Il existe un réel besoin de développer des matériaux et des technologies avancés pour améliorer l’interface avec le cerveau humain. De tels enregistrements électrophysiologiques sont nécessaires pour des fins diagnostiques ou dans des domaines innovants tels que l’interface homme/machine. Les dispositifs issus de l’électronique organique représentent des alternatives prometteuses grâce à leurs propriétés mécaniques et leur biocompatibilité. L’utilisation de polymères conducteurs ouvre la voie vers une nouvelle interface avec le milieu biologique. Ce travail présente un procédé de fabrication innovant permettant d’intégrer le polymère conducteur PEDOT:PSS sur des électrodes sèches pour une application à l’électroencéphalographie (EEG). L’étape suivante consiste en l’utilisation d’un dispositif actif tel que le transistor organique électrochimique (OECT) afin de profiter de l’amplification locale qu’il permet. Cette dernière est extrêmement importante dans le cas de la neurophysiologie, domaine dans lequel l’amplitude des signaux enregistrés est très basse. En ce sens, l’intégration d’OECTs à des dispositifs d’enregistrement de signaux neuronaux a montré un bien supérieur rapport signal / bruit (SNR) en comparaison à des électrodes conventionnelles. La bioélectronique est un domaine innovant à applications variées. Cette thèse présente la conception et la validation par l’application de dispositifs organiques dans le domaine des neurosciences. D’autres progrès dans les domaines du diagnostic, des biocapteurs, ou de la distribution de médicaments pavent la voie pour de nouvelles applications dans l’agroalimentaire ou encore la qualité de l’eau ou de l’air. / There is a tremendous need for developing advanced materials technologies for interfacing with brain and record neural activity. Such electrophysiological recordings are necessary for diagnostic purposes and brain/machine interfaces. Among the existing technologies, organic electronic devices constitute a promising candidate because of their mechanical flexibility and biocompatibility. The use of conducting polymers, which allow both ionic and electronic transport, allows new modes for interfacing with the biological milieu. This work presents an innovative process to incorporate the conducting polymer poly(3,4-Ethylenedioxythiophene: poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) onto electrodes for applications in electroencephalography (EEG). A step beyond conducting polymer electrodes is provided by the Organic Electrochemical Transistor (OECT). The primary advantage of using active devices is the local amplification they provide. This local amplification becomes extremely important in the case of electrophysiological signals, for which the amplitude is very low. The use of the OECT for various electrophysiological measurements is presented, done for clinical purposes like ECG or EEG, for new marketing studies like EOG, and for more fundamental neurological applications, like the recording in vitro of neuronal unitary activity. Bioelectronics is an inspiring field with broad scope. This thesis deals with applications of organic electronic devices in neuroscience. Other applications in diagnostics, biosensing, or drug delivery will offer huge opportunities for food safety, pollution control or even environmental applications.

L’électroencéphalographie permet de mesurer l’activité du cerveau à partir des variations du champ électrique à la surface du crâne. Cette mesure est utilisée pour le diagnostic médical, la compréhension du fonctionnement du cerveau ou dans les systèmes d’interface cerveau-machine. De nombreux travaux se sont attachés au développement de méthodes d’analyse de ces signaux en vue d’en extraire différentes composantes d’intérêt, néanmoins leur traitement pose encore de nombreux problèmes. Cette thèse s’intéresse à la mise en place de méthodes permettant l’obtention de représentations redondantes pour ces signaux. Ces représentations se sont avérées particulièrement efficaces ces dernières années pour la description de nombreuses classes de signaux grâce à leur grande flexibilité. L’obtention de telles représentations pour les mesures EEG présente certaines difficultés du fait d’un faible rapport signal à bruit des composantes recherchées. Nous proposons dans cette thèse de les surmonter en guidant les méthodes considérées vers des représentations physiologiquement plausibles des signaux EEG à l’aide de régularisations. Ces dernières sont construites à partir de connaissances a priori sur les propriétés spatiales et temporelles de ces signaux. Pour chacune d’entre elles, des algorithmes sont proposés afin de résoudre les problèmes d’optimisation associés à l’obtention de ces représentations. L’évaluation des approches proposées sur des signaux EEG souligne l’efficacité des régularisations proposées et l’intérêt des représentations obtenues. / The electroencephalography measures the brain activity by recording variations of the electric field on the surface of the skull. This measurement is usefull in various applications like medical diagnosis, analysis of brain functionning or whithin brain-computer interfaces. Numerous studies have tried to develop methods for analyzing these signals in order to extract various components of interest, however, none of them allows to extract them with sufficient reliabilty. This thesis focuses on the development of approaches considering redundant (overcomoplete) representations for these signals. During the last years, these representations have been shown particularly efficient to describe various classes of signals due to their flexibility. Obtaining such representations for EEG presents some difficuties due to the low signal-to-noise ratio of these signals. We propose in this study to overcome them by guiding the methods considered to physiologically plausible representations thanks to well-suited regularizations. These regularizations are built from prior knowledge about the spatial and temporal properties of these signals. For each regularization, an algorithm is proposed to solve the optimization problem allowing to obtain the targeted representations. The evaluation of the proposed EEG signals approaches highlights their effectiveness in representing them.

