by using a sinusoidal Morlet wavelet transform and averaged by condition. The maximum power in the theta frequency band was computed for each participant and each condition.Results:Cortico-striatal connectivity analysis: The presence of an ICD in patients with PD was associated with functional disconnection between the left anterior putamen and both the left inferior temporal and anterior cingulate gyrus. ICD patients also displayed a trend toward a functional disconnection between (i) the left anterior putamen and the inferior frontal gyrus, (ii) the posterior putamen and the inferior temporal gyrus, superior frontal gyrus, posterior cingulate, and medial frontal gyrus on the left, as well as the medial frontal gyrus, middle frontal gyrus, and cingulate gyrus on the right, (iii) the dorsal caudate and the gyrus rectus and orbitofrontal cortex, and the middle frontal and inferior temporal gyrus on the left.Evoked potentials: In Parkinson’s disease patients without ICD and healthy controls, the FRP was greater after gains that after losses following a non-risky choice. There was no difference in FRP amplitude after losses and gains in Parkinson’s disease patients with ICD.Time-frequency analysis: At Cz, positive outcomes (gains) were associated with greater theta power than negative outcomes (losses) in Parkinson’s disease patients without ICD and in healthy controls, but not in Parkinson’s disease patients with ICD. There was an increase in theta power after unexpectedly high outcomes, at Fz in healthy controls and in FCz in Parkinson’s disease patients with ICD, whereas theta power was not modulated by the magnitude of the outcome in PD patients without ICDs.Conclusions:Parkinson’s disease patients with ICD have an alteration in EEG markers of reward in line with an altered discrimination of gains and losses and a greater sensitivity to unexpectedly high outcomes, supposed to lead to a significant activation in the dopaminergic meso-limbic pathways. These findings are in line with a dysfunction in reward processing in ICD in Parkinson’s disease. This dysfunction is associated, at rest, with an alteration in striato-cortical connectivity that goes beyond a pure dopaminergic meso-limbic dysfunction., ContexteAu cours de la maladie de Parkinson, les agonistes dopaminergiques sont associés à la survenue de troubles du contrôle des impulsions (TCI). Leur physiopathologie est supposée liée à une dérégulation du circuit dopaminergique méso-limbique, impliqué dans l’intégration des conséquences d’une action afin d’adapter les comportements ultérieurs. Les agonistes dopaminergiques, par la stimulation tonique qu’ils entrainent, conduiraient à une surestimation des conséquences positives des actions antérieures et la poursuite de comportements aux conséquences néfastes.Nous avons exploré (i) la connectivité fonctionnelle striato-corticale en IRM fonctionnelle de repos, (ii) des marqueurs électro-encéphalographiques (EEG) d’intégration du feedback au cours d’une tache de pari : feedback-related negativity (FRN), feedback-related positivity (FRP) et oscillations dans la bande de fréquence thêta (4-7 Hz) chez 20 patients parkinsoniens avec TCI actif, 19 patients parkinsoniens sans TCI et 19 contrôles sains.IRM fonctionnelle : Le striatum ventral, le noyau caudé dorsal, le putamen antérieur et postérieur étaient segmentés semi-automatiquement. Pour chaque région d’intérêt, une analyse de connectivité fonctionnelle était réalisée sur les données d’IRM fonctionnelle projetées sur la surface corticale.Approche neurophysiologique : les sujets réalisaient une tâche composée de paris répétés, couplée à un enregistrement EEG. Le signal EEG était moyenné pour chaque condition et pour chaque sujet. L’amplitude de la FRP était mesurée en Cz et l’amplitude de la FRN en Fz sur la courbe de différence entre les potentiels évoqués par les pertes et les potentiels évoqués par les gains. Les spectres de puissance ont été calculés en utilisant une transformation en ondelettes sinusoïdales de Morlet et moyennés par condition. La puissance maximale du signal, dans la bande de fréquence thêta, entre 200 et 500 millisecondes après l’affichage du feedback était mesurée.Analyse de la connectivité striato-corticale : Chez les patients parkinsoniens, l’existence d’un TCI était associée à une déconnexion fonctionnelle entre le putamen antérieur gauche et les gyrus cingulaire antérieur et temporal inférieur gauche. Il existait chez ces patients une tendance à une déconnexion fonctionnelle entre (i) le putamen antérieur gauche et le gyrus frontal inférieur, (ii) le putamen postérieur et les gyrus temporal inférieur, frontal supérieur, cingulaire postérieur et frontal médial à gauche, ainsi que les gyrus frontal médial, cingulaire et frontal moyen à droite, (iii), le noyau caudé dorsal et le gyrus rectus, le gyrus frontal moyen et le gyrus temporal inférieur à gauche.Potentiels évoqués : Chez les patients parkinsoniens sans TCI et chez les contrôles, mais pas chez les patients parkinsoniens avec TCI, la FRP était plus ample après les gains qu’après les pertes suite à un choix peu risqué.Analyse temps-fréquence : En Cz, les gains étaient associés à une augmentation plus importante de la puissance thêta que les pertes chez les patients parkinsoniens sans TCI et chez les contrôles, mais pas chez les patients parkinsoniens avec TCI. Il existait une augmentation de la puissance thêta après un résultat ample inattendu (boost), en Fz chez les contrôles et en FCz chez les parkinsoniens avec TCI, mais pas chez les patients parkinsoniens sans TCI.Il existe chez les patients parkinsoniens ayant un TCI une altération de marqueurs EEG d’intégration de la récompense compatible avec une moins bonne discrimination des gains et des pertes et une plus grande sensibilité aux résultats amples, inattendus (boost), supposés entrainer une activation importante des voies dopaminergiques méso-limbiques. Il semble donc bien exister, chez les patients ayant un TCI une dysfonction des mécanismes d’intégration du feedback. Cette dysfonction s’associe, au repos, à une altération de la connectivité striato-corticale qui va au-delà du seul système limbique.

