Les personnes atteintes de schizophrénie peuvent présenter un sommeil anormal même lorsqu’elles sont stables cliniquement sous traitements pharmacologiques. Les études présentées dans cette thèse ont pour but de mesurer le sommeil afin de mieux comprendre les dysfonctions des mécanismes cérébraux pouvant être impliqués dans la physiopathologie de la schizophrénie. Les trois études présentées dans cette thèse rapportent des résultats sur le sommeil dans la schizophrénie à trois niveaux d’analyse chez trois groupes différents de patients. Le premier niveau est subjectif et décrit le sommeil à l’aide d’un questionnaire administré chez des personnes atteintes de schizophrénie cliniquement stables sous traitements pharmacologiques. Le deuxième niveau est objectif et évalue le sommeil par une méta-analyse des études polysomnographiques chez des patients atteints de schizophrénie ne recevant pas de traitement pharmacologique. Le troisième niveau est micro-structurel et utilise l’analyse spectrale de l’électroencéphalogramme (EEG) afin de caractériser le sommeil paradoxal de patients en premier épisode aigu de schizophrénie avant le début du traitement pharmacologique. La première étude montre que, lorsqu’évaluées par un questionnaire de sommeil, les personnes atteintes de schizophrénie cliniquement stables sous traitements pharmacologiques rapportent prendre plus de temps à s’endormir, se coucher plus tôt et se lever plus tard, passer plus de temps au lit et faire plus de siestes comparativement aux participants sains. Aussi, tout comme les participants sains, les personnes atteintes de schizophrénie rapportent un nombre normal d’éveils nocturnes, se disent normalement satisfaites de leur sommeil et se sentent normalement reposées au réveil. La deuxième étude révèle qu’objectivement, lorsque les études polysomnographiques effectuées chez des patients non traités sont soumises à une méta-analyse, les personnes atteintes de schizophrénie montrent une augmentation du délai d’endormissement, une diminution du temps total en sommeil, une diminution de l’efficacité du sommeil et une augmentation de la durée des éveils nocturnes comparativement aux participants sains. Les patients en arrêt aigu de traitement ont des désordres plus sévères au niveau de ces variables que les patients jamais traités. Seulement les patients jamais traités ont une diminution du pourcentage de stade 2 comparativement aux participants sains. La méta-analyse ne révèle pas de différence significative entre les groupes en ce qui concerne le sommeil lent profond et le sommeil paradoxal. La troisième étude, portant sur l’analyse spectrale de l’EEG en sommeil paradoxal, montre une diminution de l’amplitude relative de la bande de fréquence alpha dans les régions frontales, centrales et temporales et montre une augmentation de l’amplitude relative de la bande de fréquence bêta2 dans la région occipitale chez les personnes en premier épisode de schizophrénie jamais traitées comparativement aux participants sains. L’activité alpha absolue est positivement corrélée aux symptômes négatifs dans les régions frontales, centrales et temporales et négativement corrélée aux symptômes positifs dans la région occipitale. L’activité beta2 absolue ne montre pas de corrélation significative avec les symptômes positifs et négatifs de la schizophrénie. Ces résultats sont discutés suivant la possibilité que des dysfonctions au niveau des mécanismes de la vigilance seraient impliquées dans la physiopathologie de la schizophrénie. / Patients with schizophrenia may have an abnormal sleep even when clinically stable under pharmacological treatments. In the present thesis, sleep studies aim at measuring central nervous system dysfunctions that can be involved in the pathophysiology of schizophrenia. The present thesis includes three studies. These studies report results on sleep in patients with schizophrenia in a three levels analysis with three different groups of patients. The first level is subjective and describes sleep habits using a questionnaire administered to outpatients with schizophrenia clinically stable under pharmacological treatments. The second level of analysis is objective and evaluates sleep architecture using a meta-analysis of polysomnographic studies in untreated patients with schizophrenia. The third level is microstructural and uses electroencephalogram (EEG) spectral analysis to characterize REM sleep in never-treated patients with first-episode schizophrenia. The first study shows that, when evaluated using a sleep habits questionnaire, outpatients with schizophrenia clinically stable under pharmacological treatments report increased time to fall asleep, have earlier bedtime, later risetime, spend more time in bed and do more naps compared to healthy participants. Also, similarly to healthy participants, most patients with schizophrenia report normal wake time after sleep onset, are normally satisfied about their sleep and feel normally refreshed in the morning. The second study reveals that, objectively, when polysomnographic studies evaluating untreated patients with schizophrenia are submitted to a meta-analysis, patients with schizophrenia have increased sleep latency, reduced total sleep time, reduced sleep efficiency and increased wake time after sleep onset compared to healthy participants. Patients in acute drug withdrawal show more severe sleep disturbances in these variables compared to never treated patients. Only never treated patients show decreased stage 2 sleep duration compared to healthy participants. The meta-analysis does not reveal significant differences between groups in regards to slow wave sleep and paradoxical sleep variables. The third study about REM sleep EEG spectral analysis shows decreased relative alpha spectral amplitude in frontal, central and temporal cortical regions and increased relative beta2 spectral amplitude in the occipital region in never treated patients with first-episode schizophrenia compared to healthy participants. Absolute alpha spectral amplitude correlates positively with negative symptoms in the frontal, central and temporal regions and negatively with positive symptoms in the occipital region. No significant correlation has been observed between beta2 spectral amplitude and clinical symptoms of schizophrenia. These results are discussed following the possibility that dysfunctions in the mechanisms of vigilance would be involved in the pathophysiology of schizophrenia.