Le sommeil est un phénomène biologique universel complexe et encore peu compris. La méthode de référence actuelle pour caractériser les états de vigilance au cours du sommeil est la polysomnographie (PSG) qui enregistre de manière non invasive à la surface de la peau, les modifications électrophysiologiques de l’activité cérébrale (électroencéphalographie, EEG), oculaire (électro-oculographie, EOG) et musculaire (électromyographie, EMG). Traditionnellement, les signaux électrophysiologiques sont ensuite analysés par un expert du sommeil qui annote manuellement les évènements d’intérêt comme les stades de sommeil ou certains micro-évènements (grapho éléments EEG). Toutefois, l’annotation manuelle est chronophage et sujette à la subjectivité de l’expert. De plus, le développement exponentiel d’outils de monitoring du sommeil enregistrant et analysant automatiquement les signaux électrophysiologiques tels que le bandeau Dreem rend nécessaire une automatisation de ces tâches.L’apprentissage machine bénéficie d’une attention croissante car il permet d’apprendre à un ordinateur à réaliser certaines tâches de décision à partir d’un ensemble d’exemples d’apprentissage et d’obtenir des performances de prédictions plus élevées qu’avec les méthodes classiques. Les avancées techniques dans le domaine de l’apprentissage profond ont ouvert de nouvelles perspectives pour la science du sommeil tout en soulevant de nouveaux défis techniques. L’entraînement des algorithmes d’apprentissage profond nécessite une grande quantité de données annotées qui n’est pas nécessairement disponible pour les données PSG. De plus, les algorithmes d’apprentissage sont très sensibles à la variabilité des données qui est non négligeable en ce qui concerne ces données. Cela s’explique par la variabilité intra et inter-sujet (pathologies / sujets sains, âge…).Cette thèse étudie le développement d’algorithmes d’apprentissage profond afin de réaliser deux types de tâches: la prédiction des stades de sommeil et la détection de micro-événements. Une attention particulière est portée (a) sur la quantité de données annotées requise pour l’entraînement des algorithmes proposés et (b) sur la sensibilité de ces algorithmes à la variabilité des données. Des stratégies spécifiques, basées sur l’apprentissage par transfert, sont proposées pour résoudre les problèmes techniques dus au manque de données annotées et à la variabilité des données. / Sleep is a complex and not fully understood biological phenomenon. The traditional process to monitor sleep relies on the polysomnography exam (PSG). It records, in a non invasive fashion at the level of the skin, electrophysiological modifications of the brain activity (electroencephalography, EEG), ocular (electro-oculography, EOG) and muscular (electro-myography, EMG). The recorded signals are then analyzed by a sleep expert who manually annotates the events of interest such as the sleep stages or some micro-events. However, manual labeling is time-consuming and prone to the expert subjectivity. Furthermore, the development of sleep monitoring consumer wearable devices which record and process automatically electrophysiological signals, such as Dreem headband, requires to automate some labeling tasks.Machine learning (ML) has received much attention as a way to teach a computer to perform some decision tasks automatically from a set of learning examples. Furthermore, the rise of deep learning (DL) algorithms in several fields have opened new perspectives for sleep sciences. On the other hand, this is also raising new concerns related to the scarcity of labeled data that may prevent their training processes and the variability of data that may hurt their performances. Indeed, sleep data is scarce due to the labeling burden and exhibits also some intra and inter-subject variability (due to sleep disorders, aging...).This thesis has investigated and proposed ML algorithms to automate the detection of sleep related events from raw PSG time series. Through the prism of DL, it addressed two main tasks: sleep stage classification and micro-event detection. A particular attention was brought (a) to the quantity of labeled data required to train such algorithms and (b) to the generalization performances of these algorithms to new (variable) data. Specific strategies, based on transfer learning, were designed to cope with the issues related to the scarcity of labeled data and the variability of data.