BackgroundIn Parkinson’s disease, dopamine agonists are associated with an increased risk of impulse control disorders (ICD). Their occurrence is supposed to be related with a deregulation of the dopaminergic meso-limbic pathway, involved in the processing of the consequences of previous action to adapt future behaviors. Dopamine agonists, through a tonic stimulation of the dopamine receptors would lead to an overestimation of the positive consequences of actions, and therefore, continuation of a harmful behavior.Method:We investigated (i) the resting-state striato-cortical functional connectivity using functional MRI, and (ii) electro-encephalographic (EEG) markers of feedback processing during a gambling task : the feedback related negativity (FRN), the feedback related positivity, (FRP), and the theta band oscillations (4-7 Hz) in 20 Parkinson’s disease patients with an active ICD, 19 Parkinson’s disease patients without ICD, and 19 healthy subjects.Functional MRI: The ventral striatum, dorsal caudate, and anterior and posterior putamen were semi-automatically segmented. For each region of interest, a seed-based connectivity analysis was performed on preprocessed fMRI data mapped on the ipsilateral cortical surface.Neurophysiological approach: The subjects underwent an EEG while performing a gambling task. The EEG was averaged for each condition and each subject. The FRP amplitude was measured in Cz, and the FRN amplitude was measured in Fz on the difference wave between the potential evoked by losses and by gains. The power spectra were computed by using a sinusoidal Morlet wavelet transform and averaged by condition. The maximum power in the theta frequency band was computed for each participant and each condition.Results:Cortico-striatal connectivity analysis: The presence of an ICD in patients with PD was associated with functional disconnection between the left anterior putamen and both the left inferior temporal and anterior cingulate gyrus. ICD patients also displayed a trend toward a functional disconnection between (i) the left anterior putamen and the inferior frontal gyrus, (ii) the posterior putamen and the inferior temporal gyrus, superior frontal gyrus, posterior cingulate, and medial frontal gyrus on the left, as well as the medial frontal gyrus, middle frontal gyrus, and cingulate gyrus on the right, (iii) the dorsal caudate and the gyrus rectus and orbitofrontal cortex, and the middle frontal and inferior temporal gyrus on the left.Evoked potentials: In Parkinson’s disease patients without ICD and healthy controls, the FRP was greater after gains that after losses following a non-risky choice. There was no difference in FRP amplitude after losses and gains in Parkinson’s disease patients with ICD.Time-frequency analysis: At Cz, positive outcomes (gains) were associated with greater theta power than negative outcomes (losses) in Parkinson’s disease patients without ICD and in healthy controls, but not in Parkinson’s disease patients with ICD. There was an increase in theta power after unexpectedly high outcomes, at Fz in healthy controls and in FCz in Parkinson’s disease patients with ICD, whereas theta power was not modulated by the magnitude of the outcome in PD patients without ICDs.Conclusions:Parkinson’s disease patients with ICD have an alteration in EEG markers of reward in line with an altered discrimination of gains and losses and a greater sensitivity to unexpectedly high outcomes, supposed to lead to a significant activation in the dopaminergic meso-limbic pathways. These findings are in line with a dysfunction in reward processing in ICD in Parkinson’s disease. This dysfunction is associated, at rest, with an alteration in striato-cortical connectivity that goes beyond a pure dopaminergic meso-limbic dysfunction., ContexteAu cours de la maladie de Parkinson, les agonistes dopaminergiques sont associés à la survenue de troubles du contrôle des impulsions (TCI). Leur physiopathologie est supposée liée à une dérégulation du circuit dopaminergique méso-limbique, impliqué dans l’intégration des conséquences d’une action afin d’adapter les comportements ultérieurs. Les agonistes dopaminergiques, par la stimulation tonique qu’ils entrainent, conduiraient à une surestimation des conséquences positives des actions antérieures et la poursuite de comportements aux conséquences néfastes.Nous avons exploré (i) la connectivité fonctionnelle striato-corticale en IRM fonctionnelle de repos, (ii) des marqueurs électro-encéphalographiques (EEG) d’intégration du feedback au cours d’une tache de pari : feedback-related negativity (FRN), feedback-related positivity (FRP) et oscillations dans la bande de fréquence thêta (4-7 Hz) chez 20 patients parkinsoniens avec TCI actif, 19 patients parkinsoniens sans TCI et 19 contrôles sains.IRM fonctionnelle : Le striatum ventral, le noyau caudé dorsal, le putamen antérieur et postérieur étaient segmentés semi-automatiquement. Pour chaque région d’intérêt, une analyse de connectivité fonctionnelle était réalisée sur les données d’IRM fonctionnelle projetées sur la surface corticale.Approche neurophysiologique : les sujets réalisaient une tâche composée de paris répétés, couplée à un enregistrement EEG. Le signal EEG était moyenné pour chaque condition et pour chaque sujet. L’amplitude de la FRP était mesurée en Cz et l’amplitude de la FRN en Fz sur la courbe de différence entre les potentiels évoqués par les pertes et les potentiels évoqués par les gains. Les spectres de puissance ont été calculés en utilisant une transformation en ondelettes sinusoïdales de Morlet et moyennés par condition. La puissance maximale du signal, dans la bande de fréquence thêta, entre 200 et 500 millisecondes après l’affichage du feedback était mesurée.Analyse de la connectivité striato-corticale : Chez les patients parkinsoniens, l’existence d’un TCI était associée à une déconnexion fonctionnelle entre le putamen antérieur gauche et les gyrus cingulaire antérieur et temporal inférieur gauche. Il existait chez ces patients une tendance à une déconnexion fonctionnelle entre (i) le putamen antérieur gauche et le gyrus frontal inférieur, (ii) le putamen postérieur et les gyrus temporal inférieur, frontal supérieur, cingulaire postérieur et frontal médial à gauche, ainsi que les gyrus frontal médial, cingulaire et frontal moyen à droite, (iii), le noyau caudé dorsal et le gyrus rectus, le gyrus frontal moyen et le gyrus temporal inférieur à gauche.Potentiels évoqués : Chez les patients parkinsoniens sans TCI et chez les contrôles, mais pas chez les patients parkinsoniens avec TCI, la FRP était plus ample après les gains qu’après les pertes suite à un choix peu risqué.Analyse temps-fréquence : En Cz, les gains étaient associés à une augmentation plus importante de la puissance thêta que les pertes chez les patients parkinsoniens sans TCI et chez les contrôles, mais pas chez les patients parkinsoniens avec TCI. Il existait une augmentation de la puissance thêta après un résultat ample inattendu (boost), en Fz chez les contrôles et en FCz chez les parkinsoniens avec TCI, mais pas chez les patients parkinsoniens sans TCI.Il existe chez les patients parkinsoniens ayant un TCI une altération de marqueurs EEG d’intégration de la récompense compatible avec une moins bonne discrimination des gains et des pertes et une plus grande sensibilité aux résultats amples, inattendus (boost), supposés entrainer une activation importante des voies dopaminergiques méso-limbiques. Il semble donc bien exister, chez les patients ayant un TCI une dysfonction des mécanismes d’intégration du feedback. Cette dysfonction s’associe, au repos, à une altération de la connectivité striato-corticale qui va au-delà du seul système limbique.

Synesthesia is a fascinating phenomenon that offers the opportunity to study the neural bases of subjective experiences in healthy subjects. Grapheme-color synesthetes (1 to 5 % of the population – who do not know it most of the time) arbitrarily and systematically associate a specific color to letters or digits. This PhD thesis work focuses on this type of synesthesia and explores whether common neural networks are involved both in “real” color perception and synesthetic color experience. In a previous study from the host team using functional Magnetic Resonance Imaging (MRI), no implication of “color areas” where found (Hupé et al., 2012). A standard (univariate) statistical analysis of the data processing was used. This PhD thesis aims at determining if synesthetic colors involve real color neural networks with the use of a multivariate statistical technique (Multivoxel Pattern Analysis – MVPA). Unlike univariate analysis it uses sets of voxels (the pixels in 3D forming the images) and take into account their patterns of activation linked to the encoding of specific information in the brain. This encoding is performed at the neuronal level and fMRI indirectly and non-invasively quantifies it through hemodynamic variations induced by the neuronal activity. MVPA is a particularly adapted approach to measure fine grained and distributed information encoding. The goal of the thesis is to explore its efficiency for the study of grapheme-color synesthesia for which standard analyses failed. In practice, it requires the use of specific protocols, mastering numerous parameters influencing the results and the joint use of univariate analysis. In the first step of this thesis, we evaluated different methodological aspects to optimize the processing chain in order to obtain robust and reliable results. Then, we compared the neural processing of real colors and synesthetic colors in 2 groups of synesthetes (n=20) and non synesthetes (n=20). We found that synesthetic colors processing does not share common neural networks with real color processing. This suggests that the neural bases of synesthetic colors are not localized in the retinotopic visual areas or in the visual expertise areas (the “ventral pathway” areas). This may also suggest that, although those areas are involved, different neural networks are implicated in real color and synesthetic color perception. These results raise the question of the limits of the interpretation of the signal measured by fMRI, indirectly linked to the neuronal activity. The identification of the neural networks involved in the subjective experience of synesthetic colors remains an open issue.; La synesthésie est un phénomène fascinant qui offre une opportunité privilégiée d’étudier chez les sujets sains les bases neurales de l’expérience subjective. Les synesthètes graphème-couleur (1 à 5 % de la population – qui ignorent le plus souvent l’être) associent arbitrairement et systématiquement une couleur spécifique à chaque lettre ou chiffre. Ce travail de thèse se focalise sur ces synesthésies et explore l’implication, dans l’expérience subjective de couleurs synesthésiques, des régions corticales actives lors de la perception des couleurs “réelles”. Dans une étude préalable réalisée par l’équipe d’accueil utilisant l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf), une telle implication des “aires de la couleur” n’a pas été observée (Hupé et al. 2012). Une analyse statistique “classique” (univariée) du traitement des données mesurées était utilisée. Cette thèse vise à déterminer si les couleurs synesthésiques reposent sur les réseaux neuronaux des couleurs réelles en utilisant une technique d’analyse statistique multivariée (MultiVoxel Pattern Analysis – MVPA). A la différence de l’analyse univariée celle-ci se se base sur des ensembles de voxels (les pixels en 3D qui composent les images acquises) et prend en compte leurs motifs d’activation correspondant spécifiquement à l’encodage d’une information donnée par le cerveau. Cet encodage est réalisé au niveau neuronal et l’IRMf en donne une quantification non-invasive et indirecte au travers des répercutions hémodynamiques induites par l’activation neuronale. Cette modélisation multivariée des données fait des MVPA une approche particulièrement adaptée à la mesure d’informations encodées finement de manière distribuée. Le but de ce travail est d’explorer son efficacité pour l’étude de la synesthésie graphème-couleur où l’analyse classique n’a pas fourni de résultats concluants. En pratique, elle nécessite cependant l’utilisation de protocoles spécifiques, la maîtrise des nombreux paramètres qui influent radicalement sur son fonctionnement et l’utilisation conjointe de l’analyse univariée. Dans la première étape de cette thèse, nous avons évalué différents aspects méthodologiques qu’il est important de maîtriser afin d’obtenir des résultats robustes et une analyse fiable. Ensuite, nous avons comparé le traitement des couleurs réelles et synesthésiques chez deux groupes de 20 synesthètes et de non synesthètes. Nous n’avons pas trouvé d’évidence du traitement des couleurs synesthésiques sur les réseaux neuronaux de traitement de la couleur réelle. Cela peut signifier que les bases neuronales des couleurs synesthésiques ne se situent ni dans les aires visuelles rétinotopiques ni dans les aires de l’expertise visuelle (lesaires de la “voie ventrale”). Cela peut également signifier que, bien que ces aires soient impliquées, ce ne sont pas les réseaux neuronaux de traitement des couleurs réelles qui sont activés lors de la perception de couleurs synesthésique. D’un point de vue méthodologique, il est possible que les signaux mesurés par l’IRMf ne permettent pas d’observer ce codage partagé. Ces résultats posent donc la question des limites de l’interprétation des signaux mesurés en IRMf très indirectement liés à l’activité neuronale. L’identification des réseaux neuronaux impliqués dans l’expérience subjective des couleurs synesthésiques reste donc une problématique ouverte.