Les populations neuronales ont la capacité de s’organiser en réseaux qui produisent spontanément différents patterns d’activité électrique coordonnée. Au travers de leur activité synchrone, les réseaux immatures combinent les informations génétiques et les influences environnementales et contrôlent plusieurs processus neuro-développementaux dont la plasticité synaptique. Pendant le développement prénatal et post-natal précoce, ces activités électriques synchrones peuvent être générées au sein des cortex sensoriels eux-mêmes, des structures sous-corticales ou être évoquées par l’activité des organes sensoriels, elle-même spontanée ou provoquée par les stimuli sensoriels. Dans des travaux antérieurs, nous avons montré qu’un pattern EEG typique du prématuré, le « Delta-brush » (DB), qui associe une onde lente et des oscillations rapides, pouvait être évoqué dans les cortex primaires sensori-moteur, visuel et auditif par les mouvements spontanés et par les stimuli sensoriels correspondants. L’objectif de la présente étude, dédiée aux réponses corticales aux stimuli auditifs (click), était de préciser les caractéristiques spatio-temporelles des DBs évoqués ainsi que leur rapport avec des potentiels évoqués auditifs corticaux. Pour cela, les enregistrements EEG ont été réalisés en haute résolution (32 électrodes) chez 30 nouveau-nés prématurés de 30 à 38 semaines d’âge gestationnel sans risque neurologique et la position des électrodes a été recalée sur des IRM 3D acquises chez d’autres prématurés représentatifs des âges étudiés. L’analyse de population a montré une augmentation significative de la puissance spectrale après le stimulus dans toutes les bandes de fréquence allant du delta à gamma et située au niveau de la partie moyenne et postérieure du lobe temporal. Ces réponses du cortex temporal avaient une prédominance droite, étaient plus amples dans le sommeil calme et diminuaient en puissance avec l’âge. Le moyennage des réponses EEG a révélé que la composante lente du DB était une onde lente négative de grande amplitude qui culminait dans les régions temporales moyenne et postérieure à environ 550 et 700 ms respectivement. L’analyse temps-fréquence a confirmé la présence d’oscillations rapides dont les oscillations gamma, à partir du pic de l’onde lente et cohabitant avec cette dernière durant environ 700 ms. Ces résultats suggèrent que le DB évoqué par les stimuli auditifs correspond en fait à la composante lente tardive du potentiel évoqué auditif cortical du prématuré et qu’il regroupe des oscillations dans toutes les bandes de fréquence, gamma y compris, fréquence identifiée ici pour la première fois en réponse à un stimulus sensoriel chez le prématuré humain. Nous avons obtenu des résultats préliminaires similaires aussi dans une autre modalité sensorielle ; l’activité oscillatoire du DB évoqué contribue donc probablement à la maturation des cartes corticales et représente un biomarqueur potentiel du fonctionnement normal des cortex sensoriels chez le prématuré. / At the early developmental stages, during the third trimester of gestation in humans and the first post-natal weeks in rodents, sensory neocortical areas reveal similar patterns of spontaneous correlated neuronal activity. In vitro and in vivo experiments indicate that these spontaneous activities are generated from neuronal networks in the cerebral cortex, in subcortical structures or in the sensory periphery (retina, limb jerks, whiskers). Spontaneous, periphery-driven and also sensory evoked activity is relayed to the developing cerebral cortex via the thalamus and the neocortical subplate, which amplifies the afferent sensory input. The patterns of sensory evoked activity were extensively studied in rodents, but in humans their spatiotemporal dynamics still remain elusive. In humans this developmental process happens during the second half of gestation: the major growing afferents from the thalamus spread within the transient subplate zone, relocate in the cortical plate, and form functional synapses with both transient and permanent neuronal populations. Characteristic immature activity patterns of “delta-brushes” (DBs) have been reported in the preterm temporal cortex following auditory stimuli. However, the spatiotemporal dynamics of these auditory-evoked DBs remain elusive. Here, we explored the electrophysiological responses evoked by click stimuli using 32-electrode EEG recordings in thirty premature infants from 30 to 38 postmenstrual weeks (PMW) of age. Electrodes position was digitalized and registered to 3D reconstructions of preterm heads and brains computed from MRI images of other age-matched groups. Population power spectrum analysis within the 2 seconds after stimulation revealed significant increase in all frequency bands from delta to gamma, located on the middle and posterior temporal regions with a right predominance and higher power increase in the quiet sleep. Time-frequency wavelet analysis also showed fast oscillations including gamma that begin at the peak of the delta waves and co-occur with it during a period of around 700 ms. Power of auditory evoked responses significantly decreased from 30 to 38 WPM in delta to alpha bands. These are the first report of gamma oscillations in preterm sensory evoked responses. Furthermore, average cortical auditory evoked potentials (CAEP) (processed with a mean reference and a 0.16 Hz high-pass filter) revealed high amplitude delta negative waves peaking successively from the middle to posterior temporal regions at around 550 and 700 ms. Altogether these results suggest that the auditory-evoked DBs in premature infants are a slow late component of the CAEP covering temporal regions and grouping fast oscillations notably gamma oscillations.

