Dissertations / Theses on the topic 'Magnétoencéphalographie (MEG)'

La magnétocardiographie (MCG) et la magnétoencéphalographie (MEG) sont deux techniques d'imagerie non-invasives mesurant respectivement les champs magnétiques cardiaques et cérébraux. Les dispositifs actuels utilisent des capteurs supraconducteurs de haute performance mais nécessitant un dispositif de refroidissement cryogénique, engendrant de fortes contraintes tant techniques que financières. Les magnétomètres à pompage optique (OPM) tendent à constituer une réelle alternative. Parmi eux figurent ceux développés au CEA-LETI, basés sur l'utilisation de l'hélium 4. Cette thèse a pour objectif de développer des magnétomètres vectoriels à 4He (fonctionnant à température ambiante) dédiés aux applications MCG et MEG.Après une optimisation des paramètres-clés d'un prototype non-miniaturisé préexistant, une sensibilité inférieure à 100 fT/sqrt(Hz) a pu être obtenue suivant deux axes. Afin de respecter les besoins spécifiques de la MCG et de la MEG une étape de miniaturisation a dû être menée et une architecture gradient-métrique a été mise en place. Parallèlement, des tests précliniques menés à Clinatec nous ont permis de concevoir un nouveau conditionnement du prototype, ainsi qu'un système réduisant les perturbations magnétiques. Une analyse des principales sources de bruit a révélé que les deux principaux contributeurs au bruit sont le laser et le système de décharge HF. Nous avons ainsi envisagé plusieurs pistes d'amélioration du niveau de bruit dont une nouvelle technique de détection. Le prototype issu de ces travaux comporte une pièce élémentaire (la cellule) d'un centimètre de côté, et présente une sensibilité intrinsèque de 350 fT/sqrt(Hz).Le dispositif a ensuite été testé avec succès dans le cadre de mesures MCG sur un sujet sain, précédées de tests sur fantôme ayant permis de prouver l'opérabilité de nos capteurs dans un environnement clinique. Par ailleurs, la reproductibilité des résultats ainsi que la possibilité de réduire à 30 s le temps d'acquisition des données ont pu être démontrées. Une optimisation spécifique de la partie optique du prototype a permis d'obtenir une sensibilité de l'ordre de 210 fT/sqrt(Hz) entre 3 et 300 Hz, compatible avec l'application MEG. Après des tests menés avec succès sur fantôme, trois séries d'essais ont été réalisées sur un sujet sain. Nous avons pu ainsi détecter des potentiels évoqués auditifs, visuels ainsi qu'une modulation de l'activité cérébrale spontanée sous l'effet de l'ouverture des paupières. L'ensemble des résultats obtenus constitue les premières preuves de concept cliniques du dispositif en MCG et MEG
Magnetocardiography (MCG) and magnetoencephalography (MEG) are non-invasive techniques consisting in measuring respectively cardiac and brain magnetic fields. Despite their performance, the sensors currently used need a cryogenic cooling system which engenders technical and financial constraints. New cryogenic-free sensors have recently emerged: the OPMs (Optically-Pumped Magnetometers). Among them, vector 4He magnetometers developed by CEA-LETI which work at room-temperature. This thesis is focused on the development of 4He magnetometers dedicated to MCG and MEG.After having optimized the key-parameters of a first non-miniaturized prototype, a sensitivity inferior to 100 fT/sqrt(Hz) has been obtained along two axes. In order to meet biomedical constraints, a miniaturization of the device has been processed. In parallel, preclinical tests were carried out which have enabled us to design a gradiometer mode, a new packaging, and a magnetically isolated system. A noise analysis revealed that laser and HF discharge were the main sources of disturbance, and lead us to consider improvements such as a new detection mode. Eventually, a sensor, with a 1cm-sided cell, and an intrinsic sensitivity of 350 fT/√Hz has been developed.Then, device has been successfully tested in the frame of the MCG application from a healthy subject, preceded by a simulation study with a phantom which enables us to demonstrate its operability within a clinical environment. Moreover, we have proved the reproducibility of the measurements and the possibility to detect the main features of the cardiac cycle within a 30 s recording time. A specific optimization of the optical part has enabled us to obtain a 210 fT/sqrt(Hz) sensitivity between 3 and 300 Hz, suitable for the MEG application. After having tested our device with a phantom, three MEG experiments were performed with a healthy subject: auditory evoked field, visual evoked field and spontaneous activities have been detected. The obtained results form the first clinical proof of concept of the device for MCG and MEG applications

Les yeux sont l’une des sources de signal les plus importantes chez autrui. L’attention conjointe -alignement attentionnel dynamique entre deux individus- est un phénomène fondamental permettant de comprendre l’autre, c’est la clé de voûte de la théorie de l’esprit. Afin d’étudier les corrélats cérébraux de l’attention conjointe, j’ai utilisé trois paradigmes différents, chacun permettant de répondre à une question particulière. Premièrement, une étude en magnétoencéphalographie (MEG) a permis de mettre en évidence que, la direction du regard et l’émotion faciale sont intégrées durant les premières étapes cérébrales du traitement attentionnel. Pour mes deux études suivantes, j’ai crée un dispositif original permettant de mettre en face-à-face deux personnes. Ma seconde étude a fait l’objet d’une reproduction d’un paradigme classique d’attention conjointe -le paradigme d’indiçage par le regard- en situation de face-à-face. Nous avons retrouvé l’effet classique d’indiçage par le regard dans une telle situation écologique. Enfin, j’ai utilisé le dual-EEG afin d’enregistrer des couples de participants lorsqu’ils partageaient le même objet attentionnel ou lorsqu’ils portaient leurs regards sur des objets différents. J’ai mis en évidence une modulation de rythmes cérébraux liés à l’attention (alpha) et à la coordination sociale (mu) dans la situation d’attention conjointe comparée à la situation sans attention conjointe. Ces travaux de thèse ont permis d’approcher de manière complémentaire le phénomène d’attention conjointe afin de mieux en comprendre les mécanismes cérébraux en utilisant des protocoles expérimentaux originaux et écologiques

Le rôle fonctionnel des oscillations hautes fréquence est largement inconnu, mais il semble qu'elles aient une fonction dans le traitement de l'information sensorielle. Nous proposons deux approches permettant une meilleure compréhension de ces oscillations : (1) une approche clinique, avec des patients atteints de crampe de l'écrivain, (2) un protocole d'apprentissage sensorimoteur. En utilisant une méthode d'analyse temps-fréquence, nous avons caractériser les HFO chez le sujet sains. Nous avons montré que les patients présentaient des HFO diminuées et une perte du profil asymétrique physiologique en relation avec la manualité. Ainsi, les HFO seraient en relation avec des désordres sensoriels, et pourraient être impliquées dans des pathologies comme la dystonie. Par ailleurs, les HFO semblent fortement impliquées dans le traitement de l'information somatosensorielle, et leur modulation reflèterait la mise en place de phénomènes de plasticité au cours de l'apprentissage sensorimoteur.

Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans l'étape de modélisation du problème direct en électroencéphalographie (EEG) et magnétoencéphalographie (MEG). La première partie traite du calcul des solutions du problème direct, gouvernées par des équations aux dérivées partielles. Nous présentons tout d'abord une nouvelle méthode éléments finis (FEM) basée sur des maillages cubiques réguliers et une description implicite du domaine qui permet de résoudre à faible coût le problème direct pour des géométries réalistes. Nous associons à cette méthode des équations réciproques générales, obtenues par la méthode de l'adjoint, qui permettent de calculer efficacement les lead fields de tout type de capteur EEG ou MEG. La deuxième partie concerne le choix des conductivités électriques dans les modèles directs en EEG. Dans un premier temps, nous effectuons une analyse de sensibilité globale des topographies EEG aux conductivités pour des modèles de tête classiques à trois ou quatre couches. S'appuyant sur les résultats de cette analyse, nous proposons ensuite une méthode de calibration des conductivités basée sur l'utilisation de potentiels évoqués somesthésiques
This thesis focuses on the forward problem of electroencephalography (EEG) and magnetoencephalography (MEG). The first part deals with the calculation of the forward problem solution. We present a new finite element method (FEM) based on a regular hexahedral mesh and implicit descriptions of the domain, which allows to solve the forward problem in realistic geometries with a low computational cost. We add to this method some general reciprocal equations, derived by the adjoint method, in aim to efficiently compute the lead field of all kinds of EEG and MEG sensors. The second part is concerned with the choice of the electrical conductivities in the EEG head models. We first perform a global sensitivity analysis of the EEG topographies with respect to the conductivities for some classical head models with three or four layers. Following the results of this analysis, we then propose a method for conductivity calibration using somatosensory evoked potentials

Combinées à des techniques de reconstruction d'image, la magnétoencéphalographie (MEG) et l'électroencéphalographie (EEG) ouvrent de nouvelles perspectives pour l'observation et l'exploration de la dynamique cérébrale à l'échelle locale. Cependant, le problème inverse associé est mal posé et doit être régularisé par l'introduction d'a priori sur le modèle d'image. Les a priori classiques -- par exemple quadratiques en la norme des courants neuronaux -- mènent à des images de l'activité cérébrale qui sont souvent trop lisses pour permettre de localiser de façon précise les générateurs corticaux. Des approches plus spécifiques améliorent théoriquement la détection des distributions de courant plus ou moins étendues mais souffrent de problèmes de passage à l'échelle qui limitent leurs applications. L'objet de ce travail de thèse a été de concilier les deux approches en proposant une méthode multirésolution qui parcellise de façon itérative la surface corticale à partir d'a priori anatomiques et fonctionnels tels que la courbure du cortex et/ou l'utilisation d'atlas provenant d'investigations neuroscientifiques. L'approche d'imagerie multirésolution est abordée ici comme une méthode de sélection de modèle fondée sur le principe d'erreur de validation croisée généralisée. La modélisation des courants générés par des parcelles continues de la surface corticale est réalisée à partir d'un modèle paramétrique compact fondé sur les multipôles de courants équivalents
When combined with image reconstruction techniques, magnetoencephalography (MEG) and electroencephalography (EEG) may open new windows for the observation and exploration of time-resolved brain processes at the local--regional spatial scale. The ill-posedness of the associated inverse problem however, necessitates the introduction of image models as regularizing priors. Basic priors -- e. G. Quadratic in the norm of the expected neural currents -- yield images of brain activity that are often too smeared for the satisfactory elucidation of specific neuroscience questions that focus on localization. On the other hand, more sophisticated prior image models -- even though they would theoretically improve the detection of sparse-focal current distributions -- suffer from scalability issues that imped their practical impact. In this PhD work, my primary objective was to reconcile the best of both approaches. I have derived a multiresolution imaging technique which proceeds iteratively to the fit of image models based on the parcellation of the cortical surface. This latter derives from anatomical and functional priors such as the curvature of the cortical manifold, and/or the coregistration to some atlas relevant to the neuroscience investigation. Technically, the multiresolution imaging technique is approached as an empirical model selection procedure optimized according to the least-generalized cross validation (GCV) error principle. Further, the piecewise current model is adequately approached using a compact parametric model based on equivalent current multipoles

