Changes in cortical and sub-cortical patterns of activity associated with aging during the performance of a lexical set-shifting task

Bien que le passage du temps altère le cerveau, la cognition ne suit pas nécessairement le même destin. En effet, il existe des mécanismes compensatoires qui permettent de préserver la cognition (réserve cognitive) malgré le vieillissement. Les personnes âgées peuvent utiliser de nouveaux circuits neuronaux (compensation neuronale) ou des circuits existants moins susceptibles aux effets du vieillissement (réserve neuronale) pour maintenir un haut niveau de performance cognitive. Toutefois, la façon dont ces mécanismes affectent l’activité corticale et striatale lors de tâches impliquant des changements de règles (set-shifting) et durant le traitement sémantique et phonologique n’a pas été extensivement explorée. Le but de cette thèse est d’explorer comment le vieillissement affecte les patrons d’activité cérébrale dans les processus exécutifs d’une part et dans l’utilisation de règles lexicales d’autre part. Pour cela nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) lors de la performance d’une tâche lexicale analogue à celle du Wisconsin. Cette tâche a été fortement liée à de l’activité fronto-stritale lors des changements de règles, ainsi qu’à la mobilisation de régions associées au traitement sémantique et phonologique lors de décisions sémantiques et phonologiques, respectivement. Par conséquent, nous avons comparé l’activité cérébrale de jeunes individus (18 à 35 ans) à celle d’individus âgés (55 à 75 ans) lors de l’exécution de cette tâche. Les deux groupes ont montré l’implication de boucles fronto-striatales associées à la planification et à l’exécution de changements de règle. Toutefois, alors que les jeunes semblaient activer une « boucle cognitive » (cortex préfrontal ventrolatéral, noyau caudé et thalamus) lorsqu’ils se voyaient indiquer qu’un changement de règle était requis, et une « boucle motrice » (cortex postérieur préfrontal et putamen) lorsqu’ils devaient effectuer le changement, les participants âgés montraient une activation des deux boucles lors de l’exécution des changements de règle seulement. Les jeunes adultes tendaient à présenter une augmentation de l’activité du cortex préfrontal ventrolatéral, du gyrus fusiforme, du lobe ventral temporale et du noyau caudé lors des décisions sémantiques, ainsi que de l’activité au niveau de l’aire de Broca postérieur, de la junction temporopariétale et du cortex moteur lors de décisions phonologiques. Les participants âgés ont montré de l’activité au niveau du cortex préfrontal latéral et moteur durant les deux types de décisions lexicales. De plus, lorsque les décisions sémantiques et phonologiques ont été comparées entre elles, les jeunes ont montré des différences significatives au niveau de plusieurs régions cérébrales, mais pas les âgés. En conclusion, notre première étude a montré, lors du set-shifting, un délai de l’activité cérébrale chez les personnes âgées. Cela nous a permis de conceptualiser l’Hypothèse Temporelle de Compensation (troisième manuscrit) qui consiste en l’existence d’un mécanisme compensatoire caractérisé par un délai d’activité cérébrale lié au vieillissement permettant de préserver la cognition au détriment de la vitesse d’exécution. En ce qui concerne les processus langagiers (deuxième étude), les circuits sémantiques et phonologiques semblent se fusionner dans un seul circuit chez les individus âgés, cela représente vraisemblablement des mécanismes de réserve et de compensation neuronales qui permettent de préserver les habilités langagières. As the one’s brain is structurally altered by the passage of time, cognition does not have to suffer the same faith, at least not to the same extent. Indeed, age-related compensatory mechanisms allow for some cognitive preservation. The elderly can therefore use new compensatory neuronal networks (neural compensation) or flexible pathways that are less susceptible to disruption (neural reserve) in order to maintain high levels of performance (cognitive reserve) during cognitive tasks. However, how these mechanisms affect cortical and striatal activity during set-shifting as well as during semantic and phonological processing has not been extensively explored.  The purpose of this thesis was therefore to investigate how aging affects patterns of neural activity related to executive processes on the one hand and the use of lexical rules on the other. To this end we used functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) during the performance of a lexical analogue of the Wisconsin Card-Sorting Test. This task has been shown to strongly depend on fronto-striatal activity during set-shifting as well as on regions associated with semantic and phonological processing during semantic and phonological decisions, respectively. Two groups participated in our fMRI protocol: young individuals (18 to 35 years old) and older individuals (55 to 75 years old). Both younger and older individuals revealed significant fronto-striatal loop activity associated with planning and execution of set-shifts. However, while the younger group showed the involvement of a “cognitive loop” (including the ventrolateral prefrontal cortex, the caudate nucleus and the thalamus) when instructed that a set-shift would be required on following trial, and the involvement of a “motor loop” (including the posterior prefrontal cortex and the putamen) when the set-shift had to be performed, the older participants showed significant activation of both loops during the execution of the set-shift  (matching periods) only. Young adults tended to present increased activity in the ventrolateral prefrontal cortex, the dorsolateral prefrontal cortex, the fusiform gyrus, the ventral temporal lobe and the caudate nucleus during semantic decisions and in the posterior Broca’s area, the temporoparietal junction and the motor cortical regions during phonological decisions, older individuals showed increased activity in the lateral prefrontal cortex and motor cortical regions during both semantic and phonological decisions. Furthermore, when semantic and phonological decisions were contrasted with each other, younger individuals showed significant brain activity differences in several regions while older individuals did not. In conclusion, our first study showed an age-related delayed cerebral activation phenomenon during set-shifting (previously observed only in few memory and language tasks). Based on those findings, we conceptualised the Temporal Hypothesis of Compensation (third manuscript) which is the existence of a compensatory mechanism characterised by age-related delayed cerebral activation allowing for cognitive performance to be preserved at the expense of speed processing. Regarding language processing (second study), semantic and phonological routes seem to merge into a single pathway in the elderly; these findings represent most probably neural reserve/compensation mechanisms on which the elderly rely to maintain an adequate level of performance.

Keyphrases: Cortex préfrontal, Sémantique, Phonologie, Vieillissement, Mécanismes de compensation, Réserve cognitive, IRMf, Set-shifting, Striatum, Prefrontal cortex, Set-shifting, Semantic, Phonology, Aging, Compensatory mechanisms, Cognitive reserve, fMRI