Le rôle des réponses cardiovasculaires et respiratoires sur la cognition chez les jeunes et les ainés sains

En plus de contribuer à améliorer la santé de façon générale, l’activité physique chronique pourrait modérer le déclin cognitif associé au vieillissement normal et pathologique (Colcombe et Kramer, 2003; Heyn et al., 2004). Plus précisément, la pratique à long terme d’activités cardiovasculaires aurait des effets positifs sur la cognition des ainés et plus particulièrement sur le contrôle attentionnel, un aspect précocement touché au cours du vieillissement (Raz, 2000; Bherer et al., 2008). Toutefois, les mécanismes par lesquels l’exercice physique aigu améliore la cognition demeurent limités. Malgré ses nombreuses implications théoriques et pratiques, la réponse aiguë de l’oxygénation cérébrale à l’exercice physique et sa relation avec la cognition sont trop peu étudiées. Cette thèse se consacre à cette question. Des études récentes en neuro-imagerie chez les jeunes adultes démontrent que la relation entre l’oxygénation cérébrale et l’intensité de l’exercice suit la forme d’un U inversé. Il existe un seuil au-delà duquel l’oxygénation cérébrale diminue avec l’augmentation de l’intensité de l’exercice. Supposant que les performances cognitives dépendent de la disponibilité de l’oxygène cérébral, cette relation en U inversé devrait affecter les performances cognitives. Avant de préciser le rôle exact de l’oxygénation cérébrale sur les fonctions cognitives, nous avons d’abord examiné le temps nécessaire pour que l’oxygénation cérébrale atteigne un état stable et la durée pendant laquelle cette période stable peut être maintenue lors de paliers de sept minutes à une puissance sous-maximale (40%, 60% et 85% de la puissance aérobie maximale). Nos résultats soulignent l’existence d’une relation inverse entre la durée de l’état stable et l’intensité de l’exercice. Suite à cette vérification méthodologique, la prochaine étape a été de tester la possible relation entre l’oxygénation cérébrale, l’intensité de l’exercice et les performances cognitives, au cours du processus de vieillissement. Les résultats de ces études démontrent que la chute de l’oxygénation cérébrale observée lors des exercices de haute intensité est associée avec une diminution des performances cognitives. Les résultats de cette thèse corrigent l’écart existant dans la documentation entre l’exercice, les fonctions cognitives et les mécanismes neurophysiologiques.It is well established that increasing cardiovascular fitness through an appropriate physical exercise program is an effective way to limit ageing-induced cognitive decline. Precise mechanisms of this positive interaction are not clearly understood, but cerebral oxygenation is thought to play a major role. Notwithstanding its numerous theoretical and practical implications, acute response of cerebral oxygenation to physical exercise and its relationship with cognitive function is underemphasized and under-researched. This thesis is dedicated to this question. Recent NIRS studies in young adults have shown that the relationship between cerebral oxygenation and exercise intensity was an inverted U-shape. There exists a threshold beyond which cerebral oxygenation decreases proportionally to exercise intensity. Assuming that cognitive function is mainly determined by cerebral oxygen availability, this typical response should affect cognitive performance. Moreover, the oxygenation threshold should occur at higher exercise intensity in older adults possessing a high fitness level. Prior to clarifying the exact role of cerebral oxygenation in cognitive and physical performance, we first examined how cerebral oxygenation pattern changes during stable continuous exercise. Our findings underscore the existence of a decrease of cerebral oxygenation during steady state exercise in normal conditions and confirm the existence of an inverse relationship between the duration of the steady state cerebral oxygenation and exercise intensity. After checking these methodological points, it was interesting to test the possible relationship between cognitive function and cerebral oxygenation during exercise in healthy young and old adults. The results show that the decrease in cerebral oxygenation observed during high intensity exercise is linked to a decrease in cognitive performance. Clarifying the effect of exercise intensity on cerebral oxygenation and its relationship to executive performance in this exercise intensity domain might help further understand the basic mechanisms of the effect of aerobic exercise on cognition. This thesis does address the gap in the literature and does investigate the relationship between executive performance and cerebral oxygenation during the whole intensity spectrum. This thesis is also the first to report correlations between cerebral oxygenation and cognition during exercise

Traitement neurocognitif des émotions au cours du vieillissement : étude de l'"effet de positivité" et ses conséquences

With aging, the preference for positive stimuli increases compared to negative stimuli. This is called “positivity effect” and it may be observed in both behavior and brain activity. The main goal of this work was to characterized age effects on emotional processing to improve our understood of this positivity effect. The second goal was to evaluate in which conditions these effects could make older people more vulnerable when they are confronted to threatening situations. A first EEG study revealed that the attentional engagement decreased with age for negative stimuli, regardless of their activation level, in an affective categorization task. Conversely, the processing of positive stimuli was preserved with age and, consequently, a reduction of the negativity bias was observed. In a second EEG study, using a similar paradigm to study 1 with the exception of the task which was an “action tendency task”, we observed a preservation of the negativity bias. A third study revealed that the voluntary attention on interest situations for aged adults (positive) and on appraisal process modulated with age was requisite to observe positivity effects. Parallel to this work, a new method was proposed to recognize and classify emotional states based on EEG signals. We obtained encouraging results which suggest the possibility to use this method to elaborate brain-computer interfaces to protect old people against a potential vulnerability due to positivity effect. Taken together, these results demonstrate that positivity effect is due to motivational shifts with age. Older people would be motivated to increase their well-being and would regulate their emotions by reducing the impact of negative stimuli, provided no other more important motivations are absent.Dans le vieillissement « sain », la préférence pour les stimuli positifs augmente par rapport aux stimuli négatifs. Ce phénomène est appelé « effet de positivité » et peut être observé au niveau comportemental et cérébral. L'objectif principal de cette thèse a été de caractériser les effets de l'âge sur les traitements émotionnels afin d'améliorer notre compréhension des effets de positivité. L'objectif sous-jacent a été d'évaluer dans quelles conditions ces effets peuvent conduire à une plus grande vulnérabilité des personnes âgées face à des situations menaçantes. Une première étude en électroencéphalographie a révélé que l'engagement attentionnel pour des scènes naturelles négatives diminue avec l'âge quel que soit leur niveau d'activation dans une tâche de catégorisation affective. A l'inverse, ce dernier reste inchangé pour les situations positives, conduisant à une réduction des biais de négativité. Une deuxième étude en électroencéphalographie, dont le paradigme était similaire à la première étude, a mis en évidence que les biais de négativité restent préservés avec l'âge lorsque l'évaluation des scènes s'effectue sur la dimension de « tendance à l'action ». Une troisième étude révèle que l'attention volontaire sur les situations d'intérêt des personnes âgées (positives) et sur les processus d'évaluation modulés par l'âge est nécessaire à l'émergence des effets de positivité. Parallèlement à ces travaux, une méthodologie innovante est proposée pour la classification d'états émotionnels des personnes jeunes et âgées sur la base de leurs signaux électroencéphalographiques. Nous avons obtenu des résultats encourageants qui suggèrent la possibilité cette méthode pour implémenter des interfaces cerveau-machine pour protéger les personnes âgées d'une éventuelle vulnérabilité en raison des effets de positivité. L'ensemble de ces travaux suggèrent que les effets de positivité sont les conséquences de changements sur le plan motivationnel de l'individu âgé, touchant principalement les processus d'évaluation émotionnel. La personne âgée régulerait ses émotions et diminuerait l'impact des émotions négatives lorsque d'autres motivations plus prioritaires sont absentes