La perception de personnes est une composante incontournable de notre vie en société et c’est une source majeure de signaux sociaux et émotionnels. Une structure est au coeur des processus émotionnels et sociaux : l’amygdale. Toutefois, la dynamique temporelle des réponses amygdaliennes reste peu connue. Deux études de magnétoencéphalographie (MEG) ont été réalisées afin d’étudier la perception des personnes suivant deux de ses composantes : la perception des visages, et la perception de la densité de personnes. La première étude a porté sur la mise en place d'une méthode d'estimation des sources amygdaliennes d'activités magnétiques afin d'étudier la dynamique temporelle de sa contribution à la perception de visages effrayés et neutres au regard direct ou dévié. Nous montrons des réponses amygdaliennes à l’émotion exprimée par les visages dès 130-170 ms poststimulus, puis plus tardivement entre 310 et 350 ms, ainsi que des réponses au regard entre 190 et 350 ms. La seconde étude a concerné la contribution de l'amygdale à la perception de scènes visuelles provenant de situations réelles du métro parisien présentant des densités de personnes variables. Nous révélons une modulation de la réponse amygdalienne à la forte densité entre 170 et 210 ms ainsi qu’un effet soutenu de la densité de personnes sur la réponse du cortex orbitofrontal (OFC) entre 210 et 600 ms. Une réponse du cortex occipitolatéral a été mesurée dès 90 ms, et concomitamment à l’amygdale et l’OFC. Ces travaux de thèse apportent de nouvelles informations sur la contribution de l’amygdale à la perception de personnes par l’application d’une méthode originale de localisation des sources d’activité en MEG
Person perception is an essential component of our living in society and a main source of emotional and social signals. The amygdala is a key structure in emotional and social processes. However, little is known about the temporal dynamics of amygdala responses. I performed two magnetoencephalography (MEG) studies in order to investigate two components of person perception: face perception and person density perception. The first study is based on the implementation of a source estimation method of the amygdala magnetic activity in order to study the temporal dynamics of its contribution to the perception of fearful and neutral faces with direct or averted gaze. I showed amygdala responses to facial emotion as soon as 130-170 ms post-stimulus, and then between 310 and 350 ms, as well as sustained amygdala responses to gaze between 190 and 350 ms. The second study was focused on the study of amygdala contribution to the perception of real-life visual scenes varying in person density that were shot from Paris subway. We revealed a modulation of amygdala responses to the higher density between 170 and 210 ms, as well as a sustained effect of person density on orbitofrontal cortex (OFC) responses between 210 and 600 ms. An occipitolateral cortex response to person density was observed from 90-130 ms, and also concomitantly with amygdala and OFC responses. These studies provide new information about amygdala contribution to person perception with the implementation of an original source localization method of MEG signals

Cette thèse est consacrée à l'étude des signaux mesurés par Electroencéphalographie (EEG) et Magnétoencéphalographie (MEG) afin d'améliorer notre compréhension du cerveau humain. La MEG et l'EEG sont des modalités d'imagerie cérébrale non invasives. Elles permettent de mesurer, hors de la tête, respectivement le potentiel électrique et le champ magnétique induits par l'activité neuronale. Le principal objectif lié à l'exploitation de ces données est la localisation dans l'espace et dans le temps des sources de courant ayant généré les mesures. Pour ce faire, il est nécessaire de résoudre un certain nombre de problèmes mathématiques et informatiques difficiles. La première partie de cette thèse part de la présentation des fondements biologiques à l'origine des données M/EEG, jusqu'à la résolution du problème direct. Le problème direct permet de prédire les mesures générées pour une configuration de sources de courant donnée. La résolution de ce problème à l'aide des équations de Maxwell dans l'approximation quasi-statique passe par la modélisation des générateurs de courants, ainsi que de la géométrie du milieu conducteur, dans notre cas la tête. Cette modélisation aboutit à un problème direct linéaire qui n'admet pas de solution analytique lorsque l'on considère des modèles de tête réalistes. Notre première contribution porte sur l'implémentation d'une résolution numérique à base d'éléments finis surfaciques dont nous montrons l'excellente précision comparativement aux autres implémentations disponibles. Une fois le problème direct calculé, l'étape suivante consiste à estimer les positions et les amplitudes des sources ayant généré les mesures. Il s'agit de résoudre le problème inverse. Pour ce faire, trois méthodes existent: les méthodes paramétriques, les méthodes dites de "scanning", et les méthodes distribuées. Cette dernière approche fournit un cadre rigoureux à la résolution de problème inverse tout en évitant de faire de trop importantes approximations dans la modélisation. Toutefois, elle impose de résoudre un problème fortement sous-contraint qui nécessite de fait d'imposer des a priori sur les solutions. Ainsi la deuxième partie de cette thèse est consacrée aux différents types d'a priori pouvant être utilisés dans le problème inverse. Leur présentation part des méthodes de résolution mathématiques jusqu'aux détails d'implémentation et à leur utilisation en pratique sur des tailles de problèmes réalistes. Un intérêt particulier est porté aux a priori induisant de la parcimonie et conduisant à l'optimisation de problèmes convexes non différentiables pour lesquels sont présentées des méthodes d'optimisation efficaces à base d'itérations proximales. La troisième partie porte sur l'utilisation des méthodes exposées précédemment afin d'estimer des cartes rétinotopiques dans le système visuel à l'aide de données MEG. La présentation porte à la fois sur les aspects expérimentaux liés au protocole d'acquisition jusqu'à la mise en oeuvre du problème inverse en exploitant des propriétés sur le spectre du signal mesuré. La contribution suivante ambitionne d'aller plus loin que la simple localisation d'activités par le problème inverse afin de donner accès à la dynamique de l'activité corticale. Partant des estimations de sources sur le maillage cortical, la méthode proposée utilise des méthodes d'optimisation combinatoires à base de coupes de graphes afin d'effectuer de façon robuste le suivi de l'activité au cours du temps. La dernière contribution de cette thèse porte sur l'estimation de paramètres sur des données M/EEG brutes non moyennées. Compte tenu du faible rapport signal à bruit, l'analyse de données M/EEG dites "simple essai" est un problème particulièrement difficile dont l'intérêt est fondamental afin d'aller plus loin que l'analyse de données moyennées en explorant la variabilité inter-essais. La méthode proposée utilise des outils récents à base de graphes. Elle garantit des optimisations globales et s'affranchit de problèmes classiques tels que l'initialisation des paramètres ou l'utilisation du signal moyenné dans l'estimation. L'ensemble des méthodes développées durant cette thèse ont été utilisées sur des données M/EEG réels afin de garantir leur pertinence dans le contexte expérimental parfois complexe des signaux réelles M/EEG. Les implémentations et les données nécessaires à la reproductibilité des résultats sont disponibles. Le projet de rétinotopie par l'exploitation de données de MEG a été mené en collaboration avec l'équipe du LENA au sein de l'hôpital de La Pitié-Salpêtrière (Paris).

Le contexte guide la perception de manière inconsciente. En vision, il est utilisé pour faciliter la reconnaissance et la recherche d'objets. Nous avons élaboré un protocole expérimental nouveau pour étudier l'influence du contexte sur la recherche visuelle en magnéto-encéphalographie (MEG). Une étude chez des sujets sains nous a permis d'observer les étapes de l'apprentissage et de l'exploitation des relations spatiales entre le contexte et la cible en recherche visuelle. Lorsque le contexte peut être utilisé pour prédire la position de la cible, une activité oscillatoire spécifique dans la bande de fréquence gamma (30-48 Hz) se développe dès qu'une image est vue pour la deuxième fois (Chaumon, Schwartz et Tallon-Baudry, En révision). Lorsque les sujets commencent à utiliser les régularités inconsciemment, ces oscillations gamma disparaissent et laissent place à un effet dans l'activité évoquée en MEG avant 100 ms (Chaumon, Drouet et Tallon-Baudry, 2008). Des enregistrements effectués dans la même tâche chez des patients épileptiques implantés d'électrodes intracrâniennes confirment les résultats MEG et montrent que les régions du lobe temporal antérieur sont impliquées dans l'exploitation des relations entre contexte et cible (Chaumon, Adam, Hasboun et Tallon-Baudry, En préparation).
Nous proposons que l'activité gamma permet la création et l'affûtage d'une représentation neuronale par des mécanismes de plasticité dépendante de la synchronie des potentiels d'action (spike timing dependent plasticity, STDP). Cette représentation une fois créée serait activée très rapidement pour biaiser le traitement cérébral, permettant la prise en compte de l'expérience vécue dès les étapes précoces du traitement sensoriel.

