Neural changes associated with semantic processing in healthy aging despite intact behavioral performance

Semantic memory recruits an extensive neural network including the left inferior prefrontal cortex (IPC) and the left temporoparietal region, which are involved in semantic control processes, as well as the anterior temporal lobe region (ATL) which is considered to be involved in processing semantic information at a central level. However, little is known about the underlying neuronal integrity of the semantic network in normal aging. Young and older healthy adults carried out a semantic judgment task while their cortical activity was recorded using magnetoencephalography (MEG). Despite equivalent behavioral performance, young adults activated the left IPC to a greater extent than older adults, while the latter group recruited the temporoparietal region bilaterally and the left ATL to a greater extent than younger adults. Results indicate that significant neuronal changes occur in normal aging, mainly in regions underlying semantic control processes, despite an apparent stability in performance at the behavioral level

“Looks familiar, but I do not know who she is”:The role of the anterior right temporal lobe in famous face recognition

Processing a famous face involves a cascade of steps including detecting the presence of a face, recognizing it as familiar, accessing semantic/biographical information about the person, and finally, if required, production of the proper name. Decades of neuropsychological and neuroimaging studies have identified a network of occipital and temporal brain regions ostensibly comprising the 'core' system for face processing. Recent research has also begun to elucidate upon an 'extended' network, including anterior temporal and frontal regions. However, there is disagreement about which brain areas are involved in each step, as many aspects of face processing occur automatically in healthy individuals and rarely dissociate in patients. Moreover, some common phenomena are not easily induced in an experimental setting, such as having a sense of familiarity without being able to recall who the person is. Patients with the semantic variant of Primary Progressive Aphasia (svPPA) often recognize a famous face as familiar, even when they cannot specifically recall the proper name or biographical details. In this study, we analyzed data from a large sample of 105 patients with neurodegenerative disorders, including 43 svPPA, to identify the neuroanatomical substrates of three different steps of famous face processing. Using voxel-based morphometry, we correlated whole-brain grey matter volumes with scores on three experimental tasks that targeted familiarity judgment, semantic/biographical information retrieval, and naming. Performance in naming and semantic association significantly correlates with grey matter volume in the left anterior temporal lobe, whereas familiarity judgment with integrity of the right anterior middle temporal gyrus. These findings shed light on the neuroanatomical substrates of key components of overt face processing, addressing issues of functional lateralization, and deepening our understanding of neural substrates of semantic knowledge

La sémantique, la lecture de mots irréguliers et les lobes temporaux antérieurs

Dans cette recension des écrits nous présentons les résultats d’études comportementales et de neuroimagerie mettant en rapport la sémantique et la lecture de mots irréguliers, ainsi que la sémantique et les lobes temporaux antérieurs (LTA). Plus particulièrement, nous nous concentrons sur l’atteinte de la lecture à voix haute de mots irréguliers, soit la dyslexie de surface, chez la variante sémantique de l’Aphasie Primaire Progressive (vsAPP). Cette maladie neurodégénérative débute par l’atrophie des lobes temporaux antérieurs et touche d’abord la mémoire sémantique. À partir des études comportementales, il est possible de conclure que la dyslexie de surface est très souvent observée chez des patients atteints de vsAPP. Ceci semble mettre en avant le rapport entre la dyslexie de surface et la dégradation de la mémoire sémantique chez ce type de patients. De plus, la nature neurodégénérative de la vsAPP a permis d’établir le rapport entre l’atteinte sémantique et les LTA. Les études de neuroimagerie menées auprès des participants sains ont aussi mis en évidence le rôle des LTA lors du traitement sémantique et lors de la lecture de mots irréguliers. Le rôle des LTA en lecture de mots irréguliers semblerait être celui de la sémantique, plutôt que celui de la lecture ellemême. En somme, les modèles théoriques et computationnels qui postulent l’activation sémantique pour la lecture de mots irréguliers permettraient d’expliquer le profil de lecture et l’atteinte sémantique trouvés en vsAPP, ainsi que le réseau de lecture de mots irréguliers qui inclut le LTA gauche.This review presents the results of behavioural and neuroimaging studies that address the relationship between semantics, irregular word reading and the anterior temporal lobes (ATLs). In particular we focused on acquired surface dyslexia, i.e., irregular word reading impairment , in patients suffering from the semantic variant of primary progressive aphasia (svPPA). svPPA is a neurodegenerative disease that occurs following the atrophy of the ATLs. This disease is early characterized by semantic memory impairments. Taken together, behavioural studies show that svPPA patients often suffer from acquired surface dyslexia. This pattern highlights the relationship between acquired surface dyslexia and semantic knowledge degradation in svPPA. Moreover, the neurodegenerative nature of svPPA has pointed out to the relationship between semantic impairment and the ATLs. Neuroimaging studies in healthy participants have also provided evidence of the role of the ATLs in semantic processing and irregular word reading. The ATLs seem to be related to semantic processing in irregular word reading, more than to irregular word reading itself. In sum, the results of the studies reviewed here provide evidence for theoretical and computational models that predict semantic activation during irregular word reading. This semantic contribution can explain the profile of surface dyslexia in svPPA, as well as the brain network that sustains the processing of this type of words and that includes the left ATL