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Une décision perceptive est un processus délibératif consistant à choisir une proposition catégorielle ou un plan d'action parmi plusieurs alternatives sur la base d'information sensorielle. Les modèles de prise décision font l'hypothèse que l'information sensorielle est accumulée au cours du temps jusqu'à un seuil décisionnel. Ces modèles ont récemment reçu un support empirique important grâce à la découverte de neurones accumulateurs dans le cerveau de singes. Toutefois, l'étude neurophysiologique de ces système d'accumulation chez l'homme est rare. Ce travail de thèse vise à mieux comprendre les mécanismes neuronaux de prise de décision chez l'homme dans des contextes de la vie réelle, beaucoup plus complexes que ceux utilisés chez le singe. / A perceptual decision is a deliberative process that aims to choose a categorical proposition or course of action from a set of alternatives on the basis of available sensory information. Models of perceptual decision-making assume that sensory information is accumulated to some threshold level, whence the decision terminates in a choice. The recent discovery of neural correlates of these theoretical predictions in the non-human primate brain has reinforced their validity. However, neurophysiological studies of perceptual decision-making mechanisms in humans are relatively scarce. This work aims at enhancing our understanding of the computations and neurophysiology underpinning such mechanisms in humans, through the study of decision-making contexts more complex than those used in monkey research.

Vision et Emotion sont deux fonctions adaptatives majeures dont les interactions ont été largement évaluées. Il est aussi reconnu que les performances visuelles déclinent fortement au fur et à mesure que les stimulations s'éloignent du centre du champ visuel. De ce fait, les études s'intéressant au traitement des informations visuelles émotionnelles ont systématiquement présenté ces stimulations en vision centrale (VC) mais jamais de manière excentrée, en vision périphérique (VP). Ce travail a pour objectif général d'explorer les réponses induites par des stimulations émotionnelles présentées en VP, aux niveaux comportemental et cérébral, grâce à la technique des potentiels évoqués (PE). Le caractère saillant de l'information émotionnelle, par sa capacité à capter préférentiellement les ressources attentionnelles, devrait : d'une part, optimiser la réactivité de la VP ; d'autre part, faciliter la rééducation de pathologies de la VC (scotomes centraux), dans la mesure où, lors de ces pathologies, seules les ressources de la VP demeurent disponibles.<br />En premier lieu, nous avons voulu explorer la capacité de la VP à traiter des images de scènes naturelles dont certaines contiennent des informations émotionnelles. Nous avons notamment observé pour la première fois l'existence de composantes électrophysiologiques évoquées par la VP. De plus, nous avons pu constater que le contenu émotionnel des images module les performances comportementales des participants ainsi que leur activité cérébrale, comme classiquement décrit en VC. Ces résultats plaident en faveur d'une différentiation précoce des informations visuelles présentées en VP selon leur nature affective et permet d'envisager leur utilisation dans le cadre de la rééducation neurovisuelle.<br />En deuxième lieu, et ayant à l'esprit les possibilités de rééducation neurovisuelle, nous avons cherché les stimulations susceptibles de mobiliser au mieux les ressources visuelles, pour ensuite les associer, en VP, à des informations émotionnelles. En conséquence, nous nous sommes intéressés au traitement de visages émotionnels (peur, neutre, joie) en VP car ils constituent, du fait de leur rôle dans les interactions sociales, des stimulations visuelles particulièrement saillantes. Cette étude a permis de montrer que les visages sont traités en VP et que leur expression émotionnelle a un impact au niveau comportemental et électrophysiologique. En particulier, les réponses des participants sont plus rapides et les composantes évoquées sont plus amples lorsque des visages de peur et de joie sont présentés en VP par rapport à des visages neutres.<br />Enfin, certaines études suggèrent une amélioration des performances de la VP lorsque des stimuli sont présentés en mouvement. De ce fait, la saillance des visages en VP pourrait être renforcée par le caractère dynamique de leur expression émotionnelle. Dans une troisième expérience, nous avons donc présenté des visages statiques et des visages animés, neutres et émotionnels, en VC et en VP. Les résultats obtenus confirment les données de la seconde expérience mais ne permettent pas d'attribuer un avantage spécifique à la composante dynamique des visages présentés, qu'ils soient émotionnels ou neutres.<br />A titre prospectif, nous avons présenté, à des patients atteints de scotomes centraux, des visages émotionnels et neutres. Les résultats comportementaux permettent de mettre en évidence que, chez ces patients, les visages émotionnels sont mieux traités que les neutres en VP. Les expressions faciales émotionnelles pourraient donc s'avérer des stimuli particulièrement adaptés dans le cadre de l'amélioration des ressources de la VP.<br />En conclusion, ce travail apporte des données comportementales et électrophysiologiques inédites sur le codage de l'information émotionnelle en VP et ouvre des perspectives encourageantes sur l'utilisation de la saillance émotionnelle dans la rééducation des déficits de la vision centrale.