This thesis is motivated by the study of sensors networks. The goal is to compare networks using their conditional independence structures. This structure illustrates the relations between two sensors according to the information recorded by the others sensors in the network. We made the hypothesis that the studied networks are multivariate Gaussian processes. Under this assumption, estimating the conditional independence structure of a process is equivalent to estimate its Gaussian graphical model.First, we propose a new method for Gaussian graphical model estimation : it uses a score proportional to the probability of a graph to represent the conditional independence structure of the studied process and it is initialized by Graphical lasso. To compare our method to existing ones, we developed a procedure to evaluate the performances of Gaussian graphical models estimation methods. One part of this procedure is an algorithm to simulated multivariate Gaussian processes with known conditional independence structure.Then, we conduct a classification over processes thanks to their conditional independence structure estimates. To do so, we introduce a new metric : the symmetrized Kullback-Leibler divergence over normalized cross-profiles of studied processes. We use this approach to find sets of brain regions that are relevant to study comatose patients from functional MRI data., Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de réseaux de capteurs. L'objectif est de pouvoir comparer des réseaux en utilisant leurs structures d'indépendance conditionnelle. Cette structure représente les relations entre deux capteurs sachant l'information enregistrée par les autres capteurs du réseau. Nous travaillons sous l'hypothèse que les réseaux étudiés sont assimilables à des processus gaussiens multivariés. Sous cette hypothèse, estimer la structure d'indépendance conditionnelle d'un processus multivarié gaussien est équivalent à estimer son modèle graphique gaussien.Dans un premier temps, nous proposons une nouvelle méthode d'estimation de modèle graphique gaussien : elle utilise un score proportionnel à la probabilité d'un graphe de représenter la structure d'indépendance conditionnelle du processus étudié et est initialisée par Graphical lasso. Pour situer notre méthode par rapport aux méthodes existantes, nous avons développé une procédure d'évaluation des performances d'une méthode d'estimation de modèles graphiques gaussiens incluant notamment un algorithme permettant de générer des processus multivariés gaussiens dont la structure d'indépendance conditionnelle est connue.Dans un deuxième temps, nous classifions des processus à partir des estimées des structures d'indépendance conditionnelle de ces processus. Pour ce faire, nous introduisons comme métrique la divergence de Kullback-Leibler symétrisée entre les profils croisés normalisés des processus étudiés. Nous utilisons cette approche pour identifier des ensemble de régions cérébrales pertinentes pour l'étude de patients dans le coma à partir de données d'IRM fonctionnelle.

Brain areas are functionally connected in networks, even at rest. Since such connectivity networks could be impaired in several pathologies, they could potentially serve for diagnosis and treatment. Based on four studies, spatial independent component analysis has shown sufficient sensitivity, reproducibility and specificity to produce reliable healthy as well as pathological networks at the individual level. Therefore, the network underlying auditory hallucination could define the brain areas to treat by transcranial magnetic stimulation. Among the common resting-state networks, the ones involving the posterior cingular cortex and the precuneus seem deeply altered in disorders of consciousness, and so could be used as a diagnostic tool to distinguish the locked-in syndrome from the vegetative state. We can now map, at the individual level, the functional relationships between brain areas. Further studies on the dynamic and on the level of activity of the functional connectivity networks might provide relevant information about their functions and their involvement in the pathology., Les aires cérébrales entretiennent des relations fonctionnelles, formant ainsi des réseaux qui peuvent être altérés dans diverses pathologies. L'étude de ces réseaux de connectivité fonctionnelle pourrait potentiellement aider au diagnostic d'un individu et au traitement de sa pathologie. À travers quatre études, nous avons montré que l'analyse en composantes indépendantes spatiale est une méthode suffisamment sensible, reproductible et spécifique pour mettre en évidence, à l’échelle individuelle et au repos, des réseaux sains et pathologiques fiables. Ainsi, le réseau pathologique sous-tendant les hallucinations acoustico-verbales permet de définir les aires cérébrales à traiter par stimulation magnétique transcrânienne. Parmi les réseaux sains, ceux qui impliquent le cortex cingulaire postérieur et le précunéus semblent profondément altérés dans les troubles de la conscience, et peuvent servir d'outil diagnostic pour distinguer le locked-in syndrome de l'état végétatif. Il est désormais possible de cartographier, à l'échelle individuelle, les relations fonctionnelles entre les aires cérébrales. L’étude à venir de la dynamique et du niveau d’activité des réseaux de connectivité fonctionnelle nous renseignera davantage sur leurs fonctions et leur implication dans la pathologie.

International audience; Functional MRI (fMRI) allowed considerable advances upon understanding of cerebral functioning. Cortical plasticity, which allows the voluntary command of a restored function by a transferred muscle remains to be investigated in its intimacy. The authors present here the round table held at the 48th annual meeting of the French Society for Surgery of the Hand on December 22nd, 2012. It tries to review the analysis of the phenomenon observed during multiple tendinous transfers for restoration of proximal radial nerve palsy. Were successively approached: 1) Methods of acquisition and analysis of the signals (C. D-M.); 2) Movement reorganization (O.M.); 3) Motor plasticity after hand allograft (A. S.); 4) The potential interest of the fMRI in hand rehabilitation (F. D.); 5) The analysis of cerebral plasticity in general (H. B.). A rather philosophical conclusion opens other fields to f MRI (A.M.).

The aim core of this thesis is to investigate different aspects of decision-making and flexibility in healthy and clinical populations. Specifically, we investigated the neural correlates of social decision-making in young healthy individuals, the influence of steroid hormones on cognitive flexibility in early menopausal women and cerebral dysfunctions involved in reward devaluation during decision-making process in individuals suffering of Parkinson disease. First, we studied the neural correlates of iniquity aversion when making a decision for oneself or on behalf of his own group and when facing a single individual or another group. Our results highlight influence of two distinct neural network involved in iniquity aversion during complex social exchange, outlining a neuronal explanation to interindividualintergroup discontinuity effect. Our second study, described the influence of hormone replacement therapy (i.e., HRT) on cognitive flexibility in early menopausal women. Many studies described a deleterious effect of steroid supplementation on executive cognitive functions, if it delayed after the onset of the menopause. However, “windows of opportunity” hypothesis suggests a benefic and neuroprotective effect against psychiatric disorders, if hormonal replacement therapy starts close to the beginning of menopause. Combining pharmacological and neuroimaging approaches, we showed a neuroprotective effect in brain structures involved in cognitive flexibility, in young menopausal women. Finally, our last study highlights the effect of dopaminergic treatment in Parkinsonians patients developing impulsive control disorder (i.e., hypersexuality). Preliminary results showed influence of these two factors on distinct subsystems involved in evaluation of different types of costs (i.e., effort/delay) associated with subsequent rewards. This thesis demonstrates the value of combining pharmacology studies and fMRI in order to better understand to which extent hormonal and dopaminergic treatments affect the brain mechanisms during individual and social decision-making, Le but de cette thèse était d’étudier les mécanismes cérébraux sous-tendant la prise de décision sociale chez des sujets sains, l’influence des hormones stéroïdiennes gonadiques sur la flexibilité cognitive et les dysfonctionnements cérébraux sous-tendant la dévaluation de récompenses dans la maladie de Parkinson. Lors de notre premier protocole, nous avons étudié comment le fait de prendre une décision pour soi ou pour un groupe auquel nous appartenons, et lorsque nous faisons face à un seul individu ou à un groupe, influence notre aversion à l’iniquité et les régions cérébrales engagées. Nos résultats ont montré l’influence de deux réseaux cérébraux distincts dans l’aversion à l’iniquité lors de ces interactions sociales, définissant une signature cérébrale à l’effet de « discontinuité interpersonnelle/intergroupe». Notre seconde étude visait à déterminer l’influence d’un traitement hormonal substitutif sur la flexibilité cognitive, chez les femmes récemment ménopausées. De nombreuses études ont montré un effet délétère d’une supplémentation hormonale sur les fonctions cognitives, si celle-ci débute tardivement après la ménopause. Cependant, une récente hypothèse a proposé que le traitement hormonal puisse être bénéfique et neuroprotecteur contre des maladies psychiatriques, s‘il débute lors d’une courte durée à la suite du début de ménopause. Dans une étude combinant pharmacologie et IRMf, nous avons démontré une modulation par traitement hormonal sur les régions impliquées dans le contrôle cognitif chez des femmes récemment ménopausées. Notre dernière étude évalue l’effet d’un traitement dopaminergique et la présence d’un trouble du contrôle des impulsions particulier (i.e., l’hypersexualité) chez des patients atteints par la maladie de Parkinson. Nos résultats préliminaires ont montré l’influence de ces facteurs sur des régions frontales et sous-corticales spécifiques impliquées dans des choix, nécessitant l’évaluation de différents coûts (i.e., effort/attente) menant à des récompenses plus ou moins importantes. Notre thèse démontre l’intérêt de combiner les études de pharmacologie et d’IRMf pour comprendre comment les traitements hormonaux et dopaminergiques influencent les mécanismes cérébraux de la décision individuelle et sociale