L'objectif de ce travail est de développer une méthode capable de déterminer automatiquement l'état de vigilance chez l'humain. Les applications envisageables sont multiples. Une telle méthode permettrait par exemple de détecter automatiquement toute modification de l'état de vigilance chez des personnes qui doivent rester dans un état de vigilance élevée (par exemple, les pilotes ou les personnels médicaux).Dans ce travail, les signaux électroencéphalographiques (EEG) de 58 sujets dans deux états de vigilance distincts (état de vigilance haut et bas) ont été recueillis à l'aide d'un casque à 58 électrodes posant ainsi un problème de classification binaire. Afin d'envisager une utilisation de ces travaux sur une application du monde réel, il est nécessaire de construire une méthode de prédiction qui ne nécessite qu'un faible nombre de capteurs (électrodes) afin de limiter le temps de pose du casque à électrodes ainsi que son coût. Au cours de ces travaux de thèse, plusieurs approches ont été développées. Une première approche propose d'utiliser un pré-traitement des signaux EEG basé sur l'utilisation d'une décomposition en ondelettes discrète des signaux EEG afin d'extraire les contributions de chaque fréquence dans le signal. Une régression linéaire est alors effectuée sur les contributions de certaines de ces fréquences et la pente de cette régression est conservée. Un algorithme génétique est utilisé afin d'optimiser le choix des fréquences sur lesquelles la régression est réalisée. De plus, cet algorithme génétique permet la sélection d'une unique électrode.Une seconde approche est basée sur l'utilisation du Common Spatial Pattern (CSP). Cette méthode permet de définir des combinaisons linéaires des variables initiales afin d'obtenir des signaux synthétiques utiles pour la tâche de classification. Dans ce travail, un algorithme génétique ainsi que des méthodes de recherche séquentielle ont été proposés afin de sélectionner un sous groupes d'électrodes à conserver lors du calcul du CSP.Enfin, un algorithme de CSP parcimonieux basé sur l'utilisation des travaux existant sur l'analyse en composantes principales parcimonieuse a été développé.Les résultats de chacune des approches sont détaillés et comparés. Ces travaux ont aboutit sur l'obtention d'un modèle permettant de prédire de manière rapide et fiable l'état de vigilance d'un nouvel individu. / The aim of this work is to develop a method able to automatically determine the alertness state of humans. Such a task is relevant to diverse domains, where a person is expected or required to be in a particular state. For instance, pilots, security personnel or medical personnel are expected to be in a highly alert state, and this method could help to confirm this or detect possible problems. In this work, electroencephalographic data (EEG) of 58 subjects in two distinct vigilance states (state of high and low alertness) were collected via a cap with $58$ electrodes. Thus, a binary classification problem is considered. In order to use of this work on a real-world applications, it is necessary to build a prediction method that requires only a small number of sensors (electrodes) in order to minimize the time needed by the cap installation and the cap cost. During this thesis, several approaches have been developed. A first approach involves use of a pre-processing method for EEG signals based on the use of a discrete wavelet decomposition in order to extract the energy of each frequency in the signal. Then, a linear regression is performed on the energies of some of these frequencies and the slope of this regression is retained. A genetic algorithm (GA) is used to optimize the selection of frequencies on which the regression is performed. Moreover, the GA is used to select a single electrode .A second approach is based on the use of the Common Spatial Pattern method (CSP). This method allows to define linear combinations of the original variables to obtain useful synthetic signals for the task classification. In this work, a GA and a sequential search method have been proposed to select a subset of electrode which are keep in the CSP calculation.Finally, a sparse CSP algorithm, based on the use of existing work in the sparse principal component analysis, was developed.The results of the different approaches are detailed and compared. This work allows us to obtaining a reliable model to obtain fast prediction of the alertness of a new individual.