Le raisonnement conditionnel, fondé sur les énoncés de la forme Si P alors Q, est celui qui a reçu le plus d'attention de la part des psychologues. Les arguments principaux du raisonnement conditionnel, comme le Modus Ponens (MP), sont constitués de trois éléments : la prémisse majeure (Si P alors Q), la prémisse mineure (P) et la conclusion (Q). Ces éléments constituent trois étapes de traitement distinctes. Cependant, la dimension temporelle du raisonnement a été en partie négligée dans la littérature. L’objectif central de cette thèse a été d’explorer cette dimension temporelle à l’aide d’une approche novatrice combinant l’utilisation de la mesure du temps de lecture des prémisses, de l’Electroencéphalographie (EEG) et de la Magnétoencéphalographie (MEG). Nous nous sommes donné trois objectifs : 1) Déterminer la séquence des étapes de traitement élémentaire de l’argument MP ; 2) Déterminer comment l’incertitude d’un conditionnel thématique est prise en compte ; 3) Mettre en évidence les différences interindividuelles de traitement d’un énoncé conditionnel, basique ou thématique, en introduisant l’étude de l’argument AC qui permet de dissocier deux populations : les individus qui acceptent la conclusion de AC et les individus qui la rejettent.L’ensemble des données révèle que tous les individus ont une tendance à se focaliser davantage sur P que sur Q lors du traitement du conditionnel, avec des degrés variables selon les individus. Lorsque la prémisse P (ou Q pour les participants qui acceptent AC) est présentée, elle est intégrée à la prémisse majeure afin de générer une conclusion Q encodée et stockée en mémoire de travail avant d’être comparée avec la conclusion présentée.Lorsque le conditionnel est incertain (conditionnel thématique), cette incertitude sur la suffisance de P pour Q (ou de Q pour P) semble être prise en compte par les sujets au niveau de la prémisse majeure et se manifeste par une attente moins prononcée de la conclusion Q une fois que la prémisse P a été présentée
The conditional reasoning, based on statements of the form If P then Q, is one which has received the most attention from psychologists. The main arguments of conditional reasoning, as the Modus Ponens (MP), consist of three elements: the major premise (If P then Q), the minor premise (P) and conclusion (Q). These elements constitute three separate processing steps. However, the temporal dimension of reasoning has been partly neglected in the literature. The central objective of this thesis was to explore the temporal dimension by using an innovative approach combining the use of the measurement of premises reading time and of the electroencephalography (EEG) and magnetoencephalography ( MEG). We set three objectives: 1) Determine the sequence of processing steps of the basic argument MP 2) Determine how the uncertainty of a conditional theme is taken into account, 3) Highlight the interindividual differences in treatment a conditional statement, or basic theme by introducing the study of the AC argument, which allows to separate two populations: individuals who accept the conclusion of AC and individuals who reject it. The data reveals that all individuals have a tendency to focus more on P and Q in the processing of the conditional, with varying degrees in different individuals. When the premise P (or Q for participants that accept AC) is presented, it is integrated with the major premise to generate a conclusion Q encoded and stored in working memory before being compared with the conclusions presented. When the conditional is uncertain (Thematic conditional), this uncertainty about the sufficiency of P for Q (or Q for P) seems to be taken into account by the subjects at the major premise and is manifested by an less pronounced expectation of Q conclusion when the premise P has been presented

Les épilepsies « focales » sont des maladies affectant spécifiquement certains réseaux cérébraux. Cette thèse vise à approfondir, l'investigation de ces réseaux étudiée par des enregistrements intracrâniens (stéréoélectroéncéphalographie - SEEG) dans le cadre de l'évaluation préchirurgicale de l'épilepsie. A cette fin, nous avons appliqué des méthodes d'analyse de signaux en se basant sur des biomarqueurs neurophysiologiques de l'épileptogénicité. Dans le premier travail, nous avons étudié la relation entre le néocortex et l'hétérotopie nodulaire, une malformation du développement cortical. On a démontré que le néocortex ou le néocortex avec la lésion hétérotopique, est la structure leader du réseau épileptique et finalement la lésion malformative est très rarement la région la plus épileptogène. Dans le second travail, nous avons étudié la relation entre le néocortex et d'autres noyaux sous-corticaux, en particulier le thalamus. Nous avons démontré que le degré d'épileptogénicité du thalamus est en corrélation directe avec l'extension du réseau épileptique et est associé à un mauvais résultat chirurgical. La troisième étude a été effectuée sur des enregistrements intracérébraux et de surface simultanés, SEEG -magnétoencéphalographie (MEG). Nous avons pu démontré, par le biais d'une analyse en composantes indépendantes (ICA) sur la MEG, que les réseaux épileptiques des structures cérébrales profondes peuvent être récupérés par des enregistrements de surface. Ces résultats confirment que l'analyse quantifiée du signal est un outil puissant pour la compréhension des réseaux épileptiques complexes étudiés par les enregistrements intracérébraux et la MEG
Epilepsy is a networks disease and understanding networks organization underlying this pathology is essential to assure the best therapeutic option for the patient. This thesis aims to provide insights in the investigation of pathological brain networks in patients studied by intracerebral recordings (stereoelectroncephalography - SEEG) during presurgical evaluation of epilepsy. To this purpose, we applied signal analysis methods to invasive and non-invasive recordings, using neurophysiological biomarkers of epileptogenicity (spikes, high frequency oscillations, epileptogenicity index). In the first work, we studied the relationship between the neocortex and nodular heterotopia, a malformation of cortical development. We have shown that the neocortex or the neocortex with the heterotopic lesion, is the leading structure of the epileptic networks and finally the malformative lesion is very rarely the most epileptogenic region. In the second work, we studied the relationship between the neocortex and other subcortical nuclei, in particular the thalamus. We have shown that the degree of epileptogenicity of thalamus is directly correlated with the extension of the epileptic network and is associated with poor surgical outcome. The third study was conducted on simultaneous intracerebral and surface recordings, SEEG -magnetoencephalography (MEG). We have demonstrated, through independent component analysis (ICA) on the MEG, that epileptic networks of deep brain structures can be recovered by surface recordings. These results confirm that quantified signal analysis is a powerful tool for understanding the complex epileptic networks studied by intracerebral recordings and MEG

Dans les séries temporelles neurophysiologiques, on observe de fortes oscillations neuronales, et les outils d'analyse sont donc naturellement centrés sur le filtrage à bande étroite.Puisque cette approche est trop réductrice, nous proposons de nouvelles méthodes pour représenter ces signaux.Nous centrons tout d'abord notre étude sur le couplage phase-amplitude (PAC), dans lequel une bande haute fréquence est modulée en amplitude par la phase d'une oscillation neuronale plus lente.Nous proposons de capturer ce couplage dans un modèle probabiliste appelé modèle autoregressif piloté (DAR). Cette modélisation permet une sélection de modèle efficace grâce à la mesure de vraisemblance, ce qui constitue un apport majeur à l'estimation du PAC.%Nous présentons différentes paramétrisations des modèles DAR et leurs algorithmes d'inférence rapides, et discutons de leur stabilité.Puis nous montrons comment utiliser les modèles DAR pour l'analyse du PAC, et démontrons l'avantage de l'approche par modélisation avec trois jeux de donnée.Puis nous explorons plusieurs extensions à ces modèles, pour estimer le signal pilote à partir des données, le PAC sur des signaux multivariés, ou encore des champs réceptifs spectro-temporels.Enfin, nous proposons aussi d'adapter les modèles de codage parcimonieux convolutionnels pour les séries temporelles neurophysiologiques, en les étendant à des distributions à queues lourdes et à des décompositions multivariées. Nous développons des algorithmes d'inférence efficaces pour chaque formulations, et montrons que l'on obtient de riches représentations de façon non-supervisée
In neurophysiological time series, strong neural oscillations are observed in the mammalian brain, and the natural processing tools are thus centered on narrow-band linear filtering.As this approach is too reductive, we propose new methods to represent these signals.We first focus on the study of phase-amplitude coupling (PAC), which consists in an amplitude modulation of a high frequency band, time-locked with a specific phase of a slow neural oscillation.We propose to use driven autoregressive models (DAR), to capture PAC in a probabilistic model. Giving a proper model to the signal enables model selection by using the likelihood of the model, which constitutes a major improvement in PAC estimation.%We first present different parametrization of DAR models, with fast inference algorithms and stability discussions.Then, we present how to use DAR models for PAC analysis, demonstrating the advantage of the model-based approach on three empirical datasets.Then, we explore different extensions to DAR models, estimating the driving signal from the data, PAC in multivariate signals, or spectro-temporal receptive fields.Finally, we also propose to adapt convolutional sparse coding (CSC) models for neurophysiological time-series, extending them to heavy-tail noise distribution and multivariate decompositions. We develop efficient inference algorithms for each formulation, and show that we obtain rich unsupervised signal representations

Cette thèse porte sur le codage prédictif comme principe général pour la perception et vise à en étayer les mécanismes computationnels et neurophysiologiques dans la modalité auditive. Ce codage repose sur des erreurs de prédictions se propageant dans une hiérarchie, et qui pourraient se refléter dans des réponses cérébrales au changement (ou déviance) telles que la Négativité de discordance (mismatch negativity, MMN). Nous avons manipulé la prédictibilité de sons déviants et utilisé des approches de modélisation computationnelle et dynamique causale (DCM) appliquées à des enregistrements électrophysiologiques (EEG, MEG) simultanés.Une modulation des réponses à la déviance par la prédictibilité a été observée, permettant d'établir un lien avec les erreurs de prédictions. Cet effet implique un apprentissage implicite des régularités acoustiques, dont l'influence sur le traitement auditif a pu être caractérisée par notre approche de modélisation. Sur le plan computationnel, un apprentissage a été mis en évidence au cours de ce traitement auditif, reposant sur une fenêtre d'intégration temporelle dont la taille varie avec la prédictibilité des déviants. Cet effet pourrait également moduler la connectivité synaptique sous-tendant le traitement auditif, comme le suggère l'analyse DCM.Nos résultats mettent en évidence la mise en œuvre d'un apprentissage perceptif au sein d'une hiérarchie auditive soumis à une modulation par la prédictibilité du contexte acoustique, conformément aux prédictions du codage prédictif. Ils soulignent également l'intérêt de ce cadre théorique pour émettre et tester expérimentalement des hypothèses mécanistiques précises
This thesis aims at testing the predictive coding account of auditory perception. This framework rests on precision-weighted prediction errors elicited by unexpected sounds that propagate along a hierarchical organization in order to maintain the brain adapted to a varying acoustic environment. Using the mismatch negativity (MMN), a brain response to unexpected stimuli (deviants) that could reflect such errors, we could address the computational and neurophysiological underpinnings of predictive coding. Precisely, we manipulated the predictability of deviants and applied computational learning models and dynamic causal models (DCM) to electrophysiological responses (EEG, MEG) measured simultaneously. Deviant predictability was found to modulate deviance responses, a result supporting their interpretation as prediction errors. Such effect might involve the (high-level) implicit learning of sound sequence regularities that would in turn influence auditory processing in lower hierarchical levels. Computational modeling revealed the perceptual learning of sounds, resting on temporal integration exhibiting differences induced by our predictability manipulation. In addition, DCM analysis indicated predictability changes in the synaptic connectivity established by deviance processing. These results conform predictive coding predictions regarding both deviance processing and its modulation by deviant predictability and strongly support perceptual learning of auditory regularities achieved within an auditory hierarchy. Our findings also highlight the power of this mechanistic framework to elaborate and test new hypothesis enabling to improve our understanding of auditory processing