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a noninvasive technique allowing the study of brain activity via the measurement of hemodynamic changes. Recently, a joint detection-estimation (JDE) framework was developed and relies on both (1) the brain activity detection and (2) the hemodynamic response function estimation, two steps that are generally addressed in a separate way. The JDE approach is a parcel-based model that alternates (1) and (2) on each parcel successively. The JDE analysis assumes that all delivered stimuli (e.g. visual, auditory, etc.) possibly generate a response everywhere in the brain although activation is likely to be induced by only some of them in specific brain areas. Inclusion of irrelevant events may degrade the results. Since the relevant conditions or stimulus types can change between different brain areas, a model selection procedure will be computationally expensive. Furthermore, criteria are not always available to select the relevant conditions prior to activation detection, especially in pathological cases. The goal of this work is to develop a JDE extension allowing an automatic selection of the relevant conditions according to the brain activity they elicit. This condition selection is done simultaneously to the analysis and adaptively through the different brain areas. Analysis on simulated and real datasets illustrate the ability of our model to select the relevant conditions and its interest compare to the standard JDE analysis., L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une technique non invasive permettant l'étude de l'activité cérébrale au travers des changements hémodynamiques associés. Récemment, une technique de détection-estimation conjointe (DEC) a été développée permettant d'alterner (1) la détection de l'activité cérébrale induite par une stimulation ainsi que (2) l'estimation de la fonction de réponse hémodynamique caractérisant la dynamique vasculaire; deux problèmes qui sont généralement traités indépendamment. Cette approche considère une parcellisation a priori du cerveau en zones fonctionnellement homogènes et alterne (1) et (2) sur chacune d'entre elles séparément. De manière standard, l'analyse DEC suppose que le cerveau entier peut être activé par tous les types de stimuli (visuel, auditif, etc.). Cependant la spécialisation fonctionnelle des régions cérébrales montre que l'activité d'une région n'est due qu'à certains types de stimuli. La prise en compte de stimuli non pertinents dans l'analyse, peut dégrader les résultats. La sous-famille des types de stimuli pertinents n'étant pas la même à travers le cerveau une procédure de sélection de modèles serait très coûteuse en temps de calcul. De plus, une telle sélection a priori n'est pas toujours possible surtout dans les cas pathologiques. Ce travail de thèse propose une extension de l'approche DEC permettant la sélection automatique des conditions (types de stimuli) pertinentes selon l'activité cérébrale qu'elles suscitent, cela simultanément à l'analyse et adaptativement à travers les régions cérébrales. Des exemples d'analyses sur des jeux de données simulés et réels, illustrent la capacité de l'approche DEC parcimonieuse proposée à sélectionner les conditions pertinentes ainsi que son intérêt par rapport à l'approche DEC standard.

Dans ce mémoire, nous décrivons le travail effectué pour étendre nos connaissances sur les sources d’instabilité instrumentales en imagerie de résonance magnétique, en particulier dans le domaine anatomique par une étude où cinq adultes ont été scannés quatre fois dans la même plate-forme IRM, deux fois avant et deux fois après une mise à niveau importante d’un scanner 3T de Siemens. Les volumes de l’hippocampe droit et gauche de chaque sujet ont été mesurés avec une segmentation manuelle. Nous avons analysé la fiabilité test-retest avant et après la mise à niveau du système d’IRM. Dans le domaine fonctionnel, cinq adultes ont été scannés quatre fois dans la même plate forme IRM deux fois avant et deux fois après la même mise à niveau du scanneur. Les acquisitions du signal BOLD sont faites dans deux différentes résolutions spatiales (2x2x2mm et 4x4x4mm) pour évaluer la sensibilité du signal BOLD sous conditions de haute et basse SNR. Une dernière étude fonctionnelle sur fantôme avait pour but d’étudier la stabilité de la machine pour les images fonctionnelles et détecter les sources de bruit de type machine. La séquence EPI (Echo Planar Imaging) d’écho de gradient à deux dimensions a été utilisée. Des analyses comme le pourcentage des fluctuations et l’analyse de Fourier des résidus ont également été réalisées. Nous résultats indiquent que les différences dans le matériel provenant d’une importante mise à niveau ne peuvent pas compromettre la validité des études structurelles et fonctionnelles faites à travers la mise à niveau du scanneur. Les acquisitions quotidiennes ont permis de suivre l’évolution de la stabilité et de détecter toute source de bruit qui peut détériorer la détection des activations dans les images fonctionnelles., In this thesis, we describe work we carried out to extend our knowledge on instrumental sources of MRI variability, in both anatomical and functional imaging. The anatomical study involved five adults scanned four times in the same platform MRI twice before and twice after a major update of a 3T Siemens scanner. The volumes of left and right hippocampus of each subject were measured with a manual segmentation. We then analyzed the test-retest reliability before and after updating the MRI system. In the functional study, five adults were scanned four times on the same MRI system twice before and twice after a major hardware update. Blood oxygenation level- dependent (BOLD) acquisitions were made at two different spatial resolutions (2x2x2mm and 4x4x4mm) to assess the reproducibility of BOLD measurements under conditions of high and low SNR. A final functional study using a gel phantom was used to study the stability of the machine for functional images and isolate the sources of noise arising from hardware. Two-dimensional gradient-echo EPI (Echo Planar Imaging) signals were analyzed to assess the percentage variability and Fourier analysis of residual error performed. Our results indicate that the differences in hardware from a major upgrade do not significantly affect the reliability of structural and functional studies spanning a major hardware upgrade. Daily quality assurance acquisitions on phantoms can be used to monitor the stability of the machine, which may aid in the early detection of hardware faults.

Bien que les troubles cognitifs soient un aspect essentiel de la schizophrénie, le dysfonctionnement des systèmes émotionnels y est également considéré comme un élément très important de cette maladie d’autant plus que plusieurs régions du cerveau sont concernées par la régulation émotionnelle. Le principal objectif du présent travail était d’explorer, en imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf), l’effet de la ziprasidone sur les différentes réponses neuronales à l’affichage de stimuli émotionnels au niveau de la région préfrontale,particulièrement dans le cortex cingulaire antérieur [CCA], le cortex orbito-frontal [COF] et le cortex préfrontal dorso-latéral [CPFDL]. Nous avons examiné les activations cérébrales, chez des patients souffrants de schizophrénie avant et après médication à la ziprasidone, en leur présentant des séries d’images émotionnellement chargées (négatives, neutres et positives) associées à différentes instructions quand aux types d’images qu’ils devaient sélectionner (négatives,neutres et positives). Nous avons analysé les différents changements d’activation (avant et après médication) essentiellement pour les valences extrêmes des stimuli (positives et négatives), ensuite nous avons regardé l’effet du type d’instruction sur ces changements. L’échantillon comprenait 13 patients atteints de schizophrénie et 15 témoins sains. Nous avons également effectué une évaluation clinique des symptômes dépressifs, positifs et négatifs de la maladie ainsi que des mesures biochimiques et de poids avant et après 16 semaines de médication. Malgré l’absence de changement significatif sur les mesures cliniques (PANSS et Dépression) avant et après une moyenne de 14.3 semaines de médication à la ziprasidone, plusieurs régions préfrontales (CCA, COF, CPDL) ont sensiblement accru leur réponse aux stimuli positifs par rapport aux stimuli négatifs. En outre, dans les régions habituellement impliquées dans le contrôle cognitif (CCA et CPFDL), cette tendance s'est accentuée lorsque les patients ont été invités à ne sélectionner que les stimuli négatifs (effet du type d’instruction). Nous avons également trouvé plusieurs similitudes dans le fonctionnement préfrontal (à la fois dans le volume et la force d'activation) entre les contrôles sains et les patients après médication en tenant compte du type d’instruction plus que de la valence émotionnelle des images. Pour conclure, les résultats de la présente étude suggèrent que le traitement antipsychotique avec la ziprasidone améliore le fonctionnement cognitif lié au traitement de l'information émotionnelle dans le cortex préfrontal chez les patients souffrant de schizophrénie. Étant donné le mécanisme d'action neuro-pharmacologique de la ziprasidone (plus d'affinité pour la sérotonine que pour les récepteurs de la dopamine dans le cortex préfrontal), nous pensons que nos résultats démontrent que le contrôle cognitif et la régulation des réactions face à des stimuli émotionnellement chargés dans la schizophrénie sont liés à une plus forte concentration de dopamine dans les voies préfrontales., Objective We assessed psychological and neuronal manifestations associated with cognitive processing of emotional visual stimuli among schizophrenic patients after 16 weeks of antipsychotic medication with ziprasidone (daily average dose of 108 mg). We were especially interested in evaluating to what extent the restoration of emotional regulation involved the prefrontal cortex. Methods Thirteen schizophrenic patients (assessed using DSM-IV criteria) were clinically evaluated (using Positive and Negative Syndrome Scale - PANSS, Calgary Depression Scale - CDS)and were scanned using functional magnetic resonance imaging (fMRI), before starting and at the end of 16 weeks of ziprasidone treatment. Their results were compared with those of 15 healthy subjects. In each neuroimaging session, participants watched 14 blocks of emotionally laden images taken from the standardized sets developed by International Affective Picture System [NIMH Center for Emotion and Attention (CSEA) at the University of Florida]. In each block, one type of image (e.g. positive, negative) predominated and subjects were instructed to select all images of a given type, which could be either concordant (e.g. select all positive images in a block with a majority of positive images) or non-concordant (e.g. select all positive images in a block with a majority of negative images). The blood oxygenation level dependent (BOLD) signal in response to emotional stimuli was used as dependent measure for the brain activity. Results Despite observing no significant changes on clinical measures (PANSS and CDS) before and after 16 weeks of ziprasidone treatment, several prefrontal regions (i.e. anterior cingulate - ACC, orbitofrontal – OFC, and dorsolateral prefrontal – DLPFC cortices) increased significantly their response to positive than to negative stimuli. Moreover, in the regions typically involved in cognitive control (ACC and DLPFC), this pattern was accentuated whenever patients were instructed to select only the negative stimuli. Among the healthy controls, we found that prefrontal activity was more sensitive to the type of instruction, than to the type of image in a block; specifically, the prefrontal areas had a higher BOLD signal whenever subjects had to select the negative, than the positive images. We also found more similarities in prefrontal functioning (both in the volume and the strength of activation) between patients and controls after the treatment, when taking into account the instruction type (select negative versus positive stimuli), than when comparing the emotional valence of images. Conclusion The results of the present study suggest that antipsychotic treatment with ziprasidone restores the cognitive functioning related to the processing of emotional information in prefrontal cortex in patients with schizophrenia. Given the neuro-pharmacological action mechanism of ziprasidone (more affinity for serotonin than dopamine receptors in prefrontal cortex), we believe that our findings demonstrate that cognitive control and regulation of reactions when facing emotionally laden stimuli in schizophrenia is related to a higher concentration of dopamine in prefrontal pathways.