Les personnes atteintes de schizophrénie peuvent présenter un sommeil anormal même lorsqu’elles sont stables cliniquement sous traitements pharmacologiques. Les études présentées dans cette thèse ont pour but de mesurer le sommeil afin de mieux comprendre les dysfonctions des mécanismes cérébraux pouvant être impliqués dans la physiopathologie de la schizophrénie. Les trois études présentées dans cette thèse rapportent des résultats sur le sommeil dans la schizophrénie à trois niveaux d’analyse chez trois groupes différents de patients. Le premier niveau est subjectif et décrit le sommeil à l’aide d’un questionnaire administré chez des personnes atteintes de schizophrénie cliniquement stables sous traitements pharmacologiques. Le deuxième niveau est objectif et évalue le sommeil par une méta-analyse des études polysomnographiques chez des patients atteints de schizophrénie ne recevant pas de traitement pharmacologique. Le troisième niveau est micro-structurel et utilise l’analyse spectrale de l’électroencéphalogramme (EEG) afin de caractériser le sommeil paradoxal de patients en premier épisode aigu de schizophrénie avant le début du traitement pharmacologique. La première étude montre que, lorsqu’évaluées par un questionnaire de sommeil, les personnes atteintes de schizophrénie cliniquement stables sous traitements pharmacologiques rapportent prendre plus de temps à s’endormir, se coucher plus tôt et se lever plus tard, passer plus de temps au lit et faire plus de siestes comparativement aux participants sains. Aussi, tout comme les participants sains, les personnes atteintes de schizophrénie rapportent un nombre normal d’éveils nocturnes, se disent normalement satisfaites de leur sommeil et se sentent normalement reposées au réveil. La deuxième étude révèle qu’objectivement, lorsque les études polysomnographiques effectuées chez des patients non traités sont soumises à une méta-analyse, les personnes atteintes de schizophrénie montrent une augmentation du délai d’endormissement, une diminution du temps total en sommeil, une diminution de l’efficacité du sommeil et une augmentation de la durée des éveils nocturnes comparativement aux participants sains. Les patients en arrêt aigu de traitement ont des désordres plus sévères au niveau de ces variables que les patients jamais traités. Seulement les patients jamais traités ont une diminution du pourcentage de stade 2 comparativement aux participants sains. La méta-analyse ne révèle pas de différence significative entre les groupes en ce qui concerne le sommeil lent profond et le sommeil paradoxal. La troisième étude, portant sur l’analyse spectrale de l’EEG en sommeil paradoxal, montre une diminution de l’amplitude relative de la bande de fréquence alpha dans les régions frontales, centrales et temporales et montre une augmentation de l’amplitude relative de la bande de fréquence bêta2 dans la région occipitale chez les personnes en premier épisode de schizophrénie jamais traitées comparativement aux participants sains. L’activité alpha absolue est positivement corrélée aux symptômes négatifs dans les régions frontales, centrales et temporales et négativement corrélée aux symptômes positifs dans la région occipitale. L’activité beta2 absolue ne montre pas de corrélation significative avec les symptômes positifs et négatifs de la schizophrénie. Ces résultats sont discutés suivant la possibilité que des dysfonctions au niveau des mécanismes de la vigilance seraient impliquées dans la physiopathologie de la schizophrénie. / Patients with schizophrenia may have an abnormal sleep even when clinically stable under pharmacological treatments. In the present thesis, sleep studies aim at measuring central nervous system dysfunctions that can be involved in the pathophysiology of schizophrenia. The present thesis includes three studies. These studies report results on sleep in patients with schizophrenia in a three levels analysis with three different groups of patients. The first level is subjective and describes sleep habits using a questionnaire administered to outpatients with schizophrenia clinically stable under pharmacological treatments. The second level of analysis is objective and evaluates sleep architecture using a meta-analysis of polysomnographic studies in untreated patients with schizophrenia. The third level is microstructural and uses electroencephalogram (EEG) spectral analysis to characterize REM sleep in never-treated patients with first-episode schizophrenia. The first study shows that, when evaluated using a sleep habits questionnaire, outpatients with schizophrenia clinically stable under pharmacological treatments report increased time to fall asleep, have earlier bedtime, later risetime, spend more time in bed and do more naps compared to healthy participants. Also, similarly to healthy participants, most patients with schizophrenia report normal wake time after sleep onset, are normally satisfied about their sleep and feel normally refreshed in the morning. The second study reveals that, objectively, when polysomnographic studies evaluating untreated patients with schizophrenia are submitted to a meta-analysis, patients with schizophrenia have increased sleep latency, reduced total sleep time, reduced sleep efficiency and increased wake time after sleep onset compared to healthy participants. Patients in acute drug withdrawal show more severe sleep disturbances in these variables compared to never treated patients. Only never treated patients show decreased stage 2 sleep duration compared to healthy participants. The meta-analysis does not reveal significant differences between groups in regards to slow wave sleep and paradoxical sleep variables. The third study about REM sleep EEG spectral analysis shows decreased relative alpha spectral amplitude in frontal, central and temporal cortical regions and increased relative beta2 spectral amplitude in the occipital region in never treated patients with first-episode schizophrenia compared to healthy participants. Absolute alpha spectral amplitude correlates positively with negative symptoms in the frontal, central and temporal regions and negatively with positive symptoms in the occipital region. No significant correlation has been observed between beta2 spectral amplitude and clinical symptoms of schizophrenia. These results are discussed following the possibility that dysfunctions in the mechanisms of vigilance would be involved in the pathophysiology of schizophrenia.

L'objectif de ce travail est de développer une méthode capable de déterminer automatiquement l'état de vigilance chez l'humain. Les applications envisageables sont multiples. Une telle méthode permettrait par exemple de détecter automatiquement toute modification de l'état de vigilance chez des personnes qui doivent rester dans un état de vigilance élevée (par exemple, les pilotes ou les personnels médicaux).Dans ce travail, les signaux électroencéphalographiques (EEG) de 58 sujets dans deux états de vigilance distincts (état de vigilance haut et bas) ont été recueillis à l'aide d'un casque à 58 électrodes posant ainsi un problème de classification binaire. Afin d'envisager une utilisation de ces travaux sur une application du monde réel, il est nécessaire de construire une méthode de prédiction qui ne nécessite qu'un faible nombre de capteurs (électrodes) afin de limiter le temps de pose du casque à électrodes ainsi que son coût. Au cours de ces travaux de thèse, plusieurs approches ont été développées. Une première approche propose d'utiliser un pré-traitement des signaux EEG basé sur l'utilisation d'une décomposition en ondelettes discrète des signaux EEG afin d'extraire les contributions de chaque fréquence dans le signal. Une régression linéaire est alors effectuée sur les contributions de certaines de ces fréquences et la pente de cette régression est conservée. Un algorithme génétique est utilisé afin d'optimiser le choix des fréquences sur lesquelles la régression est réalisée. De plus, cet algorithme génétique permet la sélection d'une unique électrode.Une seconde approche est basée sur l'utilisation du Common Spatial Pattern (CSP). Cette méthode permet de définir des combinaisons linéaires des variables initiales afin d'obtenir des signaux synthétiques utiles pour la tâche de classification. Dans ce travail, un algorithme génétique ainsi que des méthodes de recherche séquentielle ont été proposés afin de sélectionner un sous groupes d'électrodes à conserver lors du calcul du CSP.Enfin, un algorithme de CSP parcimonieux basé sur l'utilisation des travaux existant sur l'analyse en composantes principales parcimonieuse a été développé.Les résultats de chacune des approches sont détaillés et comparés. Ces travaux ont aboutit sur l'obtention d'un modèle permettant de prédire de manière rapide et fiable l'état de vigilance d'un nouvel individu.