Le raisonnement conditionnel, fondé sur les énoncés de la forme Si P alors Q, est celui qui a reçu le plus d'attention de la part des psychologues. Les arguments principaux du raisonnement conditionnel, comme le Modus Ponens (MP), sont constitués de trois éléments : la prémisse majeure (Si P alors Q), la prémisse mineure (P) et la conclusion (Q). Ces éléments constituent trois étapes de traitement distinctes. Cependant, la dimension temporelle du raisonnement a été en partie négligée dans la littérature. L’objectif central de cette thèse a été d’explorer cette dimension temporelle à l’aide d’une approche novatrice combinant l’utilisation de la mesure du temps de lecture des prémisses, de l’Electroencéphalographie (EEG) et de la Magnétoencéphalographie (MEG). Nous nous sommes donné trois objectifs : 1) Déterminer la séquence des étapes de traitement élémentaire de l’argument MP ; 2) Déterminer comment l’incertitude d’un conditionnel thématique est prise en compte ; 3) Mettre en évidence les différences interindividuelles de traitement d’un énoncé conditionnel, basique ou thématique, en introduisant l’étude de l’argument AC qui permet de dissocier deux populations : les individus qui acceptent la conclusion de AC et les individus qui la rejettent.L’ensemble des données révèle que tous les individus ont une tendance à se focaliser davantage sur P que sur Q lors du traitement du conditionnel, avec des degrés variables selon les individus. Lorsque la prémisse P (ou Q pour les participants qui acceptent AC) est présentée, elle est intégrée à la prémisse majeure afin de générer une conclusion Q encodée et stockée en mémoire de travail avant d’être comparée avec la conclusion présentée.Lorsque le conditionnel est incertain (conditionnel thématique), cette incertitude sur la suffisance de P pour Q (ou de Q pour P) semble être prise en compte par les sujets au niveau de la prémisse majeure et se manifeste par une attente moins prononcée de la conclusion Q une fois que la prémisse P a été présentée
The conditional reasoning, based on statements of the form If P then Q, is one which has received the most attention from psychologists. The main arguments of conditional reasoning, as the Modus Ponens (MP), consist of three elements: the major premise (If P then Q), the minor premise (P) and conclusion (Q). These elements constitute three separate processing steps. However, the temporal dimension of reasoning has been partly neglected in the literature. The central objective of this thesis was to explore the temporal dimension by using an innovative approach combining the use of the measurement of premises reading time and of the electroencephalography (EEG) and magnetoencephalography ( MEG). We set three objectives: 1) Determine the sequence of processing steps of the basic argument MP 2) Determine how the uncertainty of a conditional theme is taken into account, 3) Highlight the interindividual differences in treatment a conditional statement, or basic theme by introducing the study of the AC argument, which allows to separate two populations: individuals who accept the conclusion of AC and individuals who reject it. The data reveals that all individuals have a tendency to focus more on P and Q in the processing of the conditional, with varying degrees in different individuals. When the premise P (or Q for participants that accept AC) is presented, it is integrated with the major premise to generate a conclusion Q encoded and stored in working memory before being compared with the conclusions presented. When the conditional is uncertain (Thematic conditional), this uncertainty about the sufficiency of P for Q (or Q for P) seems to be taken into account by the subjects at the major premise and is manifested by an less pronounced expectation of Q conclusion when the premise P has been presented

Dans les séries temporelles neurophysiologiques, on observe de fortes oscillations neuronales, et les outils d'analyse sont donc naturellement centrés sur le filtrage à bande étroite.Puisque cette approche est trop réductrice, nous proposons de nouvelles méthodes pour représenter ces signaux.Nous centrons tout d'abord notre étude sur le couplage phase-amplitude (PAC), dans lequel une bande haute fréquence est modulée en amplitude par la phase d'une oscillation neuronale plus lente.Nous proposons de capturer ce couplage dans un modèle probabiliste appelé modèle autoregressif piloté (DAR). Cette modélisation permet une sélection de modèle efficace grâce à la mesure de vraisemblance, ce qui constitue un apport majeur à l'estimation du PAC.%Nous présentons différentes paramétrisations des modèles DAR et leurs algorithmes d'inférence rapides, et discutons de leur stabilité.Puis nous montrons comment utiliser les modèles DAR pour l'analyse du PAC, et démontrons l'avantage de l'approche par modélisation avec trois jeux de donnée.Puis nous explorons plusieurs extensions à ces modèles, pour estimer le signal pilote à partir des données, le PAC sur des signaux multivariés, ou encore des champs réceptifs spectro-temporels.Enfin, nous proposons aussi d'adapter les modèles de codage parcimonieux convolutionnels pour les séries temporelles neurophysiologiques, en les étendant à des distributions à queues lourdes et à des décompositions multivariées. Nous développons des algorithmes d'inférence efficaces pour chaque formulations, et montrons que l'on obtient de riches représentations de façon non-supervisée
In neurophysiological time series, strong neural oscillations are observed in the mammalian brain, and the natural processing tools are thus centered on narrow-band linear filtering.As this approach is too reductive, we propose new methods to represent these signals.We first focus on the study of phase-amplitude coupling (PAC), which consists in an amplitude modulation of a high frequency band, time-locked with a specific phase of a slow neural oscillation.We propose to use driven autoregressive models (DAR), to capture PAC in a probabilistic model. Giving a proper model to the signal enables model selection by using the likelihood of the model, which constitutes a major improvement in PAC estimation.%We first present different parametrization of DAR models, with fast inference algorithms and stability discussions.Then, we present how to use DAR models for PAC analysis, demonstrating the advantage of the model-based approach on three empirical datasets.Then, we explore different extensions to DAR models, estimating the driving signal from the data, PAC in multivariate signals, or spectro-temporal receptive fields.Finally, we also propose to adapt convolutional sparse coding (CSC) models for neurophysiological time-series, extending them to heavy-tail noise distribution and multivariate decompositions. We develop efficient inference algorithms for each formulation, and show that we obtain rich unsupervised signal representations

Depuis plus d'un siècle, les neuroscientifiques considèrent la mémoire de travail comme liée à la conscience, les deux fonctions ayant des caractéristiques et des mécanismes cérébraux similaires. Des travaux récents remettent en question cette interprétation en démontrant que des informations non-conscientes peuvent affecter le comportement pendant plusieurs secondes (« vision aveugle »), et suggérant qu'il existe un véritable système de mémoire de travail non-conscient. Nous combinons ici l’étude du comportement, l’imagerie du cerveau à haute résolution temporelle, et la modélisation computationnelle pour tester ces hypothèses. Nous rejetons d’abord plusieurs explications alternatives à la vision aveugle, montrant que celle-ci résulte d'un processus véritablement non-conscient. Nous montrons également que le maintien non-conscient de l’information ne s’accompagne pas nécessairement d'une activité cérébrale soutenue, mais pourrait dépendre d’états cérébraux «silencieux» qui impliquent des changements transitoires dans la connectivité synaptique. Ensuite, nous explorons systématiquement les propriétés clés de la mémoire de travail consciente dans le contexte de la vision aveugle. Même si plusieurs éléments et leur ordre temporel peuvent être stockés de manière non-consciente, la manipulation des représentations nécessite l’accès conscient et une activité neuronale soutenue. Ces résultats défient les théories qui assimilent le maintien de l'information en mémoire de travail à une activité consciente soutenue. Ils contredisent aussi la notion d'une véritable mémoire «de travail» non-consciente. Nous proposons donc l'existence d'une mémoire à court terme "silencieuse"
Our lives hinge on our ability to hold information online for immediate use. For over a century, cognitive neuroscientists have regarded such working memory as closely related to consciousness, with both functions sharing similar features and brain mechanisms. Recent work has challenged this view, demonstrating that non-conscious information may affect behavior for several seconds, and suggesting that there exists a genuine non-conscious working memory system. I here combine behavioral and modeling approaches with time-resolved magnetoencephalography and multivariate pattern analysis to put this proposal to the test. In a first study, I rule out alternative explanations for the long-lasting blindsight effect, showing that it results from a genuinely non-conscious process. Crucially, this non-conscious maintenance is not accompanied by persistent delay-period activity, but instead stores information in “activity-silent” brain states via transient changes in synaptic weights. In a second set of experiments, I systematically evaluate key properties of conscious working memory in the context of long-lasting blindsight. While even multiple items and their temporal order may be stored non-consciously, manipulating stored representations is associated with consciousness and sustained neural activity. Together, these results challenge theories that equate the maintenance of information in working memory with conscious activity sustained throughout the delay period, but also contradict the notion of a genuine non-conscious “working” memory. Instead, I propose the existence of activity-silent short-term memory

Dans une première partie, j'illustrerai quelques uns de mes travaux en visio n par ordinateur et traitement d'images. Ceux-ci portent notamment sur la géométrie multi-vues, l'utilisation du raisonnement géométrique pour intégrer des contraintes sur la scène, l'appariement et la segmentation d'images. Sans forcément rentrer dans les détails, j'exposerai les idées fondamentales qui sous-tendent ces travaux qui ont maintenant quelques années et proposerai quelques perspectives sur des extensions possibles. Une deuxième partie abordera certains problèmes liés à l'électro- et la magnéto-encéphalographie M/EEG, sujet auquel je me suis intéressé plus récemment. Je décrirai en particulier un algorithme de détection d'événements d'intérêts en essai par essai ainsi que certaines techniques que nous avons développé pour la modélisation du problème direct M/EEG. Comme pour la première partie, je tenterai de proposer quelques unes des évolutions possibles autour de cette thématique.