Diagnostic and prognostic role of semantic processing in preclinical Alzheimer's disease

Relatively spared during most of the timeline of normal aging, semantic memory shows a subtle yet measurable decline even during the pre-clinical stage of Alzheimer's disease. This decline is thought to reflect early neurofibrillary changes and impairment is detectable using tests of language relying on lexical-semantic abilities. A promising approach is the characterization of semantic parameters such as typicality and age of acquisition of words, and propositional density from verbal output. Seminal research like the Nun Study or the analysis of the linguistic decline of famous writers and politicians later diagnosed with Alzheimer's disease supports the early diagnostic value of semantic processing and semantic memory. Moreover, measures of these skills may play an important role for the prognosis of patients with mild cognitive impairment

Contributions of Signal-detection Mechanisms and Semantic Memory Representations to Famous Name Recognition

In past research, investigators have often used the recognition memory paradigm to study the cognitive and neural processes that permit the ability to accurately assess whether or not stimuli are familiar. This paradigm involves presenting stimuli to participants in a study phase, and examining their later recognition of them when these stimuli are subsequently presented again in a later test phase. It is not well understood, however, whether the same mechanisms that support familiarity assessment in recognition memory also support familiarity based on general life experience (e.g., recognizing a famous celebrity in daily life). To address this, I implemented modified recognition memory paradigms for the purpose of better understanding the processes that support famous name recognition. In Chapter 2, I developed a signal-detection model that describes how people discriminate between famous and fictional names. I found that similarly to recognition memory, famous name recognition relies on graded evidence that can be modeled successfully with Gaussian distributions. In Chapter 3, I studied the contributions of semantic knowledge to famous name familiarity, with a focus on recognition experiences in which ‘names ring a bell’. I revealed that despite the fact that participants understand this recognition experience to reflect situations where names are familiar but do not provoke retrieval of any related semantic details, they still achieve above-chance performance on an occupation forced-choice task for the same names. Based on these results, I investigated in Chapter 4 whether ‘name rings a bell’ experiences engage the same brain regions as those that also support the ability to successfully retrieve semantic knowledge about famous names. Using functional magnetic resonance imaging, I examined whether the brain regions that support ‘name rings a bell’ experiences overlap with those that support successful identification and correct occupation forced-choice decisions. Two brain areas that I found to be engaged during ‘name rings a bell’ responses were also engaged while participant’s successfully retrieved semantic knowledge for names, which included the left posterior middle temporal gyrus and an inferior aspect of the left ventrolateral prefrontal cortex. Overall, my thesis advances our knowledge of how feelings of familiarity for famous names relate to underlying semantic representations about them

Substrats neuronaux du traitement visuel et sémantique des mots dans le vieillissement normal : apports de la MEG