Les émotions des êtres humains changent régulièrement et parfois de manière brusque entrainant un changement de l’état mental c’est-à-dire de l’aptitude cérébrale à fonctionner normalement. Il en résulte une capacité cognitive (ou état cognitif) de l’individu à pouvoir raisonner, accéder à la mémoire, ou effectuer des déductions, variable selon l’état mental. Ceci affecte, en conséquence, les performances des utilisateurs qui varient en fonction de leurs état cognitifs. Cette thèse vise à optimiser l’état cognitif d’un utilisateur lors de ses interactions avec un environnement virtuel. Comme cet état dépend des émotions, l’optimisation de l’état cognitif peut être réalisée à travers l’optimisation des émotions et en particulier la réduction des émotions négatives. Une première partie concerne les moyens de mesurer en temps réel (par un Module de mesures) l’état émotionnel et mental d’un utilisateur lors de ses interactions avec un environnement virtuel. Nous avons réalisé pour cela quatre études expérimentales avec quatre environnements différents. Nous avons montré que ces mesures peuvent être réalisées en utilisant différents capteurs physiologiques. Nous avons aussi montré qu’il est possible de prédire la tendance de l’excitation (un état mental) à partir d’un traceur de regard. Dans une deuxième partie, nous présentons l’Agent Neural qui modifie les environnements virtuels afin de provoquer une modification de l’état émotionnel d’un utilisateur pour améliorer son état cognitif. Nous avons réalisé quatre études expérimentales avec quatre environnements virtuels, où l’Agent Neural intervient dans ces environnements afin de changer l’état émotionnel de l’utilisateur. Nous avons montré que l’agent est capable d’intervenir dans plusieurs types d’environnements et de modifier les émotions de l’utilisateur. Dans une troisième partie, présentons l’Agent Limbique, qui personnalise et améliore les adaptations faites par l’Agent Neural à travers l’observation et l’apprentissage des impacts des changements des environnements virtuels et des réactions émotionnelles des utilisateurs. Nous avons montré que cet agent est capable d’analyser les interventions de l’Agent Neural et de les modifier. Nous avons montré aussi que l’Agent Limbique est capable de générer une nouvelle règle d’intervention et de prédire son impact sur l’utilisateur. La combinaison du Module de mesures, de l’Agent Neural, et de l’Agent Limbique, nous a permis de créer un système de contrôle cognitif intelligent que nous avons appelé Système Limbique Digital. / The human’s emotions change regularly and sometimes suddenly leading to changes in their mental state which is the brain’s ability to function normally. This mental state’s changes affect the users’ cognitive ability (or cognitive state) to reason, access memory, or make inferences, which varies depending on the mental state. Consequently, this affects the users’ performances which varies according to their cognitive states. This thesis aims to optimize the users’ cognitive state during their interactions with a virtual environment. Since this state depends on emotions, optimization of cognitive state can be achieved through the optimization of emotions and in particular the reduction of negative emotions. In a first part, we present the means of measuring in real time (using a Measuring module) the users’ emotional and mental state during their interactions with a virtual environment. We performed four experimental studies with four different environments. We have shown that these measurements can be performed using different physiological sensors. We have also shown that it is possible to predict the tendency of excitement (a mental state) using an eye tracker. In a second part, we present the Neural Agent which modifies virtual environments to provoke a modification on the users’ emotional state in order to improve their cognitive state. We performed four experimental studies with four virtual environments, in which the Neural Agent intervenes in these environments to change the users’ emotional state. We have shown that the agent is able to intervene in several types of environments and able to modify the users’ emotions. In a third part, we present the Limbic Agent, which personalizes and improves the adaptations performed by the Neural Agent through the observation and the learning from the virtual environments changes’ impacts and the users’ emotional reactions. We have shown that this agent is able to analyze the Neural Agent’s interventions and able to modify them. We have also shown that the Limbic Agent is able to generate a new intervention rule and predict its impact on the user. The combination of the Measuring Module, the Neural Agent, and the Limbic Agent, allowed us to create an intelligent cognitive control system that we called the Digital Limbic System.