La Magnéto- et l'Electro-encéphalographie (M/EEG) sont deux modalités d'imagerie fonctionnelle non invasives qui mesurent l'activité électromagnétique du cerveau. Ces techniques sont utilisées pour des études cognitives ainsi que pour des applications cliniques, comme l'épilepsie. Après une présentation de quelques notions de base sur ces modalités M/EEG, cette thèse développe deux contributions principales. La première est une méthode d’approximation efficace d’un ensemble de solutions de problèmes directs d’EEG paramétrés par des valeurs de conductivité pour différents tissus. Ce problème direct consiste à calculer comment une activité corticale spécifique serait mesurée par des capteurs EEG. Le principal avantage de notre méthode est qu’elle accélère considérablement le temps de calcul tout en contrôlant l'erreur d'approximation. Les valeurs de conductivités des tissus de la tête varient selon les sujets et il serait intéressant de les estimer à partir des données EEG. Notre méthode est un pas important pour la résolution efficace d'un tel problème d'estimation de conductivités. La deuxième contribution est une nouvelle méthode de reconstruction de sources qui estime des configurations de sources corticales étendues expliquant les mesures M/EEG. La principale originalité de cette méthode réside dans le fait qu’au lieu de fournir une reconstruction unique, comme le font la majorité des méthodes de l’état de l'art, elle propose plusieurs solutions candidates valables. Nous avons validé nos deux contributions sur des données M/EEG simulées et réelles
Magneto- and Electro-encephalography (M/EEG) are two non-invasive functional imaging modalities which measure the electromagnetic activity of the brain. These tools are used in cognitive studies as well as in clinical applications as, for example, epilepsy. Besides the presentation of some background material about the M/EEG modalities, this thesis describes two main contributions. The first one is a method for a fast approximation of a set of EEG forward problem solutions, parametrized by tissue conductivity values. This forward problem consists in computing how a specific cortical activity would be measured by EEG sensors. The main advantage of our method is that it significantly accelerates the computation time, while controlling the approximation error. Head tissue conductivity values vary across subjects and it might be interesting to estimate them from the EEG data. Our method is an important step towards an efficient solution of such a head tissues conductivity estimation problem. The second contribution is a novel source reconstruction method, which estimates extended cortical sources explaining the M/EEG measurements. The main originality of the method is that instead of providing a unique reconstruction, as the majority of the state-of-the-art methods do, it proposes several equally valid candidates. We validated both our contributions on simulated and real M/EEG data

Comprendre comment différentes régions du cerveau interagissent afin d’exécuter une tâche, est un défi très complexe. La magnéto- et l’électroencéphalographie (MEEG) sont deux techniques non-invasive d’imagerie fonctionnelle utilisées pour mesurer avec une bonne résolution temporelle l’activité cérébrale. Estimer cette activité à partir des mesures MEEG est un problème mal posé. Il est donc crucial de le régulariser pour obtenir une solution unique. Il a été montré que l’homogénéité structurelle des régions corticales reflète leur homogénéité fonctionnelle. Un des buts principaux de ce travail est d’utiliser cette information structurelle pour définir des a priori permettant de contraindre de manière plus anatomique ce problème inverse de reconstruction de sources. L’imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd) est, à ce jour, la seule technique non-invasive qui fournisse des informations sur l’organisation structurelle de la matière blanche. Cela justifie son utilisation pour contraindre notre problème inverse. Nous utilisons l’information fournie par l’IRMd de deux manière différentes pour reconstruire les activations du cerveau : (1) via une méthode spatiale qui utilise une parcellisation du cerveau pour contraindre l’activité des sources. Ces parcelles sont obtenues par un algorithme qui permet d’obtenir un ensemble optimal de régions structurellement homogènes pour une mesure de similarité donnée sur tout le cerveau. (2) dans une approche spatio-temporelle qui utilise les connexions anatomiques, calculées à partir des données d’IRMd, pour contraindre la dynamique des sources. Ces méthodes sont appliquée à des données synthétiques et réelles
Understanding how brain regions interact to perform a given task is a very challenging task. Electroencephalography (EEG) and Magnetoencephalography (MEG) are two non-invasive functional imaging modalities used to record brain activity with high temporal resolution. As estimating brain activity from these measurements is an ill-posed problem. We thus must set a prior on the sources to obtain a unique solution. It has been shown in previous studies that structural homogeneity of brain regions reflect their functional homogeneity. One of the main goals of this work is to use this structural information to define priors to constrain more anatomically the MEG/EEG source reconstruction problem. This structural information is obtained using diffusion magnetic resonance imaging (dMRI), which is, as of today, the unique non-invasive structural imaging modality that provides an insight on the structural organization of white matter. This makes its use to constrain the EEG/MEG inverse problem justified. In our work, dMRI information is used to reconstruct brain activation in two ways: (1) In a spatial method which uses brain parcels to constrain the sources activity. These parcels are obtained by our whole brain parcellation algorithm which computes cortical regions with the most structural homogeneity with respect to a similarity measure. (2) In a spatio-temporal method that makes use of the anatomical connections computed from dMRI to constrain the sources’ dynamics. These different methods are validated using synthetic and real data

L'objectif de ce travail a été d'explorer les bases neurales de la perception du temps chez l'humain en analysant les corrélats électromagnétiques du jugement temporel par reconstruction des générateurs corticaux du signal de scalp électroencéphalographique et magnétoencéphalographique. Dans deux articles expérimentaux, nous montrons qu’indépendamment de la modalité sensorielle, un réseau étendu d'aires corticales est impliqué dans la discrimination de durées circaseconde et que le décours temporel de l'activité au sein de ce réseau s'accorde mal avec le mécanisme de pacemaker-accumulateur du modèle de temps scalaire. Nous proposons donc dans un article théorique, co-écrit avec Warren Meck, de montrer en quoi le modèle Striatal Beat Frequency offre un cadre biologiquement plus réaliste permettant de rapprocher les mécanismes à l'oeuvre dans la mémoire de travail et dans le traitement temporel.

La magnéto-encéphalographie (MEG) mesure l'activité cérébrale avec un excellent décours temporel mais sa localisation sur la surface corticale souffre d'une mauvaise résolution spatiale. Le problème inverse MEG est dit mal-posé et doit de ce fait être régularisé. La parcellisation du cortex en régions de spécificité fonctionnelle proche constitue une régularisation spatiale pertinente du problème inverse MEG. Nous proposons une méthode de parcellisation du cortex entier à partir de la connectivité anatomique cartographiée par imagerie de diffusion. Au sein de chaque aire d'une préparcellisation, la matrice de corrélation entre les profils de connectivité des sources est partitionnée. La parcellisation obtenue est alors mise à jour en testant la similarité des données de diffusion de part et d'autre des frontières de la préparcellisation. C'est à partir de ce résultat que nous contraignons spatialement le problème inverse MEG. Dans ce contexte, deux méthodes sont développées. La première consiste à partitionner l'espace des sources au regard de la parcellisation. L'activité corticale est alors obtenue sur un ensemble de parcelles. Afin de ne pas forcer les sources à avoir exactement la même intensité au sein d'une parcelle, nous développons une méthode alternative introduisant un nouveau terme de régularisation qui, lorsqu'il est minimisé, tend à ce que les sources d'une même parcelle aient des valeurs de reconstruction proches. Nos méthodes de reconstruction sont testées et validées sur des données simulées et réelles. Une application clinique dans le cadre du traitement de données de sujets épileptiques est également réalisée.

Rapporter 'j'ai vu le stimulus' est la marque de la vision consciente et implique deux caractéristiques fondamentales de l'expérience consciente, à savoir son aspect qualitatif et la subjectivité. L'aspect qualitatif correspond à la perception vive du stimulus, alors que la subjectivité correspond à la conscience implicite que j'ai fait l'expérience du stimulus. Afin de déterminer les bases neurales de la subjectivité, nous introduisons le concept de cadre neural subjectif ('neural subjective frame') qui correspond aux mécanismes biologiques définissant le sujet en tant qu'une entité biologique, un point d'ancrage à partir duquel des expressions relatives à l'expérience consciente à la première personne peuvent être formulées. De plus, je propose que la représentation neurale de l'information viscérale pourrait constituer ce cadre neural subjectif. Afin de tester expérimentalement cette hypothèse, à l'aide de la magnétoencéphalographie, nous avons enregistré les réponses neuronales aux battements cardiaques, pendant que les participants réalisaient une tâche de détection visuelle. Nous avons trouvé que les réponses neuronales aux battements cardiaques avant la présentation du stimulus, dans le cortex cingulaire ventral antérieur et le lobule postérieur intrapariétal droit, pouvaient prédire la détection d'un stimulus visuel de faible contraste. Les réponses neuronales aux battements cardiaques de plus forte amplitude s'accompagnaient d'un taux de détection et d'une sensibilité plus importants, sans changement du critère de décision. Ni les fluctuations des paramètres corporels ni l'excitabilité corticale générale ne semblent contribuer à ces résultats. Par ailleurs, le fait de voir consciemment le stimulus a ralenti le battement cardiaque après la réponse des participants et cet effet de décélération cardiaque pouvait être prédit par la réponse neuronale aux battements cardiaques du cortex cingulaire antérieur ventral, avant la présentation du stimulus. Ainsi, nos résultats sont en faveur de l’hypothèse selon laquelle la cartographie des afférents viscéraux façonne notre expérience subjective perceptive. Au-delà de la vision consciente, ces résultats suggèrent que les signaux internes du corps et leurs représentations neuronales peuvent être la source de fluctuations dans des aires corticales multi-fonctionnelles
Reporting “I saw the stimulus” is the hallmark of conscious vision and implies two fundamental characteristics of conscious experience, namely qualitativeness and subjectivity. Qualitativeness refers to the vivid feeling of the stimulus, whereas subjectivity refers to the implicit awareness that the experience occurred for me. To account for the neural basis of subjectivity, we introduce a concept termed the neural subjective frame which corresponds to the basic biological mechanisms defining the subject as a biological entity, as an anchoring point from which the first-person statements of conscious experience can be expressed. I further propose that neural representation of visceral information could constitute the neural subjective frame. To experimentally test this proposal, using magnetoencephalography, we recorded neural events locked to heartbeats while participants conducted visual detection task. We found that neural responses to heartbeats before stimulus onset in ventral anterior cingulate and right posterior intraparietal lobule could predict the detection of faint visual stimulus. Larger amplitude of neural responses to heartbeats were accompanied by enhanced hit-rate and sensitivity, but without changes in decision criterion. Neither fluctuations in measured bodily parameters nor in overall cortical excitability could account for this finding. In addition, consciously seeing the stimulus decelerated heartbeat after participants responded and the heartbeat slowing effect could be predicted from the prestimulus neural responses to heartbeats in ventral anterior cingulate cortex. Our findings therefore support the hypothesis that neural mapping of visceral afferents shape perceptual subjective experience. Beyond conscious vision, our findings suggest that signals from internal body and their neural representations could be sources of fluctuations in multi-functional cortical areas