Introduction : La stimulation électrique directe basse fréquence est pratiquée sur des patients épileptiques pharmaco-résistants implantés avec des électrodes profondes. Elle induit de potentiels évoqués cortico-corticaux (PECC) qui permettent d’estimer la connectivité in vivo et ont permis de caractériser des réseaux locaux. Pour estimer la connectivité à l’échelle du cortex, le projet multicentrique F-TRACT vise à rassembler plusieurs centaines de patients dans une base de données pour proposer un atlas probabiliste de tractographie fonctionnelle.Méthodes : La construction de la base de données à nécessité la mise en place technique de pipelines de traitement semi-automatiques pour faciliter la gestion du nombre important de données de stéréo-électroencéphalographie (SEEG) et d’imagerie. Ces pipelines incluent des nouvelles méthodes de traitement du signal et d’apprentissage automatique, qui ont été développées pour identifier automatiquement les mauvais contacts et corriger l’artefact induit par la stimulation. Les analyses de groupe se sont basées sur des métriques des PECC et des cartes temps-fréquences des réponses à la stimulation.Résultats : La performance des méthodes développées pour le projet a été validée sur des données hétérogènes, en termes de paramètres d’acquisition et de stimulation, provenant de différents centres hospitaliers. L’atlas a été généré à partir d’un échantillon de 173 patients, fournissant une mesure de probabilité de connectivité pour 79% des connexions et d’estimer des propriétés biophysiques des fibres pour 46% d’entre elles. Son application à une sous-population de patients a permis d’étudier les réseaux impliqués dans la génération de symptômes auditifs. L’analyse de groupe oscillatoire a mis en avant l’influence de l’anatomie sur la réponse à la stimulation.Discussion : Cette thèse présente une méthodologie d’étude des PECC à l’échelle du cortex cérébral, utilisant des données hétérogènes en termes d’acquisition, de paramètres de stimulation et spatialement. L’incrémentation du nombre de patients dans l’atlas généré permettra d’étudier les interactions cortico-corticales de manière causale. / Introduction: Low-frequency direct electrical stimulation is performed in drug-resistant epileptic patients, implanted with depth electrodes. It induces cortico-cortical evoked potentials (CCEP) that allow in vivo connectivity mapping of local networks. The multicentric project F-TRACT aims at gathering data of several hundred patients in a database to build a propabilistic functional tractography atlas that estimates connectivity at the cortex level.Methods: Semi-automatic processing pipelines have been developed to handle the amount of stereo-electroencephalography (SEEG) and imaging data and store them in a database. New signal processing and machine-learning methods have been developed and included in the pipelines, in order to automatically identify bad channels and correct the stimulation artifact. Group analyses have been performed using CCEP features and time-frequency maps of the stimulation responses.Results: The new methods performance has been assessed on heterogeneous data, coming from different hospital center recording and stimulating using variable parameters. The atlas was generated from a sample of 173 patients, providing a connectivity probability value for 79% of the possible connections and estimating biophysical properties of fibers for 46% of them. The methodology was applied on patients who experienced auditory symptoms that allowed the identification of different networks involved in hallucination or illusion generation. Oscillatory group analysis showed that anatomy was driving the stimulation response pattern.Discussion: A methodology for CCEP study at the cerebral cortex scale is presented in this thesis. Heterogeneous data in terms of acquisition and stimulation parameters and spatially were used and handled. An increasing number of patients’ data will allow the maximization of the statistical power of the atlas in order to study causal cortico-cortical interactions.