Prostate cancer is the most frequent tumour affecting the male population. When the prostate is not removed and is treated with radiation therapy, PSA slowly decreases over time to reach its nadir, even sometimes 18 to 24 months after the completion of radiation therapy without combined androgen suppression therapy. When combined with hormones, PSA falls abruptely with no possibility to perceive the impact of either hormones or radiation effects on PSA.The optimal value of PSA that should be reached after radiation therapy (nadir) and time to this nadir are still unclear.Even when a satisfactory value of the PSA nadir is reached, on-going variations of the PSA and its “bounce” effects, which occurs in 20% to 40% of the cases.Proton magnetic resonance spectroscopy allows one to assess the relative concentration of Choline and Citrate. Choline is a metabolite of whose concentration is often increased in the presence of a tumour, whereas the synthesis and the oxidation of Citrate are two decisive elements of the normal metabolism, functional abilities, growth, reproduction and survival of prostatic cells. This MR technique can be performed in combination with diffusion-weighted MRI and DCE-MRI (multiparametric MRI).The goal of our study was to evaluate the feasibility of a 3D CSI proton MR spectroscopy of the entire prostate gland at 3.0 Tesla without an endorectal coil among patients with a localised prostate cancer treated with radiation therapy, with or without hormones. We first have classified spectra in a 5-point scale (from benign : class I, to malign : class V) based on a control group with radical prostatectomy as the standard of reference. This classification enabled us to establish a strong correlation between malignant spectra or the metabolic tumor volume and clinically validated prognostic factors.In parallel, a prospective clinical trial of which the aim is to Evaluate the Response to Irradiation with proton MR Spectroscopy (ERIS trial) has been set up to follow patients with serial multiparametric MRI over 2 years after radiation therapy. Sextant-biopsies of the prostate were performed at 6 months and 12 months. Preliminary results after one year of follow-up showed a correlation between the Choline value measured in the whole prostate and the PSA value reached one year after radiation therapy. With a longer follow-up, we have performed a new analysis to evaluate the benefit of multiparametric MRI and the place of each sequence to evaluate the radiation response. We found a strong correlation between the PSA value observed at 1 year and the Choline and Citrate values measured as early as 3 months after the completion of radiotherapy, whereas ADC value from diffusion-weighted MRI and the slope of the contrast uptake from DCE-MRI, were not correlated with PSA. All our results confirm that the Choline concentration seems to be a more relevant biomarker to predict an early radiation response. The decrease of the Citrate metabolism could become a new biomarker of individual radiosensitivity among patients with a localized prostate cancer, Le cancer de la prostate est la tumeur cancéreuse la plus fréquente chez l'homme. Quand la prostate reste en place et subit un traitement par irradiation, le PSA diminue lentement et progressivement pour atteindre son nadir parfois 18 à 24 mois après la fin de l'irradiation sans hormonothérapie. Avec une hormonothérapie associée, le PSA chute brutalement sans qu'il soit possible de discerner l'impact respectif de l'hormonothérapie et de l'irradiation sur le PSA. La valeur de PSA idéale devant être atteinte après irradiation et le délai d'apparition idéal de ce nadir sont inconnus. Même quand une valeur satisfaisante du nadir du PSA a été atteinte, des fluctuations du PSA au cours du temps sont présents avec un effet « rebond » dans 20 à 40% des cas.La spectroscopie du proton par RMN permet d'évaluer les concentrations de Choline, métabolite dont la concentration est souvent augmentée en cas de processus tumoral, et les concentrations de Citrate. La synthèse et l'oxydation du Citrate sont des éléments déterminants du métabolisme normal, des capacités fonctionnelles, de croissance, de reproduction et de survie des cellules prostatiques. L'objectif de notre travail était d'évaluer la faisabilité de la spectroscopie 3D du proton par RMN sur l'ensemble de la glande prostatique à 3T sans antenne endorectale chez des patients présentant un cancer de prostate localisé traité par une irradiation, avec ou sans hormonothérapie. Dans un premier temps, nous avons établi une classification des spectres en 5 classes (bénin à malin), à partir d'un groupe témoin de patients traités par prostatectomie radicale. Cette classification nous a permis de mettre en évidence une forte corrélation entre la présence de spectres pathologiques, le volume tumoral métabolique établit à partir de la classification prédéfinie et les facteurs pronostiques validés du cancer de la prostate qui sont utilisés dans la pratique clinique. Parallèlement, un protocole prospectif de recherche clinique visant à Evaluer la Réponse après une Irradiation par Spectroscopie (ERIS) a été mis en place pour surveiller les patients irradiés, avec ou sans hormonothérapie, par la réalisation répétée d'une IRM multiparamétrique pendant 2 ans. Des résultats préliminaires nous ont permis d'observer une corrélation entre la valeur de Choline sécrétée par la prostate en totalité et la valeur du PSA obtenue un an après irradiation. Avec plus de recul, nous avons observé une forte corrélation entre la valeur du PSA à 1 an et les valeurs de Choline et de Citrate sécrétés par la prostate, 3 mois après la fin d'une irradiation, alors que l'ADC en IRM de diffusion et la valeur de la pente reflétant la prise de contraste mesurée sur une IRM de perfusion dynamique n'étaient pas corrélés au PSA.L'ensemble de ces résultats confirme que la concentration de Choline évaluée à 3 mois parait plus pertinente que la valeur du PSA pour prédire précocement la réponse thérapeutique. La diminution du métabolisme du Citrate pourrait être un nouveau biomarqueur de la radiosensibilité individuelle des patients présentant un cancer de prostate localisé traité par irradiation

Pain is a complex and multidimensional experience that can be modulated by many factors. In order to better understand the respective role and function of the brain regions involved in the processing and the modulation of pain perception, the first part of this thesis focuses on the evaluation with functional magnetic resonance imaging (fMRI) of changes in the brain response to pain through two modulations of pain perception. The first study examines the effect of a negative emotional context on pain perception in order to dissociate the brain areas responding to pain from that related to the emotional context. The second study focuses on the effect of the manipulation of perceived duration of a painful stimulation on the perception of pain. The use of this illusion allows us to change the perceived intensity of pain and to assess the brain areas involved in this type of modulation at given intensity of thermal stimulation. We succeeded to increase or decrease perceived pain intensity and we observed that emotion involves pregenual part of the anterior cingulate cortex, while the illusion of a shortened duration involves an occipito,parietal attentional network. The second part of this thesis focuses on characterizing the time course of the hemodynamic response recorded with fMRI in two important areas processing pain that are the insula and the cingulate cortex. Painful sensation is characterized by a shortened latency of hemodynamic response compared to a non,painful sensation in the anterior insula and the midcingulate cortex, while it is possible to differentiate painful and non,painful sensation by the amplitude of the hemodynamic response in the posterior insula., La douleur est une expérience complexe et multidimensionnelle, elle peut donc être modulée par de nombreux facteurs. Dans le but de mieux comprendre le rôle et le fonctionnement respectif des régions cérébrales impliquées dans le traitement et la modulation de la perception douloureuse, la première partie de cette thèse s’intéresse à l’évaluation en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (fMRI) des modifications de la réponse cérébrale à la douleur grâce à deux modulations de la perception douloureuse. La première étude s’intéresse à l’effet d’un contexte émotionnel négatif sur la perception douloureuse afin de dissocier des aires cérébrales répondant à la douleur, les réponses liées à la composante émotionnelle. La deuxième étude s’intéresse à l’effet d’une manipulation de l’appréciation de la durée d’une stimulation douloureuse sur la perception de la douleur. L’utilisation de cette illusion permet, pour une intensité de stimulation thermique donnée, de modifier la perception douloureuse et d’évaluer les zones cérébrales impliquées dans ce type de modulation. Nous avons réussi à augmenter ou diminuer la douleur perçue et pu observer que l’émotion met en jeu la partie prégénuale du cortex cingulaire antérieur, tandis que l’illusion d’une durée raccourcie met en jeu un réseau occipito,pariétal plus attentionnel. La seconde partie de cette thèse s’intéresse à la caractérisation du décours temporel de la réponse hémodynamique enregistrée en fMRI dans deux régions importantes pour le traitement de l’information douloureuse qui sont l’insula et le cortex cingulaire. La douleur est caractérisée par une latence de la réponse hémodynamique plus courte, par rapport à une stimulation non,douloureuse, dans l’insula antérieure et le cortex cingulaire moyen, tandis qu’il est possible de différencier une stimulation douloureuse d’une stimulation non,douloureuse grâce à l’amplitude de la réponse hémodynamique dans l’insula postérieure.