Les oscillations jouent un rôle de premier plan dans la mise en place des réseaux cérébraux sains et pathologiques. En particulier, au niveau clinique, les activités oscillatoires sont d'une grande importance diagnostique en épilepsie. Par ailleurs, les méthodes non-invasives d'électrophysiologie sont particulièrement adaptées pour la compréhension des réseaux cérébraux à grande échelle. Cependant, la majorité des études en épilepsie a été dirigée vers les pointes intercritiques, qui sont des activités transitoires. Une question qui reste donc en suspens est le lien entre les pointes épileptiques et les activités oscillatoires épileptiques. Cette thèse a visé à résoudre deux problématiques complémentaires autour de cette question. La première problématique est la séparation adéquate entre les activités oscillatoires et transitoires. Il s'agit d'une tâche difficile surtout lors d'un grand chevauchement temporel, qui peut résulter en la contamination d'une activité par l'autre. Nous avons évaluée trois méthodes de filtrage : le filtre FIR (méthode classique), la transformé d'ondelette stationnaire et le filtrage parcimonieux par matching pursuit (MP, basé sur un dictionnaire). Sur des simulations, la SWT a donné de très bons résultats pour la reconstruction des transitoires et le MP pour les oscillations ; de plus, les deux méthodes ont donné un faible taux de faux positifs en détection automatique des oscillations. La SWT et le FIR ont donné les meilleurs résultats de filtrage sur les signaux réels, en particulier lors de la localisation de source
The Oscillatory activities play a leading role in the development of healthy and pathological brain networks. In particular, at the clinical level, the oscillatory activities are of great importance in the diagnostic of epilepsy. In addition, the non-invasive electrophysiology methods are particularly suitable for understanding the large-scale brain networks. However, most studies in epilepsy have been directed to the interictal spikes, which are transitional activities. One issue that remains unresolved is the relationship between epileptic spikes and epileptic oscillatory activities. This thesis resolves two complementary problems. The first one is the suitable separation between the oscillatory and transitory activity, which is quite sensitive to the presence of the overlap in the time-frequency domain. This can lead to a contamination between the activities. We did evaluate three filtering methods: the FIR (classic methods), the stationary wavelet SWT and the parsimonious filter with the matching pursuit MP. The SWT gave good results in the reconstruction of transient activity and the MP in the reconstruction of oscillatory activity both for simulated data; also they provide a low false positive in automatic detection of oscillatory activity. The SWT and FIR gave the best results on real signals especially for source localization. In the simulated data, the MP is optimal since the atoms of the dictionary resembles to the simulated signals, which isn't guaranteed for real signals. The second problem is the comparison between network connectivity of transient and oscillatory activity, as measured in surface recordings (MEG) and invasive recordings SEEG

La cécité précoce induit des modifications majeures dans l’architecture fonctionnelle du cerveau. Les lobes occipitaux ne traitent plus l’information visuelle mais vont désormais traiter les signaux auditifs et tactiles et participer à des fonctions cognitives telles que le langage et la mémoire. Cette nouvelle organisation fonctionnelle nous permet de mieux comprendre l’influence de l’expérience sensorielle sur le développement cérébral. Nous avons étudié cette réorganisation et certains de ses possibles déterminants. Tout d’abord, nous avons utilisé l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) pour identifier les régions du cortex visuel activées par différentes fonctions cognitives. Nous avons également montré que chacune de ces régions est fonctionnellement connectée au réseau cérébral qui sous-tend la fonction correspondante chez les sujets sains. Puis, nous avons réalisé une étude de la connectivité fonctionnelle chez des nouveau-nés, qui suggère que la connectivité innée du cortex visuel guide la réorganisation observée chez les aveugles. Ensuite, grâce à la magnétoencéphalographie (MEG), nous avons étudié la réorganisation de la représentation cérébrale du sens des mots. Chez les aveugles, l’accès au sens des mots a le même décours temporel que chez les sujets voyants, mais il recrute le cortex occipital en sus des régions habituelles. Enfin, nous avons observé une variabilité individuelle plus importante chez les aveugles dans l’organisation cérébrale du système sémantique. Nos résultats contribuent ainsi à la compréhension de la réorganisation cérébrale dans la cécité, et plus généralement du rôle de l’expérience perceptive dans le développement
Blindness early in life leads to major changes in the functional architecture of the brain. The occipital lobes, no longer processing visual information, turn to processing auditory and tactile input and high-order cognitive functions such as language and memory. This functional reorganization offers a window into the influence of experience on brain development in humans. We studied the outcomes of this reorganization and its potential precursors. First, we used functional magnetic resonance imaging (fMRI) in order to delineate regions in the visual cortex according to their sensitivity to high-order cognitive functions. Then, using functional connectivity, we demonstrated distinct connections from those regions to the rest of the brain. Crucially, we found a functional correspondence between the visual regions and their connected brain networks. Then, using functional connectivity in neonates, we provided preliminary evidence in support of the proposition that innate connectivity biases underlie functional reorganization. Second, we focused on language, one of the reorganized functions in blindness, and used magnetoencephalography (MEG) to investigate verbal semantic processing. We found temporally equivalent but spatially different activation across the blind and the sighted. In the blind, the occipital cortex had a unique contribution to semantic category discrimination. However, the cerebral implementation of semantic categories was more variable in the blind than in the sighted. Our results advance the knowledge about brain

La capacité à évaluer les résultats nos actions est fondamentale pour adapter et optimiser notre comportement et dépend d’un système superviseur chargé d’évaluer l’action, détecter les erreurs, déclencher des corrections.Le réseau neuronal sous-jacent la supervision de l’action n’a pas été complètement caractérisé chez l’homme.Dans une première étude nous avons enregistré dans l’Aire Motrice Supplémentaire (AMS) des LFP évoqués par les réponses et modulés par la performance. Des LFP évoqués exclusivement par les erreurs ont été enregistrés plus tardivement dans le cortex préfrontal médian.Dans la deuxième étude, nous avons observé que les activités de hautes-fréquences gamma sont, elles aussi, modulées par la performance des sujets, mais dans un vaste réseau frontal et extra-frontal.Dans une troisième étude, utilisant des enregistrements simultanés électroencéphalographiques (EEG) et magnétoencéphalographiques (MEG), nous observé une activité évoquée par un feedback interne sur l’EEG (mais pas en MEG), alors qu'une activité évoquée par le feedback externe était bien visible sur les enregistrements MEG, indiquant que les générateurs de ces deux activités cérébrales, sont différents. Nos résultats montrent une implication de l’AMSp dans la supervision de l’action chez l’homme, bien plus importante que ce que l’on soupçonnait auparavant. L’AMS évalue précocement, et de façon continue, l’action en cours et elle engage vraisemblablement des structures préfrontales en cas d’erreur seulement. Le traitement de l’erreur d’action, selon qu'il se fonde sur des informations internes ou externes est certainement sous-tendu par des réseaux corticaux différents
The capacity to evaluate the outcome of our actions is fundamental for adapting and optimizing behaviour. This capability depends on an action monitoring system in charge of assessing ongoing actions, detecting errors, and evaluating outcomes.Electrical brain activity evoked by negative outcomes is thought to originate within the medial part of the frontal cortex. Nonetheless, the underlying neuronal network is incompletely characterised in humans.In the two first studies, we investigated the anatomical substrates of action monitoring in humans using intracerebral local field potential (LFP) recordings of cerebral cortex from epileptic patients. Response evoked LFPs sensitive to outcome were recorded from the Supplementary Motor Area proper (SMA), while LFPs evoked exclusively by errors were recorded later in the medial prefrontal cortex. High-gamma-frequency activity (60-180 Hz) was modulated as a function of action outcome in a vast frontal and extra-frontal network.In a third study using simultaneous recording of electroencephalography (EEG) and magnetoencephalography (MEG), we found that error related activity was detected by EEG (but not by MEG), while feedback-related activity was detected by MEG, indicating that the sources of these two forms of outcome-modulated brain activity are different.To conclude the SMA is much more involved in action monitoring than previously thought. SMA rapidly and continuously assesses ongoing actions and likely engages more rostral prefrontal structures in the case of error. Processing of action errors and of negative externally delivered feedback therefore appears to be supported by distinct cortical networks

Le pouce opposable de la main joue un rôle essentiel dans le comportement humain, permettant une prise bien plus précise que celle des singes avec les pouces opposables. Comment le cerveau contrôle t-il les mains aussi précisément? Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié comment différentes régions du cerveau dédiées au contrôle moteur, en particulier le cortex moteur (M1) et l’aire motrice supplémentaire (AMS), contribuent à une pince pouce-index précise. Les résultats de nos études révèlent que des neurones dans l’AMS, en complément de ceux dans M1, communiquent directement avec les motoneurones de la moelle épinière contrôlant les muscles de la main. De plus, SMA communique aussi efficacement que M1 avec les muscles de la main, alors que chez le singe, celle avec M1 est plus efficace. Cette différence fonctionnelle dans la voie AMS-muscles entre le singe et l’Homme pourrait expliquer la plus grande capacité de ce dernier à contrôler finement la force produite par les doigts
The human hand's opposable thumb plays a large role in human behavior, allowing for a grip far more precise than that of monkeys with opposable thumbs. However, it isn't well understood how the brain controls the hands in such a precise way. In these studies, we investigate how different parts of the brain dedicated to motor tasks, in particular the motor cortex (M1) and the supplementary motor area (SMA), contribute to a precise thumb-index finger grip. Our experiments suggest that some neurons in the SMA, in addition to those well-described in M1, may connect directly to the motoneurons in the spinal cord controlling the hand muscles. Moreover, we found that SMA communicates with the hand muscles as efficiently as M1, while in monkeys, SMA communicates less efficiently than M1. This functional difference in the SMA-muscles pathway between monkey and human may account for the higher capacity of the latter to precisely control the force produced by digits