Pour un mouvement de saisie, le système moteur doit contrôler un certain nombre de paramètres pour produire une commande motrice adaptée aux propriétés de l'objet. La compréhension des mécanismes mis en jeu dans l’élaboration de cette commande motrice repose ainsi sur plusieurs questions. Quelle est la nature des paramètres traités par le système nerveux ? Quelles sont les structures corticales impliquées ? Quand et comment ces paramètres sont-ils traités ? Durant l’exécution du mouvement ou durant la phase de préparation qui précède son initiation ? Ces questions sont autant de problématiques abordées dans ce travail de thèse dont l'objectif général est d'apporter une meilleure compréhension, d'une part, de l'organisation fonctionnelle des processus mentaux qui lient la perception à l'action, et d'autre part, de la façon dont ces processus se traduisent au niveau neurophysiologique. Nos recherches reposent notamment sur la comparaison entre l'homme et le singe étudiés dans un contexte expérimental similaire et réalisant une tâche de saisie manuelle identique. L'ensemble de nos travaux ont orienté notre réflexion vers 3 axes principaux. Premièrement, ils nous ont permis de préciser les principes fonctionnels qui régissent la préparation des mouvements de saisie manuelle. Deuxièmement, ils nous ont conduits à identifier plusieurs composantes qui caractérisent les modulations du rythme bêta (13 -35 Hz) et à dégager les principaux facteurs régissant leur présence ou leur absence. En ce sens, nous avons proposé une hypothèse qui permet d’interpréter dans un cadre théorique unifié la majorité des études proposant des interprétations souvent contradictoires du rythme bêta. / For grasping, the motor system has to control several movement parameters to produce a motor command adapted to the object properties. The understanding of the mechanisms involved in the development of this motor command relies on several questions. What kinds of parameters are processed by the nervous systems? What are the cortical structures involved? When and how these parameters are processed? During the execution or during the preparation phase preceding movement initiation? All these questions are addressed in this thesis which general objective is to provide a better understanding of the mental processes linking perception to action and to clarify how the functional organization of these processes is reflected in the neurophysiological activity. Our research is based in particular on the comparison between humans and monkeys studied in a similar experimental setting and performing an identical reach-to-grasp task. The results of this work led us to focus our discussion on three main axes. First, they allowed to specify the functional principles underlying the preparation of grasping movements. Second, we identified several components that characterize the modulations of the beta rhythm (15-35 Hz) and pinpointed the main factors governing their presence or absence. In this sense, we propose a hypothesis for interpreting in a unified theoretical framework a large number of studies that often provide conflicting interpretations of this sensorimotor rhythm.

Après un coma, certains patients restent de manière prolongée dans un état d’éveil non-répondant (éveil sans conscience) ou en état de conscience minimale (éveil et fluctuation de la conscience) (Gosseries & Bruno et al. 2011b). Des travaux antérieurs ont montré que l’évaluation comportementale aboutissait fréquemment à des erreurs diagnostiques. Des études de neuroimagerie en IRM et TEP se sont développées pour mesurer plus objectivement l’état de conscience de ces patients (Gosseries et al. 2011d). Ces techniques ne sont cependant pas encore assez sensibles pour détecter des signes de conscience au niveau individuel. Le premier objectif de ce travail est de valider de nouveaux marqueurs diagnostiques paracliniques en utilisant d’autres outils tels que l’électroencéphalographie et la stimulation magnétique transcrânnienne. D’un point de vue neuroscientifique, les théories de l’information intégrée (Tononi, 2004), de l’espace de travail neuronal global (Dehaene et al, 2006) et du syndrome de déconnexion (Laureys et al. 2005c) émettent l’hypothèse qu’un réseau neuronal largement connecté et spécialisé est requis pour l’émergence de la conscience. Ces modèles proposent un parallèle entre la connectivité au sein d’un large réseau fronto-pariéto-thalamique et le degré de conscience d’un sujet. Le second objectif de notre travail est de tester ces hypothèses, en intégrant nos résultats dans un cadre théorique général de la conscience. <p><p>Evaluation comportementale. Avant de plonger dans le vif du sujet, nous avons évalué des facteurs pronostiques à court terme de la récupération fonctionnelle après un coma. L’intervalle de temps entre la lésion cérébrale et l’admission dans un centre de réadaptation, le score à la Disability Rating Scale à l’admission et l’étiologie semblent de bons facteurs pronostiques. Nos modèles de prédiction ne peuvent cependant pas être utilisés dans le cadre des décisions cliniques individuelles, en raison d’une trop grande variabilité entre les patients (Gosseries & Whyte et al. 2009). <p><p>Evaluations électroencéphalographiques (EEG). Une mesure automatisée d’EEG-entropie a permis de discriminer entre les patients conscients et inconscients dans les stades aigus avec une très bonne sensibilité (Gosseries et al. 2011b). Les valeurs de l’EEG-entropie étaient élevées chez les patients en état de conscience minimale alors qu’elles étaient basses chez les patients en état d’éveil non-répondant, suggérant une diminution de la complexité cérébrale chez ces derniers. Cette technique, qui est facilement applicable en routine clinique, n’a par contre montré aucune valeur pronostique. Une seconde mesure a ensuite été évaluée à l’aide des potentiels évoqués auditifs combinés à des analyses spécifiques de reconstruction de source. Ces données ont montré une altération des connexions cortico-corticales (connexions rétrogrades fronto-temporales) chez les patients en état d’éveil non-répondant (Boly et al. 2011a). Ces résultats nécessitent encore une validation au niveau individuel mais soulignent l’importance des projections neuronales rétrogrades dans l’émergence de la conscience, et confirment les hypothèses de la perte de connectivité effective et du syndrome de déconnexion chez les patients en état de conscience altérée. <p><p>Stimulation magnétique transcrânienne (SMT). Nous avons ensuite utilisé la technique SMT pour mesurer les connexions cortico-spinales. Les mesures électromyographiques ont montré des résultats globalement similaires au niveau périphérique alors que les mesures corticales différaient selon le niveau de conscience. En effet, le seuil moteur, les courbes de recrutement et l’inhibition afférente à courte latence étaient altérés chez les patients, et les deux dernières mesures étaient en lien avec le niveau de conscience des patients (Gosseries & Lapitskaya et al. soumis). Ces résultats suggèrent donc une diminution de l’excitabilité et de l’inhibition cortico-spinale, ainsi qu’un syndrome de déconnexion d’origine corticale chez les patients en état de conscience altérée. Combinaison de la SMT et de l’EEG. Enfin, nous avons évalué directement l’effet de la SMT sur l’activité du cortex cérébral (Gosseries & Rosanova et al. soumis). Cette méthode a permis de différencier au niveau individuel les patients en état d’éveil non-répondant des patients en état de conscience minimale. Chez les premiers, la réponse était initialement plus forte mais s’éteignait rapidement et ne se dispersait pas au-delà du site de stimulation. Chez les patients en état de conscience minimale, une réponse initiale au site de stimulation était suivie par une séquence complexe d’ondes qui se propageaient aux aires corticales adjacentes. Les patients présentant une récupération progressive de la conscience ont quant à eux montré une résurgence d’interactions cérébrales rapides et à longue distance (Gosseries & Rosanova et al. 2012). La SMT-EEG semble être une technique sensible qui pourrait être utilisée comme marqueur diagnostique en routine clinique. Ces résultats confirment également un syndrome de déconnexion au niveau cortico-cortical et une perte de conscience liée à une altération de la connectivité effective entre les différentes aires cérébrales (perte d'intégration et de différentiation de l’activité neuronale). <p><p>Aspects psychologiques liés à la prise en charge des patients sévèrement cérébrolésés. Parallèlement aux études susmentionnées, nous avons évalué le syndrome du burnout parmi le personnel soignant prenant en charge des patients non communicants dans des centres de réadaptation et des maisons de repos. Sur 523 personnes interrogées, 18% présentaient un burnout modéré (15%) à sévère (3%). La profession (équipe infirmière), le lieu de travail (maison de repos) et le nombre d’heures passées avec les patients étaient associés à la présence de burnout (Gosseries et al. accepté). L’importance et la satisfaction de différents besoins des familles des patients ont également été évaluées. Les besoins considérés comme importants étaient le besoin d’information médicale, le soutien émotionnel et social ainsi que l’implication dans les soins. Les familles étaient insatisfaites pour les trois premiers besoins rapportés et présentaient souvent des pensées dépressives et de l’anxiété (Gosseries et al. soumis). Le burnout du personnel soignant et les besoins des familles doivent être pris en compte afin de réduire la détresse psychologique associée à la difficulté de la prise en charge de ces patients et afin de favoriser une qualité optimale des soins prodigués aux patients. Au terme de ce travail, nous proposons des perspectives de futures études sous forme de deux nouvelles approches. La première approche, multimodale et longitudinale, consiste à comparer les différents types de connectivité cérébrale (structurelle, fonctionnelle, effective) lors de la récupération de conscience. La seconde approche est d’ordre thérapeutique, et vise à établir dans quelle mesure la restauration de la connectivité effective est liée à la restauration de conscience lors de traitements pharmacologiques et de stimulation cérébrale. <p><p><p>Summary <p><p>Following a coma, some patients may