Bien que l’on ait longtemps considéré que les substrats cérébraux de la mémoire sémantique (MS) demeuraient intacts au cours du vieillissement normal (VN), en raison d’une préservation de la performance des personnes âgées à des épreuves sémantiques, plusieurs études récentes suggèrent que des modifications cérébrales sous-tendant le traitement sémantique opèrent au cours du vieillissement. Celles-ci toucheraient principalement les régions responsables des aspects exécutifs du traitement sémantique, impliqués dans les processus de recherche, de sélection et de manipulation stratégique de l’information sémantique. Cependant, les mécanismes spécifiques régissant la réorganisation cérébrale du traitement sémantique au cours du VN demeurent méconnus, notamment en raison de divergences méthodologiques entre les études. De plus, des données de la littérature suggèrent que des modifications cérébrales associées au vieillissement pourraient également avoir lieu en relation avec les aspects perceptifs visuels du traitement des mots. Puisque le processus de lecture des mots représente un processus interactif et dynamique entre les fonctions perceptuelles de bas niveau et les fonctions de plus haut niveau tel que la MS, il pourrait exister des modifications liées à l’âge au plan des interactions cérébrales entre les aspects perceptifs et sémantiques du traitement des mots. Dans son ensemble, l’objectif de la présente thèse était de caractériser les modifications cérébrales ainsi que le décours temporel du signal cérébral qui sont associés au traitement sémantique ainsi qu’au traitement perceptif des mots en lien avec le VN, ainsi que les relations et les modulations entre les processus sémantiques et perceptifs au cours du VN, en utilisant la magnétoencéphalographie (MEG) comme technique d’investigation. Dans un premier temps (chapitre 2), les patrons d’activation cérébrale d’un groupe de participants jeunes et d’un groupe de participants âgés sains ont été comparés alors qu’ils effectuaient une tâche de jugement sémantique sur des mots en MEG, en se concentrant sur le signal autour de la N400, une composante associée au traitement sémantique. Les résultats démontrent que des modifications cérébrales liées à l’âge touchent principalement les structures impliquées dans les aspects exécutifs du traitement sémantique. Une activation plus importante du cortex préfrontal inférieur (IPC) a été observée chez les participants jeunes que chez les participants âgés, alors que ces derniers activaient davantage les régions temporo-pariétales que les jeunes adultes. Par ailleurs, le lobe temporal antérieur (ATL) gauche, considéré comme une région centrale et amodale du traitement sémantique, était également davantage activé par les participants âgés que par les jeunes adultes. Dans un deuxième temps (chapitre 3), les patrons d’activation cérébrale d’un groupe de participants jeunes et d’un groupe de participants âgés sains ont été comparés en se concentrant sur le signal associé au traitement perceptif visuel, soit dans les 200 premières millisecondes du traitement des mots. Les résultats montrent que des modifications cérébrales liées à l’âge touchent le gyrus fusiforme mais aussi le réseau sémantique, avec une plus grande activation pour le groupe de participants âgés, malgré une absence de différence d’activation dans le cortex visuel extrastrié entre les deux groupes. Les implications théoriques des résultats de ces deux études sont ensuite discutées, et les limites et perspectives futures sont finalement adressées (chapitre 4).While it has long been assumed that the organization of the brain network underlying semantic processing remains intact in normal aging, mainly due to older adults’ intact behavioral performance on semantic tasks, several recent studies suggest that brain changes underlying semantic processing operate during aging. These changes appear to affect mainly the brain regions responsible for the executive aspects of semantic memory (SM), involved in semantic search and selection processes, as well as the strategic manipulation of semantic knowledge. However, the specific mechanisms underlying cerebral reorganization of semantic processing in normal aging are not well understood, partly because of methodological differences among studies. Recent literature also suggests that brain changes may be observed in relation to visual perceptual aspects of word processing in older adults. Since reading words is a dynamic interactive process between low-level perceptual functions and higher-order processes such as semantic processing, there may be age-related changes in terms of brain interactions between perceptual and semantic aspects of word processing. The general aim of this thesis was to characterize the cortical changes and the time course of brain signal associated with semantic and perceptual processing of words, as well as the modulations between semantic and perceptual processes in normal aging, using magnetoencephalography (MEG) as the investigative method. Firstly (Chapter 2), the patterns of brain activation of two groups of healthy younger and older adults were compared relative to a semantic task participants carried out during MEG acquisition, by focusing on the signal around the N400, a component associated with semantic processing. The results indicate that brain changes associated with normal aging mainly affect structures involved in the executive aspects of semantic processing. Greater activation was observed in prefrontal cortex for younger relative to older adults, while the latter group of participants activated the temporoparietal region to a greater extent than young adults. Moreover, the left anterior temporal lobe (ATL), considered to be a central and amodal region of semantic processing, was also more activated by older than younger participants. Secondly (Chapter 3), specific patterns of brain activation of younger and healthy older adults were compared in relation to visual perceptual processing, by focusing on the 200 first milliseconds of cortical signal during word processing. The results show that the age-related brain changes affect the fusiform gyrus, as well as the semantic network, with greater activation found in these regions in the group of older participants relative to younger participants, while no difference in activation of the visual extrastriate cortex was found between groups. The theoretical implications of the results of these two studies are discussed. Finally, limitations of this thesis and future perspectives are addressed (Chapter 4)