This work aims at assessing the role of operculo-insular cortex in somesthesia and pain in Humans, using intracerebral electrical stimulations and fMRI. Two distinct functional zones were highlighted; the insular cortex on one hand, in which 60% of stimulations induced somato-sensory responses (10% painful), with a clear antero-posterior gradient in terms of localization and pain stimulation threshold, and where receptive fields were large and pain evoked sensations showed a rough somatotopic organization. The inner part of the parietal operculum (second somatosensory area SII) on the other hand, where electrical stimulation induced almost exclusively somato-sensory sensations, of which 10% were painful, in more restricted cutaneous territories. SII and posterior insula are the only cortical regions where electrical stimulation can elicit painful sensation. Functional segregation in SII and insula was found using fMRI, showing that specific patterns of activation do exist, depending on the type of somato-sensory stimulations, including sub-regions specifically activated during pain stimulation. These characteristics confer to these regions a crucial and special role, which consists in triggering the building of pain 'experience' by the pain matrix.; Ce travail de thèse a pour objectif de préciser le rôle du cortex operculo-insulaire dans la somesthésie et la douleur chez l'Homme à l'aide d'études réalisées par stimulations électriques intracérébrales et en IRM fonctionnelle (IRMf). Deux secteurs fonctionnels distincts ont été mis en évidence; d'une part l'insula dont 60% des stimulations induisent des réponses somato-sensitives dont 10% sont douloureuses, où il existe une localisation préférentiellement postérieure des sites de stimulation donnant lieu à une réponse douloureuse et un décrément antéro-postérieur du seuil de déclenchement d'une réponse douloureuse, dont les champs récepteurs couvrent de larges surfaces cutanées, et où les réponses douloureuses ont une organisation somatotopique grossière ; d'autre part l'aire SII dont la stimulation induit quasi exclusivement des réponses somato-sensitives dont 10% sont douloureuses, sur des surfaces cutanées plus restreintes. SII et l'insula postérieure sont les deux seules régions corticales dont la stimulation est capable d'induire une sensation douloureuse. Une ségrégation fonctionnelle au sein de SII et de l'insula a été montrée en IRMf, par l'existence de patterns spécifiques d'activation pour chaque modalité sensitive, comprenant des sous- régions dont l'activation semble spécifique de la sensation douloureuse. Ceci confère à ces régions une originalité toute particulière au sein de la matrice douleur, puisqu'il semble qu'elles seules puissent activer le réseau fonctionnel des aires impliquées dans la sensation douloureuse et ainsi permettre 'l'expérience' de la douleur.

Episodic memory binds various elements in a specific spatial and temporal context. During retrieval, disparate neocortical elements can be re-associated into a coherent episode due to an allocentric spatial context maintained within the hippocampal formation (ie, coding for object-to-object relations, independently of the individual‟s position, Burgess, Becker, King, & O‟Keefe, 2001, Nadel & Moscovitch, 1998). Phenomenological experience is characteristic of episodic memory. In this thesis, it is described as an individual‟s attribution to a fluency in processing egocentric-updating spatial information (i.e., the position, orientation and movement of one‟s body) during retrieval. The function of egocentric-updating and of allocentric spatial processing in episodic memory was assessed experimentally. Results demonstrate the presence of a causal link between egocentric-updating and episodic memory performance. Moreover, experiments showed cerebral and behavioural specificities of egocentric-updating spatial processing supporting its involvement in episodic memory. Additionally, in line with this distinction between allocentric and egocentric-updating spatial processing, neuropsychological experiments revealed deficits in egocentric-updating with a preservation of allocentric spatial processing in both acquired and developemental bi-hippocampal amnesia. Finally, the assessment of cerebral consequences of encoding an episode while maximizing egocentric-updating processes revealed a higher involvement of temporo-parietal regions during the subsequent episodic retrieval. This thesis work was structured over an original theoretical model on episodic memory functioning allowing new experimental predictions. Combining behavioural, neuropsychological and neuroimaging approaches raised in turn new questions concerning links between episodic memory and self-consciousness.; La mémoire épisodique lie différents éléments dans un contexte spatial et temporel particulier. Il a été proposé que lors de la récupération d‟un épisode, la ré-instanciation d‟une cohérence entre les éléments néocorticaux soit opérée grâce à une représentation spatiale allocentrée stockée au niveau de la structure hippocampique (i.e., codage de la position des objets entre eux, indépendamment de la position de l‟individu, Burgess, Becker, King, & O'Keefe, 2001; Nadel & Moscovitch, 1998). Ce travail de thèse propose de traiter la mémoire épisodique et le sentiment de projection dans son passé (i.e., conscience autonoétique) comme une qualité attribuée à une dextérité relative dans le traitement spatial égocentré mis à jour (i.e., la position, orientation et le déplacement de son corps dans l‟environnement). Le rôle des traitements spatiaux allocentrés et égocentrés mis à jour dans la mémoire épisodique a été évalué expérimentalement. Les résultats suggèrent l‟existence d‟un lien causal entre le traitement de la mise à jour égocentré et les performances de mémoire épisodique. De plus, les études ont mis en évidence l‟existence de spécificités cérébrales et comportementales de la mise à jour égocentrée confirmant l‟adéquation de ce traitement au modèle théorique proposé. Par ailleurs, en référence à cette dissociation entre l‟information égocentrée mis à jour et allocentrée, des études neuropsychologiques ont révélé la présence de déficits de la mise à jour égocentrée, et d‟une préservation allocentrée dans l‟amnésie bihippocampique qu‟elle soit acquise ou développementale. Enfin, l‟évaluation des conséquences cérébrales lors de la récupération épisodique d‟un encodage maximisant le traitement égocentré mis à jour a permis de révéler une implication spécifique des structures temporo-pariétales. Ce travail de thèse a été organisé autour d‟un modèle théorique original du fonctionnement de la mémoire épisodique proposant de nouvelles prédictions expérimentales. Les approches comportementale, neuropsychologique et en imagerie fonctionnelle soulèvent à leur tour de nouvelles pistes de recherche sur le lien entre conscience de son corps et mémoire épisodique.

Episodic memory binds various elements in a specific spatial and temporal context. During retrieval, disparate neocortical elements can be re-associated into a coherent episode due to an allocentric spatial context maintained within the hippocampal formation (ie, coding for object-to-object relations, independently of the individual‟s position, Burgess, Becker, King, & O‟Keefe, 2001, Nadel & Moscovitch, 1998). Phenomenological experience is characteristic of episodic memory. In this thesis, it is described as an individual‟s attribution to a fluency in processing egocentric-updating spatial information (i.e., the position, orientation and movement of one‟s body) during retrieval. The function of egocentric-updating and of allocentric spatial processing in episodic memory was assessed experimentally. Results demonstrate the presence of a causal link between egocentric-updating and episodic memory performance. Moreover, experiments showed cerebral and behavioural specificities of egocentric-updating spatial processing supporting its involvement in episodic memory. Additionally, in line with this distinction between allocentric and egocentric-updating spatial processing, neuropsychological experiments revealed deficits in egocentric-updating with a preservation of allocentric spatial processing in both acquired and developemental bi-hippocampal amnesia. Finally, the assessment of cerebral consequences of encoding an episode while maximizing egocentric-updating processes revealed a higher involvement of temporo-parietal regions during the subsequent episodic retrieval. This thesis work was structured over an original theoretical model on episodic memory functioning allowing new experimental predictions. Combining behavioural, neuropsychological and neuroimaging approaches raised in turn new questions concerning links between episodic memory and self-consciousness.; La mémoire épisodique lie différents éléments dans un contexte spatial et temporel particulier. Il a été proposé que lors de la récupération d‟un épisode, la ré-instanciation d‟une cohérence entre les éléments néocorticaux soit opérée grâce à une représentation spatiale allocentrée stockée au niveau de la structure hippocampique (i.e., codage de la position des objets entre eux, indépendamment de la position de l‟individu, Burgess, Becker, King, & O'Keefe, 2001; Nadel & Moscovitch, 1998). Ce travail de thèse propose de traiter la mémoire épisodique et le sentiment de projection dans son passé (i.e., conscience autonoétique) comme une qualité attribuée à une dextérité relative dans le traitement spatial égocentré mis à jour (i.e., la position, orientation et le déplacement de son corps dans l‟environnement). Le rôle des traitements spatiaux allocentrés et égocentrés mis à jour dans la mémoire épisodique a été évalué expérimentalement. Les résultats suggèrent l‟existence d‟un lien causal entre le traitement de la mise à jour égocentré et les performances de mémoire épisodique. De plus, les études ont mis en évidence l‟existence de spécificités cérébrales et comportementales de la mise à jour égocentrée confirmant l‟adéquation de ce traitement au modèle théorique proposé. Par ailleurs, en référence à cette dissociation entre l‟information égocentrée mis à jour et allocentrée, des études neuropsychologiques ont révélé la présence de déficits de la mise à jour égocentrée, et d‟une préservation allocentrée dans l‟amnésie bihippocampique qu‟elle soit acquise ou développementale. Enfin, l‟évaluation des conséquences cérébrales lors de la récupération épisodique d‟un encodage maximisant le traitement égocentré mis à jour a permis de révéler une implication spécifique des structures temporo-pariétales. Ce travail de thèse a été organisé autour d‟un modèle théorique original du fonctionnement de la mémoire épisodique proposant de nouvelles prédictions expérimentales. Les approches comportementale, neuropsychologique et en imagerie fonctionnelle soulèvent à leur tour de nouvelles pistes de recherche sur le lien entre conscience de son corps et mémoire épisodique.