stay in a chronic unresponsive wakefulness syndrome (wakefulness without awareness) or in a minimally conscious state (wakefulness and fluctuation of awareness) (Gosseries & Bruno et al. 2011b). Previous works showed that behavioral assessments frequently lead to diagnostic errors. Neuroimaging studies using MRI and PET were developed to measure more objectively the state of consciousness of these patients (Gosseries et al. 2011d). However these techniques are not sensitive enough to detect signs of consciousness at the individual level. Our first objective is to validate new diagnostic paraclinical markers using electroencephalography and transcranial magnetic stimulation. At the neuroscientific level, the information integration (Tononi, 2004), the global neuronal workspace (Dehaene et al. 2006) and the disconnection syndrome (Laureys and al, on 2005) theories postulate that activation of a widely connected and specialized neuronal network is required for consciousness to emerge. The level of consciousness can therefore be linked to the level of connectivity in a wide fronto-parieto-thalamic network. Our second objective is to test these hypotheses by integrating our results into a general theoretical frame of consciousness.<p><p>Clinical assessment. Outside the scope of our main objectives, we studied predictors of short-term outcome. The time interval post-injury and the Disability Rating Scale score at enrollment in a rehabilitation centre were predictors of early recovery. Etiology was also a good predictor in some analysis. None of these predictive models could however explain sufficient variance to allow their use in individual clinical decision making (Gosseries & Whyte et al. 2009). <p><p>EEG assessment. We investigated the usefulness of EEG in differentiating unconscious from minimally conscious patients. Automated EEG-entropy could reliably discriminate these patients in the acute setting with a good sensitivity (Gosseries et al. 2011b). EEG-entropy values were high in minimally conscious patients and low in unconscious patients, suggesting a decrease of neural network complexity in the latter. This technique, which is easily applicable in clinical routine, offered however no reliable prognosis information. In a second study, using auditory evoked potentials and specific source reconstruction analysis, we showed that the only difference between unresponsive patients and healthy controls was an impairment of backward connectivity from frontal to temporal cortices. By contrast, minimally conscious patients exhibited near-normal recurrent effective connectivity (Boly et al. 2011a). These results require further validation at the individual level but emphasize the importance of top-down projections in recurrent processing for conscious perception, and confirm the hypotheses of the loss of effective connectivity and disconnection syndrome. <p><p>Transcranial magnetic stimulation assessment (TMS). We assessed cortico-spinal excitability through the stimulation of motor cortices and electromyography recordings. Spinal measurements were globally similar whereas cortical measurements differed according to the level of consciousness. Patients revealed a higher motor threshold, narrower stimulus/response curves and a decreased short afferent inhibition (using an additional electrical stimulation on the median nerve) compared to healthy controls participants. Recruitment curves and short afferent inhibition were associated to the level of consciousness. Our findings suggest decreased cortico-spinal excitability and inhibition as well as a cortical disconnection syndrome in disorders of consciousness (Gosseries & Lapitskaya et al. submitted). <p><p>Multimodal TMS and EEG assessment. To further assess cortical excitability and effective cortico-cortical connectivity, we employed TMS combined with EEG (Gosseries & Rosanova et al. submitted). This technique allowed to reliably discriminate between unresponsive and minimally conscious patients at the individual level. In unresponsive patients, TMS triggered a stereotyped and local response whereas in minimally conscious patients, TMS triggered rapidly changing and long-lasting widespread responses. Through longitudinal measurements, we also showed that this clear-cut change in the brain’s capacity for internal communication occurred at an early stage during recovery of consciousness, before reliable communication could be established with the patient (Gosseries & Rosanova et al, 2012). TMS-EEG seems therefore a trustworthy tool which could be used as a diagnostic marker in clinical routine. These results also confirm the cortico-cortical disconnection syndrome and the loss of consciousness related to altered effective connectivity between brain areas (loss of integration and differentiation of the neuronal activity). <p><p>Psychological issues related to the management of patients with disorders of consciousness. In parallel to the above studies, we also investigated the presence of burnout among healthcare professionals working with unresponsive and minimally conscious patients in rehabilitation centres and nursing homes. Out of 523 caregivers, 18% presented a