Symptômes dépressifs et fonctionnement cognitif chez des individus à risque de développer la maladie d’Alzheimer

Compte tenu du nombre grandissant de cas de maladie d'Alzheimer (MA), il est impératif d'accroître notre compréhension de sa phase prodromique. Cette thèse vise à contribuer aux travaux dans ce domaine en caractérisant le fonctionnement cognitif d’individus à risque de développer la MA : ceux avec un trouble cognitif léger amnésique (TCLa), une dépression gériatrique (DEP) et un TCLa avec symptômes dépressifs concomitants (TCLa/D+). Leurs performances sont comparées à celles de participants contrôles (CONT) dans trois expériences. La première explore l’influence de la valence émotionnelle des stimuli sur les performances mnésiques pour des mots positifs, négatifs et neutres. Comparativement aux mots neutres, les CONT et TCLa/D+ rappellent davantage de mots émotionnels (positifs et négatifs), les TCLa rappellent davantage de mots positifs et les DEP rappellent davantage de mots négatifs. Dans la deuxième expérience, l’influence de la valence et de l’intensité émotionnelles des stimuli sur les performances mnésiques est testée à l’aide d’images. Les résultats révèlent une association entre les images émotionnelles et les performances des TCLa et CONT, et entre les images négatives et les performances des TCLa/D+. La valence n'est pas associée au rappel chez les DEP. Par ailleurs, l’intensité émotionnelle des stimuli est positivement associée au rappel d’images positives chez les CONT, et au rappel d’images négatives chez les TCLa/D+ et DEP. L’intensité est négativement associée au rappel d’images positives chez les TCLa. Dans une troisième étude comparant ces groupes sur leurs connaissances sémantiques d’objets biologiques et manufacturés, seuls les TCLa/D+ présentent des déficits, surtout en ce qui concerne les objets biologiques. En revanche, les TCLa et DEP obtiennent des résultats normaux. Globalement, cette thèse démontre que les individus avec TCLa, TCLa/D+ et DEP présentent des caractéristiques distinctes au plan de la mémoire épisodique et de la mémoire sémantique. Les conclusions ont d’importantes retombées théoriques et cliniques. Notamment, elles éclaircissent les caractéristiques sémiologiques de chaque groupe et appuient la notion qu’ils correspondent à des syndromes distinguables sur le plan du fonctionnement cognitif. De plus, les résultats contribuent à clarifier la nosologie du TCLa/D+, ce qui ouvre la voie aux recherches futures sur les traitements adaptés à cette condition.As the prevalence of Alzheimer’s disease (AD) rises in Canada and worldwide, it is imperative to increase our understanding of its prodromal stages. This dissertation contributes to the body of research in this field by exploring the cognitive characteristics of three at-risk groups: those with amnestic mild cognitive impairment (aMCI), late-life depression (LLD) and aMCI with concomitant depressive symptoms (aMCI/D+). The cognitive performance of these groups is compared to that of healthy elderly control subjects (CONT) on three experimental tasks. The first explores the influence of emotional valence on memory for positive, negative and neutral word lists. Results reveal that, compared to neutral words, CONT and aMCI/D+ subjects recall more emotional (positive and negative) words, aMCI subjects recall more positive words, and LLD subjects recall more negative words. The second experiment investigates the effect of valence and intensity on memory for emotional images. Results show that valence is associated with recall of positive and negative images in the aMCI and CONT groups, and with recall of negative images in the aMCI/D+ group. Valence is not associated with recall in the LLD group. In addition, the stimuli’s emotional intensity is positively associated with recall of positive images in CONT subjects, but negatively associated with recall of positive images in aMCI subjects. Intensity is positively associated with recall of negative images in aMCI/D+ and LLD subjects. A third experiment compares these same groups on their semantic knowledge of biological and man-made objects. Only aMCI/D+ are impaired on this task, and their perofmrance is particularly impaired for biological items. Performance of aMCI and LLD groups, on the other hand, is normal. This dissertation provides compelling evidence that aMCI, aMCI/D+ and LLD individuals present distinct cognitive characteristics, namely on tests of episodic and semantic memory. The results have important theoretical and clinical implications, in that they contribute to clarifying the semiological features of each group, and corroborate the notion that each of these syndromes is cognitively distinct. In addition, these results contribute to clarifying the nosology of aMCI/D+, which paves the way for future research exploring treatment opportunities for this condition