Over the last decade, functional MRI has emerged as a widely used tool for mapping functions of the brain. More recently, it has been used for identifying networks of cerebral connectivity that represent the interactions between different brain areas. In this context, a recent strategy is based on a preliminary parcellation of the brain into functional regions, and then identifying functional networks from a measurement of interactions between each area. The first part of this thesis describes a novel approach for parcellation that produces regions that are homogeneous at several levels. These regions are shown to be consistent with the anatomical landmarks of the processed subjects. In the second part, we propose a new family of statistics to identify significant networks of functional connectivity. This approach enables the detection of small, strongly-connected networks as well as larger networks that involve weaker interactions. Finally, within a classification framework, we developed a group-level study, producing networks that synthesize characteristics of functional networks across the population under study.; Durant les dernières décennies, l'IRM fonctionnelle a permis de cartographier les différentes fonctions cérébrales et, plus récemment, d'identifier les réseaux fonctionnels qui décrivent les interactions qui peuvent s'établir entre régions cérébrales, proches ou distantes, lors de l'exécution d'une tâche cognitive. Pour identifier ces réseaux, une stratégie récente repose sur une parcellisation préliminaire du cerveau en régions fonctionnellement homogènes, puis sur l'identification des réseaux fonctionnels significatifs depuis une mesure des interactions entre l'ensemble des régions. Ainsi, la première partie de cette thèse propose une nouvelle méthode de parcellisation du cerveau en régions fonctionnellement homogènes. La méthode proposée est exploratoire et multi-niveaux : elle fournit plusieurs niveaux de parcellisation, et nous avons montré que les régions définies par notre méthode se superposent de manière satisfaisante aux structures anatomiques du cortex. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons proposé une méthode originale d'identification des réseaux fonctionnels. L'approche développée permet la significativité des réseaux étant donné leur taille et le seuil utilisé pour leur détection. Une telle approche permet de détecter des réseaux de faible taille qui impliquent des liens très significatifs, et également des réseaux plus grands impliquant des liens moins significatifs. Enfin, nous avons développé une approche permettant de classer les réseaux obtenus, de manière à réaliser une étude de groupe. L'information disponible sur l'ensemble des sujets permet alors de définir des classes qui synthétisent les caractéristiques des réseaux les plus partagés au sein d'une population de sujets.

Over the last decade, functional MRI has emerged as a widely used tool for mapping functions of the brain. More recently, it has been used for identifying networks of cerebral connectivity that represent the interactions between different brain areas. In this context, a recent strategy is based on a preliminary parcellation of the brain into functional regions, and then identifying functional networks from a measurement of interactions between each area. The first part of this thesis describes a novel approach for parcellation that produces regions that are homogeneous at several levels. These regions are shown to be consistent with the anatomical landmarks of the processed subjects. In the second part, we propose a new family of statistics to identify significant networks of functional connectivity. This approach enables the detection of small, strongly-connected networks as well as larger networks that involve weaker interactions. Finally, within a classification framework, we developed a group-level study, producing networks that synthesize characteristics of functional networks across the population under study.; Durant les dernières décennies, l'IRM fonctionnelle a permis de cartographier les différentes fonctions cérébrales et, plus récemment, d'identifier les réseaux fonctionnels qui décrivent les interactions qui peuvent s'établir entre régions cérébrales, proches ou distantes, lors de l'exécution d'une tâche cognitive. Pour identifier ces réseaux, une stratégie récente repose sur une parcellisation préliminaire du cerveau en régions fonctionnellement homogènes, puis sur l'identification des réseaux fonctionnels significatifs depuis une mesure des interactions entre l'ensemble des régions. Ainsi, la première partie de cette thèse propose une nouvelle méthode de parcellisation du cerveau en régions fonctionnellement homogènes. La méthode proposée est exploratoire et multi-niveaux : elle fournit plusieurs niveaux de parcellisation, et nous avons montré que les régions définies par notre méthode se superposent de manière satisfaisante aux structures anatomiques du cortex. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons proposé une méthode originale d'identification des réseaux fonctionnels. L'approche développée permet la significativité des réseaux étant donné leur taille et le seuil utilisé pour leur détection. Une telle approche permet de détecter des réseaux de faible taille qui impliquent des liens très significatifs, et également des réseaux plus grands impliquant des liens moins significatifs. Enfin, nous avons développé une approche permettant de classer les réseaux obtenus, de manière à réaliser une étude de groupe. L'information disponible sur l'ensemble des sujets permet alors de définir des classes qui synthétisent les caractéristiques des réseaux les plus partagés au sein d'une population de sujets.

Mapping of epileptic networks is crucial during functional investigations in drug-resistant patients (30%). Recent advances in neuroimaging opened the possibility to record simultaneously fMRI and EEG. It appears as a technique perfectly suited to epilepsy evaluation because it allows identifying both functional and epileptic.The main goal of this PhD work was to develop EEG/fMRI procedures at the Grenoble Hospital for pre- and post-surgical brain mapping in epileptics. Potential clinical benefits are the improvement of surgical outcome by identifying epileptic networks, and the reduction of side-effects of surgery by preserving brain functions.Because EEG signals acquired in a magnetic environment are noisy, we first evaluated how the performance of different artefact removal algorithms depends on various experimental settings. Second, we assessed hemodynamic variability in EEG/fMRI recordings and proposed a robust method estimating the most suitable patient-specific hemodynamic response to improve the sensitivity of such exams.Our results show that (i) most of removal artefact methods are efficient but that over-filtering could deteriorate EEG; (ii) estimation of hemodynamic properties is critical for EEG/fMRI exams in epilepsy. This suggests that epilepsy is often accompanied by an alteration of brain hemodynamics.We have successfully implemented EEG/fMRI at the Grenoble Hospital. This technique appeared to be helpful for presurgical evaluations. However, because of heterogeneous neurovascular coupling, the interpretation of activation maps remains difficult. Therefore, characterizing epilepsy cannot be done solely using EEG/fMRI and needs complementary investigations.; La cartographie des réseaux épileptiques est cruciale lors des explorations fonctionnelles chez les patients pharmacorésistants (30%). Parmi les techniques récentes, l'acquisition simultanée en IRMf et EEG apparaît adaptée à l'exploration des épilepsies. L'IRMf/EEG est une méthode non invasive permettant de localiser les régions épileptiques et fonctionnelles.L'objectif de cette thèse était la mise en place, au CHU de Grenoble, de protocoles d'acquisition et de traitement de l'IRMf/EEG afin de localiser les réseaux épileptiques lors des évaluations pré- et post-chirurgicales. Les bénéfices sont de maximiser les chances de guérison en identifiant le réseau épileptique et de limiter les effets secondaires en préservant les aires fonctionnelles.L'acquisition de l'EEG en milieu magnétique produit des artefacts. Nous avons d'abord évalué la performance de plusieurs algorithmes de correction d'artefacts selon différentes configurations expérimentales. Nous avons ensuite évalué l'influence du couplage hémodynamique et proposé une méthode robuste estimant la réponse hémodynamique optimale pour chaque patient afin d'améliorer la sensibilité des examens.Nos résultats montrent que (i) la plupart des algorithmes sont efficaces mais qu'un filtrage trop strict peut détériorer l'EEG ; (ii) l'estimation de la réponse hémodynamique est cruciale en IRMf/EEG. Ceci suggère que l'épilepsie peut induire une modification des propriétés hémodynamiques.L'IRMf/EEG est une méthode prometteuse pour les investigations préchirurgicales. En raison de l'hétérogénéité du couplage neurovasculaire, l'interprétation des cartes d'activation reste délicate et nécessite l'emploi d'approches complémentaires.