Thèse de doctorat présentée en vue de l'obtention du doctorat en psychologie - recherche intervention, option neuropsychologie clinique (Ph.D) / Les oscillations endogènes cérébrales sont associées à des fonctions cognitives spécifiques et jouent un rôle important dans la communication entre les différentes régions corticales et sous-corticales. Les rythmes alpha (8-12 Hz) et bêta (13-30 Hz) ont été observés de façon dominante dans les aires sensorimotrices, avec des moyennes de fréquence autour de 10 et 20 Hz, et jouent un rôle dans les fonctions motrices. Ces oscillations cérébrales peuvent être entrainées par une stimulation externe, notamment par la stimulation électrique transcrânienne par courant alternatif (SEtCA). Ainsi, la SEtCA de 10 et 20 Hz a un effet sur certaines mesures physiologiques comme l’excitabilité corticospinale et la puissance des oscillations via la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) et l’électroencéphalogramme (EEG), respectivement. Toutefois, les effets post-stimulation sont variables et parfois incohérents. De plus, à ce jour, aucune étude n’a mesuré les effets physiologiques d’une stimulation bilatérale sensorimotrice tant sur l’activité locale que sur l’interaction entre les deux aires sensorimotrices. Les articles composant le présent ouvrage visent à explorer les effets post-stimulation de deux fréquences de stimulation, soit 10 Hz et 20 Hz, sur les régions sensorimotrices à l’aide d’un montage SEtCA bilatéral. Ce travail de recherche s’est effectué à travers une revue de la littérature ainsi que deux études avec des paramètres méthodologiques relativement similaires, mais avec des mesures différentes et complémentaires de SMT et d’EEG. L’article 1 sert d’assise à la pertinence de l’évaluation de la connectivité entre le cortex moteur et les différentes aires du cerveau. Cet excursus recense et décrit les différents protocoles de stimulation magnétique pairée qui ont été développés au cours des dernières années afin d’évaluer la connectivité effective entre les aires sensorimotrices du cerveau. L’article 2 montre que la SEtCA bilatérale à 10 Hz a permis de réduire l’excitabilité corticospinale via la SMT après la stimulation. La fréquence bêta de 20 Hz n’a cependant mené à aucun changement. De plus, la SEtCA n’a pas modulé de façon significative les mesures d’interaction entre les régions sensorimotrices, telles l’inhibition interhémisphérique et les mouvements miroirs physiologiques. Dans l’article 3, les résultats démontrent que la SEtCA bilatérale à 10 et 20 Hz appliquée sur les aires sensorimotrices peut modifier la puissance des oscillations alpha et bêta après la stimulation. Notons que les résultats étaient associés à une variabilité interindividuelle qui est également rapportée dans la littérature. Ces résultats peuvent avoir des implications dans la conception de protocoles visant à induire des changements persistants dans l'activité cérébrale. / Endogenous brain oscillations are associated with specific cognitive functions and are known to have an important role in regimenting communication between cortical and subcortical areas. Alpha (8-12 Hz) and beta (13-30 Hz) rhythms have been observed predominantly in sensorimotor areas, with averages around 10 and 20 Hz, and are believed to play a role in motor functions. These cerebral oscillations can be entrained by external stimulation, in particular by transcranial alternating current stimulation (tACS). Thus, tACS has shown an impact on certain physiological measures such as corticospinal excitability and the power of oscillations via transcranial magnetic stimulation (TMS) and electroencephalogram (EEG), respectively. However, the after-effects are variable and incoherent. In addition, to date no study has measured the physiological effects of a bilateral sensorimotor stimulation montage on both local activity and the interaction between the two sensorimotor areas. Thus, the studies included in the present thesis aim to explore the after-effects of two stimulation frequencies, 10 Hz and 20 Hz, on sensorimotor regions using a bilateral montage. This research was carried out through a review of the literature as well as two methodological studies with relatively similar parameters, but using different and complementary measures of TMS and EEG. Article 1 provides a basis for the relevance of assessing the connectivity between the motor cortex and different areas of the brain. This excursus identifies and describes the different paired magnetic stimulation protocols that have been developed in recent years to assess the effective connectivity between sensorimotor areas of the brain. Study 2 shows that bilateral 10 Hz tACS significantly reduced corticospinal excitability via TMS after stimulation. However, the 20 Hz frequency did not lead to any change. In addition, tACS did not significantly modulate measures of interaction between sensorimotor regions, such as interhemispheric inhibition and physiological mirror movements. In study 3, the results failed to demonstrate reliably that bilateral tACS at 10 and 20 Hz administered over sensorimotor areas could modulate offline alpha and beta oscillations power at the stimulation site. Note that the results were associated with inter-individual variability, which is also reported in the literature. These findings may have implications for the design and implementation of future protocols aiming to induce sustained changes in brain activity.