La dynamique du traitement des visages : du percept à la familiarité

Reconnaître rapidement les visages familiers est une fonction fondamentale qui joue un rôle important dans nos interactions sociales. D'un point de vue évolutionniste, il semble en effet crucial de pouvoir rapidement déterminer si la personne qui nous fait face est amie ou ennemie pour adapter son comportement en conséquence. C'est sans doute pour cela que, dans l'opinion publique, mais également dans la littérature scientifique, la reconnaissance des visages est supposée être un processus très rapide, efficace et exécuté sans effort. Cependant, la reconnaissance des visages familiers est-elle réellement si rapide ? Ne serait-ce pas simplement une idée reçue ? Rapide, admettons, mais à quelle vitesse ? En adaptant des protocoles de catégorisation visuelle rapide (tâche de go/no-go) développés initialement pour étudier la rapidité du système visuel et en mettant en place de nouveaux protocoles de catégorisation ultra-rapide (" Speed and Accuracy Boosting procedure " ; SAB), nous avons pu déterminer les latences comportementales et électrophysiologiques les plus précoces pour reconnaître explicitement un visage célèbre. Nous nous sommes intéressés d'une part à la reconnaissance de type " bottom-up " (reconnaître plusieurs visages célèbres sans savoir au préalable de qui il s'agit) et d'autre part à la reconnaissance " top-down " (reconnaître une personne en particulier parmi des inconnus). Le temps de réaction minimum pour reconnaître des visages célèbres parmi des inconnus (reconnaissance " bottom-up ") est d'environ 360-390 ms, ce temps de réponse ne pouvant être amélioré ni par un apprentissage intensif des stimuli (Article 1), ni par un protocole de catégorisation ultra-rapide (Article 2). Ce temps de réaction est environ 100 ms plus tardif que lors d'une tâche de détection de visage (Article 1) ou de genre (Article 1). Ces latences sont très différentes lorsque la procédure SAB est appliquée à une reconnaissance de type " top-down ", descendant à environ 300 ms contre 270 ms dans une tâche de détection de visages (Article 3). De plus, en appliquant une méthode de MVPA (Multi-Variate Pattern Analysis) à des données d'EEG de surface, nous avons montré que l'activité neuronale liée à la reconnaissance des visages célèbres était disponible dès 230 ms après la présentation du stimulus (voire 200 ms pour le sujet les plus rapides) alors que l'activité neuronale liée à a détection d'un visage humain parmi des visages d'animaux était disponible dés 80 ms (Articles 4 et 5). L'activité neuronale était de plus fortement corrélée aux temps de réponses minimales en reconnaissance, confirmant ainsi son rôle dans la prise de décision. Nous discutons ces latences au regard des modèles de la voie visuelle ventrale et des modèles de la reconnaissance des visages. Nous distinguons trois modèles différents pouvant théoriquement être à l'origine de la familiarité et en favorisons un en particulier.Recognizing familiar faces rapidly seems crucial in everyday life. The actual speed at which a familiar face can be recognized remains however unknown. The current thesis aimed at tracking down the minimal behavioral and neural processing time necessary to recognize known faces. To address this issue, we used different go/no-go paradigms and a new task relying on highly time-constraining task (the Speed and Accuracy Boosting procedure, "SAB"). Relying on minimum reaction times analyses, we report that 360-390 ms are needed to recognize famous faces among unknown ones when bottom-up recognition task is required (subjects did not know the identity of the celebrities that they had to recognize before the test; this situation can be compare to the ecological situation of unexpectedly bumping into someone in the street) (Article 1). This latency could not be decreased even after extensive training (Article 1), or using the SAB (Article 2). Overall, this is 100 ms more than when subjects have to detect human faces in natural scene or process gender (Article 1). Bottom-up recognition is much slower than top-down recognition (recognizing somebody whom you know you are going to meet, corresponding to the ecological situation of looking for someone in particular in a crowd), which takes about 300 ms (Article 3). Additionally, MVPA (Multivariate pattern analysis) was applied on EEG data recorded from the scalp surface to determine at which latency familiarity could be read-out. We report that famous faces could be robustly distinguished from unknown faces as soon as 230 ms after stimulus onset. This familiarity-selective signal was directly linked to the subject's recognition speed (Article 5). Such latency was agin much longer than the latencies observed in face categorisation task, in which case category could be read out starting around 80 ms post-stimulus (Article 4). These latencies are with respect to the different models of visual ventral stream and models of face recognition. Three main models are identified and one is favored in particular