De nombreux phénomènes naturels sont trop complexes pour être pleinement reconnus par un seul instrument de mesure ou par une seule modalité. Par conséquent, le domaine de recherche de la multi-modalité a émergé pour mieux identifier les caractéristiques riches du phénomène naturel de la multi-propriété naturelle, en analysant conjointement les données collectées à partir d’uniques modalités, qui sont en quelque sorte complémentaires. Dans notre étude, le phénomène d’intérêt multi-propriétés est l’activité du cerveau humain et nous nous intéressons à mieux la localiser au moyen de ses propriétés électromagnétiques, mesurables de manière non invasive. En neurophysiologie, l’électroencéphalographie (EEG) et la magnétoencéphalographie (MEG) constituent un moyen courant de mesurer les propriétés électriques et magnétiques de l’activité cérébrale. Notre application dans le monde réel, à savoir le problème de reconstruction de source EEG / MEG, est un problème fondamental en neurosciences, allant des sciences cognitives à la neuropathologie en passant par la planification chirurgicale. Considérant que le problème de reconstruction de source EEG /MEG peut être reformulé en un système d’équations linéaires sous-déterminé, la solution (l’activité estimée de la source cérébrale) doit être suffisamment parcimonieuse pour pouvoir être récupérée de manière unique. La quantité de parcimonie est déterminée par les conditions dites de récupération. Cependant, dans les problèmes de grande dimension, les conditions de récupération conventionnelles sont extrêmement strictes. En regroupant les colonnes cohérentes d’un dictionnaire, on pourrait obtenir une structure plus incohérente. Cette stratégie a été proposée en tant que cadre d’identification de structure de bloc, ce qui aboutit à la segmentation automatique de l’espace source du cerveau, sans utiliser aucune information sur l’activité des sources du cerveau et les signaux EEG / MEG. En dépit du dictionnaire structuré en blocs moins cohérent qui en a résulté, la condition de récupération conventionnelle n’est plus en mesure de calculer la caractérisation de la cohérence. Afin de relever le défi mentionné, le cadre général des conditions de récupération exactes par bloc-parcimonie, comprenant trois conditions théoriques et une condition dépendante de l’algorithme, a été proposé. Enfin, nous avons étudié la multi-modalité EEG et MEG et montré qu’en combinant les deux modalités, des régions cérébrales plus raffinées sont apparues
Three main challenges have been addressed in this thesis, in three chapters.First challenge is about the ineffectiveness of some classic methods in high-dimensional problems. This challenge is partially addressed through the idea of clustering the coherent parts of a dictionary based on the proposed characterisation, in order to create more incoherent atomic entities in the dictionary, which is proposed as a block structure identification framework. The more incoherent atomic entities, the more improvement in the exact recovery conditions. In addition, we applied the mentioned clustering idea to real-world EEG/MEG leadfields to segment the brain source space, without using any information about the brain sources activity and EEG/MEG signals. Second challenge raises when classic recovery conditions cannot be established for the new concept of constraint, i.e., block-sparsity. Therefore, as the second research orientation, we developed a general framework for block-sparse exact recovery conditions, i.e., four theoretical and one algorithmic-dependent conditions, which ensure the uniqueness of the block-sparse solution of corresponding weighted mixed-norm optimisation problem in an underdetermined system of linear equations. The mentioned generality of the framework is in terms of the properties of the underdetermined system of linear equations, extracted dictionary characterisations, optimisation problems, and ultimately the recovery conditions. Finally, the combination of different information of a same phenomenon is the subject of the third challenge, which is addressed in the last part of dissertation with application to brain source space segmentation. More precisely, we showed that by combining the EEG and MEG leadfields and gaining the electromagnetic properties of the head, more refined brain regions appeared

The timing of sensory events is a crucial perceptual feature, which affects both explicit judgments of time (e.g. duration, temporal order) and implicit temporal perception (e.g. movement, speech). Yet, while the relative external timing between events is commonly evaluated with a clock in physics, the brain does not have access to this external reference. In this dissertation, we tested the hypothesis that the brain should recover the temporal information of the environment from its own dynamics. Using magnetoencephalography (MEG) combined with psychophysics, the experimental work suggests the involvement of cortical oscillations in the encoding of timing for perception. In the first part of this dissertation, we established that the phase of low-frequency cortical oscillations could encode the explicit timing of events in the context of entrainment, i.e. if neural activity follows the temporal regularities of the stimulation. The implications of brain oscillations for the encoding of timing in the absence of external temporal regularities were investigated in a second experiment. Results from a third experiment suggest that entrainment does only influence audiovisual temporal processing when bound to low-frequency dynamics in the delta range (1-2 Hz). In the last part of the dissertation, we tested whether oscillations in sensory cortex could also 'tag' the timing of acoustical features for speech perception. Overall, this thesis provides evidence that the brain is able to tune its timing to match the temporal structure of the environment, and that such tuning may be crucial to build up internal temporal reference frames for explicit and implicit timing perception.

Ce travail de Thèse traite des problèmes directs et inverses de la magnétoencéphalographie (MEG) et de l'électroencéphalographie (EEG). Trois thématiques y sont abordées. Le problème direct est traité à l'aide des méthodes d'éléments frontière. Une nouvelle formulation, dite formulation symétrique, est proposée. Cette nouvelle formulation est ensuite appliquée au problème de la tomographie par impédance électrique pour lequel deux algorithmes d'estimation de conductivité sont proposés. Le problème inverse est traité dans le cadre des méthodes image. Des techniques de régularisation d'image par processus de diffusion sont transposées au problème inverse pour contraindre la reconstruction de sources distribuées. Plusieurs algorithmes sont proposés dont un calculant la solution inverse de variation totale minimale.

The analysis of Human brain activity in magnetoencephalography (MEG) can be generally conducted in two ways: either by focusing on the average response evoked by a stimulus repeated over time, more commonly known as an ''event-related field'' (ERF), or by decomposing the signal into functionally relevant oscillatory or frequency bands (such as alpha, beta or gamma). However, the major part of brain activity is arrhythmic and these approaches fail in describing its complexity, particularly in resting-state. As an alternative, the analysis of the 1/f-type power spectrum observed in the very low frequencies, a hallmark of scale-free dynamics, can overcome these issues. Yet it remains unclear whether this scale-free property is functionally relevant and whether its fluctuations matter for behavior. To address this question, our first concern was to establish a visual learning paradigm that would entail functional plasticity during an MEG session. In order to optimize the training effects, we developed new audiovisual (AV) stimuli (an acoustic texture paired with a colored visual motion) that induced multisensory integration and indeed improved learning compared to visual training solely (V) or accompanied with acoustic noise (AVn). This led us to investigate the neural correlates of these three types of training using first a classical method such as the ERF analysis. After source reconstruction on each individual cortical surface using MNE-dSPM, the network involved in the task was identified at the group-level. The selective plasticity observed in the human motion area (hMT+) correlated across all individuals with the behavioral improvement and was supported by a larger network in AV comprising multisensory areas. On the basis of these findings, we further explored the links between the behavior and scale-free properties of these same source-reconstructed MEG signals. Although most studies restricted their analysis to the global measure of self-similarity (i.e. long-range fluctuations), we also considered local fluctuations (i.e. multifractality) by using the Wavelet Leader Based Multifractal Formalism (WLBMF). We found intertwined modulations of self-similarity and multifractality in the same cortical regions as those revealed by the ERF analysis. Most astonishing, the degree of multifractality observed in each individual converged during the training towards a single attractor that reflected the asymptotic behavioral performance in hMT+. Finally, these findings and their associated methodological issues are compared with the ones that came out from the ERF analysis.

Un des enjeux majeurs de la Psychologie Cognitive est de décrire les grandes fonctions mentales, notamment chez l’humain. Du point de vue neuroscientifique, il s’agit de modéliser l’activité cérébrale pour en extraire les éléments et mécanismes spatio-temporels susceptibles d’être mis en correspondance avec les opérations cognitives. Le travail de cette thèse a consisté à définir et mettre en œuvre des stratégies originales permettant de confronter les modèles cognitifs existants à des données issues d’enregistrements neurophysiologiques chez l’humain. Dans une première étude nous avons démontré que la distinction entre les organisations classiques de la dénomination de dessin sériel-parallèle, doit être adressée au niveau des essais uniques et non sur la moyenne des signaux. Nous avons conçu et mené l’analyse des signaux SEEG de 15 patients pour montrer que l’organisation temporelle de la dénomination de dessin n’est pas, au sens strict, parallèle. Dans une deuxième étude nous avons combiné trois techniques d’enregistrements : SEEG, EEG et MEG pour clarifier l’organisation spatiale des sources d’activité neuronales. Nous avons établi la faisabilité de l’enregistrement sur un patient qui exécute une tâche de perception visuelle. Au delà des corrélations entre les signaux moyens des trois techniques, cette analyse a révélé des corrélations au niveau des essais uniques. À travers deux approches expérimentales, cette thèse propose de nombreux développements méthodologiques et conceptuels originaux et pertinents. Ces contributions ouvrent de nouvelles perspectives à partir desquelles les signaux neurophysiologiques pourront informer les théories des Neurosciences Cognitives
A major issue in Cognitive Psychology is to describe human cognitive functions. From the Neuroscientific perceptive, measurements of brain activity are collected and processed in order to grasp, at their best resolution, the relevant spatio-temporal features of the signal that can be linked with cognitive operations. The work of this thesis consisted in designing and implementing strategies in order to overcome spatial and temporal limitations of signal processing procedures used to address cognitive issues. In a first study we demonstrated that the distinction between picture naming classical temporal organizations serial-parallel, should be addressed at the level of single trials and not on the averaged signals. We designed and conducted the analysis of SEEG signals from 5 patients to show that the temporal organization of picture naming involves a parallel processing architecture to a limited degree only. In a second study, we combined SEEG, EEG and MEG into a simultaneous trimodal recording session. A patient was presented with a visual stimulation paradigm while the three types of signals were simultaneously recorded. Averaged activities at the sensor level were shown to be consistent across the three techniques. More importantly a fine-grained coupling between the amplitudes of the three recording techniques is detected at the level of single evoked responses. This thesis proposes various relevant methodological and conceptual developments. It opens up several perspectives in which neurophysiological signals shall better inform Cognitive Neuroscientific theories