Environ 2-3% d’enfants avec convulsions fébriles (CF) développent une épilepsie, mais les outils cliniques existants ne permettent pas d’identifier les enfants susceptibles de développer une épilepsie post-convulsion fébrile. Des études ont mis en évidence des anomalies d’EEG quantifiée, et plus particulièrement en réponse à la stimulation lumineuse intermittente (SLI), chez des patients épileptiques. Aucune étude n’a analysé ces paramètres chez l’enfant avec CF et il importe de déterminer s’ils sont utiles pour évaluer le pronostic des CF. Les objectifs de ce programme de recherche étaient d’identifier, d’une part, des facteurs de risque cliniques qui déterminent le développement de l’épilepsie après des CF et, d’autre part, des marqueurs électrophysiologiques quantitatifs qui différencieraient les enfants avec CF des témoins et pourraient aider à évaluer leur pronostic. Afin de répondre à notre premier objectif, nous avons analysé les dossiers de 482 enfants avec CF, âgés de 3 mois à 6 ans. En utilisant des statistiques de survie, nous avons décrit les facteurs de risque pour développer une épilepsie partielle (antécédents prénataux, retard de développement, CF prolongées et focales) et généralisée (antécédents familiaux d’épilepsie, CF récurrentes et après l’âge de 4 ans). De plus, nous avons identifié trois phénotypes cliniques distincts ayant un pronostic différent : (i) CF simples avec des antécédents familiaux de CF et sans risque d’épilepsie ultérieure; (ii) CF récurrentes avec des antécédents familiaux d’épilepsie et un risque d’épilepsie généralisée; (iii) CF focales avec des antécédents familiaux d’épilepsie et un risque d’épilepsie partielle. Afin de répondre à notre deuxième objectif, nous avons d’abord analysé les potentiels visuels steady-state (PEVSS) évoqués par la SLI (5, 7,5, 10 et 12,5 Hz) en fonction de l’âge. Le tracé EEG de haute densité (128 canaux) a été enregistré chez 61 enfants âgés entre 6 mois et 16 ans et 8 adultes normaux. Nous rapportons un développement topographique différent de l’alignement de phase des composantes des PEVSS de basses (5-15 Hz) et de hautes (30-50 Hz) fréquences. Ainsi, l’alignement de phase des composantes de basses fréquences augmente en fonction de l’âge seulement au niveau des régions occipitale et frontale. Par contre, les composantes de hautes fréquences augmentent au niveau de toutes les régions cérébrales. Puis, en utilisant cette même méthodologie, nous avons investigué si les enfants avec CF présentent des anomalies des composantes gamma (50-100 Hz) des PEVSS auprès de 12 cas de CF, 5 frères et sœurs des enfants avec CF et 15 témoins entre 6 mois et 3 ans. Nous montrons une augmentation de la magnitude et de l’alignement de phase des composantes gamma des PEVSS chez les enfants avec CF comparés au groupe témoin et à la fratrie. Ces travaux ont permis d’identifier des phénotypes électro-cliniques d’intérêt qui différencient les enfants avec CF des enfants témoins et de leur fratrie. L’étape suivante sera de vérifier s’il y a une association entre les anomalies retrouvées, la présentation clinique et le pronostic des CF. Cela pourrait éventuellement aider à identifier les enfants à haut risque de développer une épilepsie et permettre l’institution d’un traitement neuroprotecteur précoce. / The incidence of epilepsy in children with febrile seizures (FS) varies from 2 to 3%, but available clinical tools do not allow the identification of those children who will later develop epilepsy. Evidences have shown quantitative EEG abnormalities, more particularly revealed by intermittent photic stimulation (IPS), in patients with epilepsy. No studies have yet examined quantitative EEG parameters in children with FS. It is not known either whether they can be relevant to the evaluation of FSs prognosis. The objectives of this research program were to identify, first, clinical risk factors for developing epilepsy after FS and, second, to determine quantitative EEG markers that differentiate FS patients from normal controls and may aid to evaluate their prognosis. In order to meet our first objective, we reviewed the charts of 482 children with FS, aged 3 months to 6 years. Using survival statistics, we described risk factors for developing partial (prenatal antecedents, developmental delay, prolonged and focal FS) and generalized (family history of epilepsy, recurrent FS and FS after the age of 4 years) epilepsy after FS. In addition, we identified several distinct clinical phenotypes related to the prognosis of FS: (i) simple FS with a family history of FS, not related to a subsequent epilepsy, (ii) recurrent FS with a family history of epilepsy and an increased risk of generalised epilepsy and (iii) focal FS with a family history of epilepsy and an increased risk of partial epilepsy. In order to meet our second objective, we analyzed the steady-state visual potentials (SSVEP) evoked by IPS (5, 7.5, 10 and 12.5 Hz) as a function of age. The high density EEG (128 channels) was recorded in 61 normal children between 6 months and 16 years of age and 8 adults. We showed different topographical development of low (5-15 Hz) and high (30-50 Hz) frequency SSVEP components phase alignment. Thus, low frequency phase alignment increased with age only over the frontal and occipital regions, whereas high frequency phase alignment increased over all cerebral regions. Then, using the same methodology, we investigated whether children with FS show abnormalities of gamma frequency SSVEP components. We show an increase of both magnitude and phase alignment of the gamma frequency SSVEP components in 12 FS patients compared to 5 siblings of FS patients and 15 control children between 6 and 36 months of age. This study has identified distinct electro-clinical phenotypes that differentiate FS patients from the group of siblings and controls. Future studies should investigate whether detected abnormalities are associated with the clinical presentation of FS and their prognosis. This could help identify children with FSs who will later develop epilepsy and would eventually allow the institution of an early neuroprotective treatment.