International audience; After having provided a brief reminder of the principle of the blood oxygen level-dependent (BOLD) contrast effect, the physiological bases of brain activity and the concepts of functional integration and effective connectivity, we describe the most recent approaches, which permit to explore brain activity and putative networks of interconnected active areas in order to examine the normal brain physiology and its dysfunctions. We present various methods and studies of brain activity analysis clinically applicable, and we detail the concepts of functional and effective connectivity, which allow to study the cerebral plasticity which occurs at the child's during the maturation (e.g., dyslexia), at the adult during the ageing (e.g., Alzheimer disease), or still in schizophrenia or Parkinson disease. The study of specific circuits in networks has to allow defining in a more realistic way the dynamic of the central nervous system, which underlies various cerebral functions, both in physiological and pathological conditions. This connectivity approach should improve the diagnostic and facilitate the development of new therapeutic strategies.; Après un bref rappel sur les bases physiologiques et physiques du signal blood oxygen level-dependent (BOLD), nous décrivons les récentes approches d’exploration fonctionnelle de l’activité et de l’interactivité cérébrales mesurées en IRMf, permettant d’appréhender le fonctionnement cérébral normal et ses dysfonctionnements. Nous présentons différentes méthodes d’analyse de l’interactivité cérébrale applicables en clinique et nous détaillons les concepts de connectivité fonctionnelle et effective qui permettent d’étudier la plasticité cérébrale qui se produit chez l’enfant au cours de la maturation (ex. dyslexie), chez l’adulte au cours du vieillissement (ex. démence de type Alzheimer) ou encore dans le cas de la schizophrénie ou de la maladie de Parkinson. L’étude de circuits spécifiques en réseaux doit permettre de cerner de façon plus réaliste le fonctionnement dynamique du système nerveux central qui sous-tend de nombreuses fonctions, tant dans des conditions physiologiques normales que pathologiques, et donc d’améliorer le diagnostique et la prise en charge des pathologies neurologiques.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mapping of epileptic networks is crucial during functional investigations in drug-resistant patients (30%). Recent advances in neuroimaging opened the possibility to record simultaneously fMRI and EEG. It appears as a technique perfectly suited to epilepsy evaluation because it allows identifying both functional and epileptic.The main goal of this PhD work was to develop EEG/fMRI procedures at the Grenoble Hospital for pre- and post-surgical brain mapping in epileptics. Potential clinical benefits are the improvement of surgical outcome by identifying epileptic networks, and the reduction of side-effects of surgery by preserving brain functions.Because EEG signals acquired in a magnetic environment are noisy, we first evaluated how the performance of different artefact removal algorithms depends on various experimental settings. Second, we assessed hemodynamic variability in EEG/fMRI recordings and proposed a robust method estimating the most suitable patient-specific hemodynamic response to improve the sensitivity of such exams.Our results show that (i) most of removal artefact methods are efficient but that over-filtering could deteriorate EEG; (ii) estimation of hemodynamic properties is critical for EEG/fMRI exams in epilepsy. This suggests that epilepsy is often accompanied by an alteration of brain hemodynamics.We have successfully implemented EEG/fMRI at the Grenoble Hospital. This technique appeared to be helpful for presurgical evaluations. However, because of heterogeneous neurovascular coupling, the interpretation of activation maps remains difficult. Therefore, characterizing epilepsy cannot be done solely using EEG/fMRI and needs complementary investigations., La cartographie des réseaux épileptiques est cruciale lors des explorations fonctionnelles chez les patients pharmacorésistants (30%). Parmi les techniques récentes, l'acquisition simultanée en IRMf et EEG apparaît adaptée à l'exploration des épilepsies. L'IRMf/EEG est une méthode non invasive permettant de localiser les régions épileptiques et fonctionnelles.L'objectif de cette thèse était la mise en place, au CHU de Grenoble, de protocoles d'acquisition et de traitement de l'IRMf/EEG afin de localiser les réseaux épileptiques lors des évaluations pré- et post-chirurgicales. Les bénéfices sont de maximiser les chances de guérison en identifiant le réseau épileptique et de limiter les effets secondaires en préservant les aires fonctionnelles.L'acquisition de l'EEG en milieu magnétique produit des artefacts. Nous avons d'abord évalué la performance de plusieurs algorithmes de correction d'artefacts selon différentes configurations expérimentales. Nous avons ensuite évalué l'influence du couplage hémodynamique et proposé une méthode robuste estimant la réponse hémodynamique optimale pour chaque patient afin d'améliorer la sensibilité des examens.Nos résultats montrent que (i) la plupart des algorithmes sont efficaces mais qu'un filtrage trop strict peut détériorer l'EEG ; (ii) l'estimation de la réponse hémodynamique est cruciale en IRMf/EEG. Ceci suggère que l'épilepsie peut induire une modification des propriétés hémodynamiques.L'IRMf/EEG est une méthode prometteuse pour les investigations préchirurgicales. En raison de l'hétérogénéité du couplage neurovasculaire, l'interprétation des cartes d'activation reste délicate et nécessite l'emploi d'approches complémentaires.

One of the most challenging purposes to reach for the functional magnetic resonance imaging (fMRI) is the in vivo and non invasive localization of cerebral areas involved in some cognitive functions. Due to the high degree of anatomo-functional variability observed for human brains, fMRI studies generally involve several subjects, which results are summarized into a group activation map representing the population of interest through a group analysis procedure. The « standard » procedure for group analysis inference relies on the strong assumption that the estimated effects are normally distributed across subjects. Our first concern is to study the validity of this assumption using both a multivariate diagnosis approach and a univariate normality test (the Grubbs test). These methods are tested on twenty datasets revealing that the homogeneity assumption may be violated by the frequent presence of atypical data. To enhance both sensibility and sensitivity of statistical tests used for group analysis, we then propose to use robust decision statistics calibrated through permutation testing methods. We also introduce new mixed effects statistics based on maximum likelihoods ratio, which allow to re-weight the subjects according to the reliability of their respective effect estimates. The results obtained on several datasets confirm a significant enhancement of sensibility in group activations maps. We therefore propose all our group analysis methods to the neuro-imaging community through our DISTANCE software.; L'un des objectifs principaux de l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est la localisation in vivo et de manière non invasive des zones cérébrales associées à certaines fonctions cognitives. Le cerveau présentant une très grande variabilité anatomo-fonctionnelle inter-individuelle, les études d'IRMf incluent généralement plusieurs sujets et une analyse de groupe permet de résumer les résultats intra-sujets en une carte d'activation du groupe représentative de la population d'intérêt. L'analyse de groupe « standard » repose sur une hypothèse forte d'homogénéité des effets estimés à travers les sujets. Dans un premier temps, nous étudions la validité de cette hypothèse par une méthode multivariée diagnostique et un test de normalité univarié (le test de Grubbs). L'application de ces méthodes sur une vingtaine de jeux de données révèle la présence fréquente de données atypiques qui peuvent invalider l'hypothèse d'homogénéité. Nous proposons alors d'utiliser des statistiques de décision robustes calibrées par permutations afin d'améliorer la spécificité et la sensibilité des tests statistiques pour l'analyse de groupe. Puis nous introduisons de nouvelles statistiques de décision à effets mixtes fondées sur le rapport de vraisemblances maximales, permettant de pondérer les sujets en fonction de l'incertitude sur l'estimation de leurs effets. Nous confirmons sur des jeux de données que ces nouvelles méthodes d'inférence permettent un gain en sensibilité significatif, et nous fournissons l'ensemble des outils développés lors de cette thèse à la communauté de neuro-imagerie dans le logiciel DISTANCE.

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a recent modality allowing to measure in vivo the neuronal activity of healthy subjects or patients and thus to investigate the link between cerebral structure and functioll. We are interested in introducing cerebral anatomy to analyse functional data. We thus reconsidered the classical analysis usually performed voxel-by-voxel following a spatial smoothing to propose a representation of data relying on an anatomo-functional parcellation of the cortex. This representation allows to reduce the dimensionality of the data into a small number of elements, more relevant from a neuroscience point of view. We present several examples of application of this parcellation approach, at first based on anatomy only. An activity detection study based on a linear model highlights an increased sensitivity compared to the voxel-by-voxel approach. We also present two other applications using parcellations, dealing with the selection of regional models and functional connectivity studies. This description also allows to propose a solution to the problem of group analyses, where subjects may exhibit an important anatomo-functional variability. To bypass the difficult problem of registration between different subjects, we propose a parcellation approach grouping the homogeneous areas from an anatomical and functional point of view, between subjects. The application of this method on a functional proto col reveals that it actually can take into account the anatomo-functional variability and thus offers sorne robustness to multi-subject analyses.; L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une modalité récente permettant de mesurer in vivo l'activité neuronale chez le sujet sain ou le patient et d'étudier le lien entre la structure et la fonction cérébrale. Nous nous sommes intéressés à l'utilisation de l'information de l'anatomie cérébrale pour l'analyse des données fonctionnelles. Ainsi, nous avons reconsidéré l'analyse classique typiquement réalisée voxel par voxel avec lissage spatial pour proposer un modèle de représentation des données reposant sur une parcellisation anatomo-fonctionnelle du cortex. Cette représentation permet de réduire la dimension des données en un nombre restreint d'éléments pertinents du point de vue des neurosciences. Nous présentons des exemples d'utilisation de cette approche de parcellisation fondée sur l'anatomie seulement dans un premier temps. Une étude de détection d'activations par modèle linéaire met en évidence une sensibilité accrue comparée à une approche voxel par voxel. Nous présentons également deux autres applications utilisant des parcellisations, concernant la sélection de modèle régional et les études de connectivité fonctionnelle. Cette description permet en outre de proposer une solution au problème de l'analyse d'un groupe de sujets qui peuvent présenter une forte variabilité anatomique et fonctionnelle. Pour s'affranchir du délicat problème de mise en correspondance des différents sujets, nous avons présenté une parcellisation regroupant entre les sujets les régions homogènes du point de vue à la fois anatomique et fonctionnel. L'application de cette méthode sur un protocole fonctionnel montre sa robustesse pour les analyses multi-sujets.