Cette thèse traite de problèmes inverses de sources dans deux cas : les sources fixes en 2D et 3D équations elliptiques et une source non-stationnaire dans une équation de diffusion. Dans le cadre de ce travail, nous considérons des sources ponctuelles (monopôles, dipôles et sources multipolaires) et des sources ayant support compact dans un nombre fini de petits sous-domaines qui modèlent les sources dans les problèmes EEG/MEG et le problème de tomographie par bioluminescence (BLT). Le but de cette thèse est de proposer des méthodes d’identification robustes qui permettent de déterminer leur nombre, leurs intensités et leurs positions. Des méthodes algébriques directes sont utilisées pour identifier les sources fixes et une méthode quasi-algébrique mélangée avec un problème d’optimisation est utilisé pour récupérer les sources avec des intensités variables dans le temps. Des résultats numériques sont effectués afin de mettre en évidence la robustesse de nos algorithmes d’identification
This thesis deals with inverse source problems in 2 cases : stationary sources in 2D and 3D elliptic equations and a non-stationary source in a diffusion equation. the main form of sources considered are pointwise sources (monopoles, dipoles and multipolar sources) having compact support within a finite number of small subdomains modeling EEG/MEG problems and Bioluminescence Tomography (BLT) problems. The purpose o this thesis is mainly to propose robust identification methods that enable us to reconstruct the number, the intensity and the location of the sources. Direct algebraic methods are used to identify the stationary siurces and a quasi-algebraic method mixed with an optimieation method is employed to recover sources with time-variable intensities. Numerical results are shown to prove the robustness of our identification algorithms

Selon la théorie actuellement la plus répandue, la négligence spatiale unilatérale (NSU) est considérée comme la conséquence d’une inattention sélective à l’hémichamp spatial controlatéral à la lésion cérébrale, le plus souvent l’hémichamp gauche. En effet, ces patients agissent comme s’ils ignoraient la moitié gauche du monde. Dans cette thèse nous avons réalisé un étude comportementale et un étude magnétoencéphalographique sur des patients porteurs de lésion hémisphérique droite atteints de NSU. Un test de détection de cibles latéralisées précédées par des indices qui restent affichés ou qui disparaissent de l’écran, nous a permis lors de l’étude comportementale, de mettre en évidence que le déficit de désengagement typiquement rencontré chez les patients NSU, est strictement lié à la présence d’objets en position ipsilésionnelle. Dans l’étude magnétoencéphalographique (MEG), nous avons pu étudier de plus prés les marqueurs élecrophysiologiques des processus cérébraux liés au traitement de cibles perçues par rapport aux cibles négligées. Ainsi pour les cibles omises, la présence d’un système intrinsèque pre-stimulus déjà perturbé et d’une inhibition active vers les phases plus tardives du traitement, ont été suggérés à la suite de l’analyse des données 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).

Environ 25% de la population mondiale est atteinte de troubles psychiatriques qui sont typiquement associés à des problèmes comportementaux, fonctionnels et/ou cognitifs et dont les corrélats neurophysiologiques sont encore très mal compris. Non seulement ces dysfonctionnements réduisent la qualité de vie des individus touchés, mais ils peuvent aussi devenir un fardeau pour les proches et peser lourd dans l’économie d’une société. Cibler les mécanismes responsables du fonctionnement atypique du cerveau en identifiant des biomarqueurs plus robustes permettrait le développement de traitements plus efficaces. Ainsi, le premier objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure caractérisation des changements dynamiques cérébraux impliqués dans les troubles mentaux, plus précisément dans la schizophrénie et les troubles d’humeur. Pour ce faire, les premiers chapitres de cette thèse présentent, en intégral, deux revues de littératures systématiques que nous avons menées sur les altérations de connectivité cérébrale, au repos, chez les patients schizophrènes, dépressifs et bipolaires. Ces revues révèlent que, malgré des avancées scientifiques considérables dans l’étude de l’altération de la connectivité cérébrale fonctionnelle, la dimension temporelle des mécanismes cérébraux à l’origine de l’atteinte de l’intégration de l’information dans ces maladies, particulièrement de la schizophrénie, est encore mal comprise. Par conséquent, le deuxième objectif de cette thèse est de caractériser les changements cérébraux associés à la schizophrénie dans le domaine temporel. Nous présentons deux études dans lesquelles nous testons l’hypothèse que la « disconnectivité temporelle » serait un biomarqueur important en schizophrénie. Ces études explorent les déficits d’intégration temporelle en schizophrénie, en quantifiant les changements de la dynamique neuronale dite invariante d’échelle à partir des données magnétoencéphalographiques (MEG) enregistrés au repos chez des patients et des sujets contrôles. En particulier, nous utilisons (1) la LRTCs (long-range temporal correlation, ou corrélation temporelle à longue-distance) calculée à partir des oscillations neuronales et (2) des analyses multifractales pour caractériser des modifications de l’activité cérébrale arythmique. Par ailleurs, nous développons des modèles de classification (en apprentissage-machine supervisé) pour mieux cerner les attributs corticaux et sous-corticaux permettant une distinction robuste entre les patients et les sujets sains. Vu que ces études se basent sur des données MEG spontanées enregistrées au repos soit avec les yeux ouvert, ou les yeux fermées, nous nous sommes par la suite intéressés à la possibilité de trouver un marqueur qui combinerait ces enregistrements. La troisième étude originale explore donc l’utilité des modulations de l’amplitude spectrale entre yeux ouverts et fermées comme prédicteur de schizophrénie. Les résultats de ces études démontrent des changements cérébraux importants chez les patients schizophrènes au niveau de la dynamique d’invariance d’échelle. Elles suggèrent une dégradation du traitement temporel de l’information chez les patients, qui pourrait être liée à leurs symptômes cognitifs et comportementaux. L’approche multimodale de cette thèse, combinant la magétoencéphalographie, analyses non-linéaires et apprentissage machine, permet de mieux caractériser l’organisation spatio-temporelle du signal cérébrale au repos chez les patients atteints de schizophrénie et chez des individus sains. Les résultats fournissent de nouvelles preuves supportant l’hypothèse d’une « disconnectivité temporelle » en schizophrénie, et étendent les recherches antérieures, en explorant la contribution des structures cérébrales profondes et en employant des mesures non-linéaires avancées encore sous-exploitées dans ce domaine. L’ensemble des résultats de cette thèse apporte une contribution significative à la quête de nouveaux biomarqueurs de la schizophrénie et démontre l’importance d’élucider les altérations des propriétés temporelles de l’activité cérébrales intrinsèque en psychiatrie. Les études présentées offrent également un cadre méthodologique pouvant être étendu à d’autres psychopathologie, telles que la dépression.
Psychiatric disorders affect nearly a quarter of the world’s population. These typically bring about debilitating behavioural, functional and/or cognitive problems, for which the underlying neural mechanisms are poorly understood. These symptoms can significantly reduce the quality of life of affected individuals, impact those close to them, and bring on an economic burden on society. Hence, targeting the baseline neurophysiology associated with psychopathologies, by identifying more robust biomarkers, would improve the development of effective treatments. The first goal of this thesis is thus to contribute to a better characterization of neural dynamic alterations in mental health illnesses, specifically in schizophrenia and mood disorders. Accordingly, the first chapter of this thesis presents two systematic literature reviews, which investigate the resting-state changes in brain connectivity in schizophrenia, depression and bipolar disorder patients. Great strides have been made in neuroimaging research in identifying alterations in functional connectivity. However, these two reviews reveal a gap in the knowledge about the temporal basis of the neural mechanisms involved in the disruption of information integration in these pathologies, particularly in schizophrenia. Therefore, the second goal of this thesis is to characterize the baseline temporal neural alterations of schizophrenia. We present two studies for which we hypothesize that the resting temporal dysconnectivity could serve as a key biomarker in schizophrenia. These studies explore temporal integration deficits in schizophrenia by quantifying neural alterations of scale-free dynamics using resting-state magnetoencephalography (MEG) data. Specifically, we use (1) long-range temporal correlation (LRTC) analysis on oscillatory activity and (2) multifractal analysis on arrhythmic brain activity. In addition, we develop classification models (based on supervised machine-learning) to detect the cortical and sub-cortical features that allow for a robust division of patients and healthy controls. Given that these studies are based on MEG spontaneous brain activity, recorded at rest with either eyes-open or eyes-closed, we then explored the possibility of finding a distinctive feature that would combine both types of resting-state recordings. Thus, the third study investigates whether alterations in spectral amplitude between eyes-open and eyes-closed conditions can be used as a possible marker for schizophrenia. Overall, the three studies show changes in the scale-free dynamics of schizophrenia patients at rest that suggest a deterioration of the temporal processing of information in patients, which might relate to their cognitive and behavioural symptoms. The multimodal approach of this thesis, combining MEG, non-linear analyses and machine-learning, improves the characterization of the resting spatiotemporal neural organization of schizophrenia patients and healthy controls. Our findings provide new evidence for the temporal dysconnectivity hypothesis in schizophrenia. The results extend on previous studies by characterizing scale-free properties of deep brain structures and applying advanced non-linear metrics that are underused in the field of psychiatry. The results of this thesis contribute significantly to the identification of novel biomarkers in schizophrenia and show the importance of clarifying the temporal properties of altered intrinsic neural dynamics. Moreover, the presented studies offer a methodological framework that can be extended to other psychopathologies, such as depression.