moderate (15%) to severe burnout (3%). Profession (i.e. nurse/nursing assistants), working place (i.e. nursing home) and the amount of time spent with patients were associated with burnout (Gosseries et al. accepted). We also evaluated the family needs of chronic patients with disorders of consciousness. The most important needs reported were the medical information, the social and emotional support as well as the involvement in the care. Unsatisfaction was nevertheless observed for the emotional and social support as well as for medical information, in addition to frequent depressive thoughts and anxiety (Gosseries et al. submitted). Insufficient consideration of professional workers burnout and family needs may lead to important psychological distress and may favor inadequate quality of care in patients with disorders of consciousness. <p><p>At the end of this work, we propose two new approaches in future studies. The first approach, multimodal and longitudinal, consists in comparing various types of connectivity (i.e. structural, functional and effective) during recovery of consciousness. The second approach is of therapeutic interest, and will allow to evaluate in which measure the restoration of effective connectivity is connected to the restoration of consciousness during pharmacological treatments and during brain stimulation. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse explore comment l’informatique physiologique peut contribuer aux interactions homme-machine (IHM) et encourager l’apparition de nouveaux canaux de communication parmi le grand public. Nous avons examiné comment des capteurs physiologiques,tels que l’électroencéphalographie (EEG), pourraient être utilisés afin d’estimer l’état mental des utilisateurs et comment ils se positionnent par rapport à d’autres méthodes d’évaluation. Nous avons créé la première interface cerveau-ordinateur capable de discriminer le confort visuel pendant le visionnage d’images stéréoscopiques et nous avons esquissé un système qui peux aider à estimer l’expérience utilisateur dans son ensemble, en mesurant charge mentale, attention et reconnaissance d’erreur. Pour abaisser la barrière entre utilisateurs finaux et capteurs physiologiques, nous avons participé à l’intégration logicielle d’un appareil EEG bon marché et libre, nous avons utilisé des webcams du commerce pour mesurer le rythme cardiaque à distance, nous avons confectionné des wearables dont les utilisateurs peuvent rapidement s’équiper afin qu’électrocardiographie, activité électrodermale et EEG puissent être mesurées lors de manifestations publiques. Nous avons imaginé de nouveaux usages pour nos capteurs, qui augmenteraient la présence sociale. Dans une étude autour de l’interaction humain agent,les participants avaient tendance à préférer les avatars virtuels répliquant leurs propres états internes. Une étude ultérieure s’est concentrée sur l’interaction entre utilisateurs, profitant d’un jeu de plateau pour décrire comment l’examen de la physiologie pourrait changer nos rapports. Des avancées en IHM ont permis d’intégrer de manière transparente du biofeedback au monde physique. Nous avons développé Teegi, une poupée qui permet aux novices d’en découvrir plus sur leur activité cérébrale, par eux-mêmes. Enfin avec Tobe, un toolkit qui comprend plus de capteurs et donne plus de liberté quant à leurs visualisations, nous avons exploré comment un tel proxy décalenos représentations, tant de nous-mêmes que des autres. / This thesis explores how physiological computing can contribute to human-computer interaction (HCI) and foster new communication channels among the general public. We investigated how physiological sensors, such as electroencephalography (EEG), could be employed to assess the mental state of the users and how they relate to other evaluation methods. We created the first brain-computer interface that could sense visual comfort during the viewing of stereoscopic images and shaped a framework that could help to assess the over all user experience by monitoring workload, attention and error recognition.To lower the barrier between end users and physiological sensors,we participated in the software integration of a low-cost and open hardware EEG device; used off-the shelf webcams to measure heart rate remotely, crafted we arables that can quickly equip users so that electrocardiography, electrodermal activity or EEG may be measured during public exhibitions. We envisioned new usages for our sensors, that would increase social presence. In a study about human-agent interaction, participants tended to prefer virtual avatars that were mirroring their own internal state. A follow-up study focused on interactions between users to describe how physiological monitoringcould alter our relationships. Advances in HCI enabled us to seam lesslyintegrate biofeedback to the physical world. We developped Teegi, apuppet that lets novices discover by themselves about their brain activity. Finally, with Tobe, a toolkit that encompasses more sensors and give more freedom about their visualizations, we explored how such proxy shifts our representations, about our selves as well as about the others.