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Environ 2-3% d’enfants avec convulsions fébriles (CF) développent une épilepsie, mais les outils cliniques existants ne permettent pas d’identifier les enfants susceptibles de développer une épilepsie post-convulsion fébrile. Des études ont mis en évidence des anomalies d’EEG quantifiée, et plus particulièrement en réponse à la stimulation lumineuse intermittente (SLI), chez des patients épileptiques. Aucune étude n’a analysé ces paramètres chez l’enfant avec CF et il importe de déterminer s’ils sont utiles pour évaluer le pronostic des CF. Les objectifs de ce programme de recherche étaient d’identifier, d’une part, des facteurs de risque cliniques qui déterminent le développement de l’épilepsie après des CF et, d’autre part, des marqueurs électrophysiologiques quantitatifs qui différencieraient les enfants avec CF des témoins et pourraient aider à évaluer leur pronostic. Afin de répondre à notre premier objectif, nous avons analysé les dossiers de 482 enfants avec CF, âgés de 3 mois à 6 ans. En utilisant des statistiques de survie, nous avons décrit les facteurs de risque pour développer une épilepsie partielle (antécédents prénataux, retard de développement, CF prolongées et focales) et généralisée (antécédents familiaux d’épilepsie, CF récurrentes et après l’âge de 4 ans). De plus, nous avons identifié trois phénotypes cliniques distincts ayant un pronostic différent : (i) CF simples avec des antécédents familiaux de CF et sans risque d’épilepsie ultérieure; (ii) CF récurrentes avec des antécédents familiaux d’épilepsie et un risque d’épilepsie généralisée; (iii) CF focales avec des antécédents familiaux d’épilepsie et un risque d’épilepsie partielle. Afin de répondre à notre deuxième objectif, nous avons d’abord analysé les potentiels visuels steady-state (PEVSS) évoqués par la SLI (5, 7,5, 10 et 12,5 Hz) en fonction de l’âge. Le tracé EEG de haute densité (128 canaux) a été enregistré chez 61 enfants âgés entre 6 mois et 16 ans et 8 adultes normaux. Nous rapportons un développement topographique différent de l’alignement de phase des composantes des PEVSS de basses (5-15 Hz) et de hautes (30-50 Hz) fréquences. Ainsi, l’alignement de phase des composantes de basses fréquences augmente en fonction de l’âge seulement au niveau des régions occipitale et frontale. Par contre, les composantes de hautes fréquences augmentent au niveau de toutes les régions cérébrales. Puis, en utilisant cette même méthodologie, nous avons investigué si les enfants avec CF présentent des anomalies des composantes gamma (50-100 Hz) des PEVSS auprès de 12 cas de CF, 5 frères et sœurs des enfants avec CF et 15 témoins entre 6 mois et 3 ans. Nous montrons une augmentation de la magnitude et de l’alignement de phase des composantes gamma des PEVSS chez les enfants avec CF comparés au groupe témoin et à la fratrie. Ces travaux ont permis d’identifier des phénotypes électro-cliniques d’intérêt qui différencient les enfants avec CF des enfants témoins et de leur fratrie. L’étape suivante sera de vérifier s’il y a une association entre les anomalies retrouvées, la présentation clinique et le pronostic des CF. Cela pourrait éventuellement aider à identifier les enfants à haut risque de développer une épilepsie et permettre l’institution d’un traitement neuroprotecteur précoce. / The incidence of epilepsy in children with febrile seizures (FS) varies from 2 to 3%, but available clinical tools do not allow the identification of those children who will later develop epilepsy. Evidences have shown quantitative EEG abnormalities, more particularly revealed by intermittent photic stimulation (IPS), in patients with epilepsy. No studies have yet examined quantitative EEG parameters in children with FS. It is not known either whether they can be relevant to the evaluation of FSs prognosis. The objectives of this research program were to identify, first, clinical risk factors for developing epilepsy after FS and, second, to determine quantitative EEG markers that differentiate FS patients from normal controls and may aid to evaluate their prognosis. In order to meet our first objective, we reviewed the charts of 482 children with FS, aged 3 months to 6 years. Using survival statistics, we described risk factors for developing partial (prenatal antecedents, developmental delay, prolonged and focal FS) and generalized (family history of epilepsy, recurrent FS and FS after the age of 4 years) epilepsy after FS. In addition, we identified several distinct clinical phenotypes related to the prognosis of FS: (i) simple FS with a family history of FS, not related to a subsequent epilepsy, (ii) recurrent FS with a family history of epilepsy and an increased risk of generalised epilepsy and (iii) focal FS with a family history of epilepsy and an increased risk of partial epilepsy. In order to meet our second objective, we analyzed the steady-state visual potentials (SSVEP) evoked by IPS (5, 7.5, 10 and 12.5 Hz) as a function of age. The high density EEG (128 channels) was recorded in 61 normal children between 6 months and 16 years of age and 8 adults. We showed different topographical development of low (5-15 Hz) and high (30-50 Hz) frequency SSVEP components phase alignment. Thus, low frequency phase alignment increased with age only over the frontal and occipital regions, whereas high frequency phase alignment increased over all cerebral regions. Then, using the same methodology, we investigated whether children with FS show abnormalities of gamma frequency SSVEP components. We show an increase of both magnitude and phase alignment of the gamma frequency SSVEP components in 12 FS patients compared to 5 siblings of FS patients and 15 control children between 6 and 36 months of age. This study has identified distinct electro-clinical phenotypes that differentiate FS patients from the group of siblings and controls. Future studies should investigate whether detected abnormalities are associated with the clinical presentation of FS and their prognosis. This could help identify children with FSs who will later develop epilepsy and would eventually allow the institution of an early neuroprotective treatment.