L'attention focalisée est une fonction cognitive de haut niveau permettant à l'Homme de faciliter sélectivement certaines actions et perceptions. Dans un monde regorgeant de choix d'actions, et de possibilités de perceptions, l'attention focalisée représente une composante vitale de la cognition humaine. Un constat important doit cependant être noté : l'Homme est incapable de maintenir indéfiniment un état stable d'attention focalisée. Cette incapacité est mise en évidence pendant les tâches d'attention soutenue par l'apparition progressive de déficiences sensori-motrices au cours du temps. L'impulsivité motrice augmente alors, ainsi que le temps de réponse aux stimuli impératifs, et la sensibilité perceptive diminue. À l'heure actuelle, les bases neuronales du phénomène restent très peu connues et ce manque de connaissance est clairement perceptible au sein de deux champs disciplinaires - les Neurosciences Cognitives et l'Ingénierie Cognitive. En Neurosciences Cognitives, la question demeure ainsi posée : pourquoi l'Homme est-il incapable de maintenir un niveau de performance sensori-motrice optimal au cours de tâches d'attention soutenue ? En Ingénierie Cognitive, la problématique concerne le développement d'Interfaces Cerveau-Machine (ICM) passives : identifier les marqueurs neuronaux des déficits d'attention permettrait, à terme, de suivre en temps réel l'état cognitif de l'Homme et de l'alerter de la survenue de ces déficits durant son activité. Ces deux problématiques ont été traitées dans cette thèse. Dans un premier temps, je démontre que le maintien d'une attention focalisée sur une stimulation visuelle entraîne une rapide inhibition des aires visuelles corticales. Cette inhibition sensorielle serait liée à l'absence de variation de la stimulation sensorielle. Ainsi, l'inhibition sensorielle serait bénéfique au cours de tâches de recherche visuelle : elle permettrait à l'Homme d'éviter de réexaminer plusieurs fois le même stimulus, le même objet, la même localisation spatiale; mais lorsqu'une attention soutenue est requise, ce mécanisme serait alors à l'origine de l'apparition de déficiences sensorielles. La présence de cette inhibition sensorielle apporte une explication probante à la diminution de sensibilité perceptive et à l'allongement du temps de réaction qui caractérisent le phénomène. Je montre ensuite que l'activité de structures neuronales motrices et d'aires corticales connues pour sous-tendre l'attention focalisée (i.e., tractus cortico-spinal, et aires corticales motrice primaire, préfrontale et pariétale droite) augmente progressivement au cours d'une tâche d'attention soutenue. Ce sur-engagement reflèterait un processus de compensation en réponse au désengagement préalable des aires corticales sensorielles et à la diminution de la qualité des représentations perceptives. Aussi, l'augmentation d'activité des structures neuronales motrices expliquerait l'augmentation de l'impulsivité motrice, une des signatures comportementales des déficits d'attention. Dans un second temps, je teste la possibilité d'exploiter ces corrélats neuronaux des déficits d'attention afin de discriminer deux états attentionnels donnés (i.e., avec ou sans déficits d'attention) au sein d'une ICM passive. Nous avons pour cela appliqué des méthodes de classification supervisées sur des données de spectroscopie proche infra-rouge reflétant l'activité hémodynamique des aires corticales préfrontale et pariétale enregistrées pendant une tâche d'attention soutenue. Nous rapportons des résultats encourageant en termes de performance de classification pour le futur développement d'ICM passives. Pris ensemble, les résultats décrits dans cette thèse apportent une meilleure compréhension des corrélats neuronaux des déficits d'attention et montrent comment cette connaissance peut être exploitée afin de développer des systèmes permettant de limiter la survenue d'accidents et d'incidents liés à l'erreur humaine dans un contexte écologique. / Focused attention represents a high-level cognitive function enabling humans to selectively facilitate specific actions and perceptions. In a world full of choices of action, and of perceptual possibilities, focused attention appears to be a vital component of human cognition. One observation however, is worth making: human-beings are unable to maintain stable states of focused attention indefinitely. This inability manifests during sustained attention tasks with the progressive occurrence of sensory-motor deficiencies with time-on-task. The phenomenon - called attention decrement - is characterized by increases in motor impulsivity and in response times to imperative events, and by a reduction in perceptual sensitivity. So far, the neural underpinnings of attention decrement have not been fully elucidated and this lack of knowledge is clearly palpable within two disciplinary fields : Cognitive Neuroscience and Cognitive Engineering. In Cognitive Neuroscience, the associated question is why are human-beings unable to maintain an optimal sensory-motor performance during sustained attention tasks? In Cognitive Engineering, the lack of a complete scientific understanding of attentional issues impacts the development of efficient passive Brain-Computer interfaces (BCI), capable of detecting the occurrence of potentially dangerous attention decrements during the performance of everyday activities. Both issues have been addressed in this thesis. In terms of Cognitive Neuroscience, I demonstrate that sustaining focused attention on a visual stimulation rapidly leads to an inhibition of the visual cortices. This sensory inhibition can be causally related to the lack of changes in perceptual stimulation typically characterizing sustained attention tasks. While the mechanism may be beneficial during visual search tasks as it helps humans avoid processing the same stimulus, the same object, the same location several times, it can lead to the occurrence of sensory deficiencies when sustained attention is required. As such, the sensory inhibition provides a compelling explanation as to the decrease in perceptual sensitivity and to the increase in reaction time that typify attention decrement. I show in a second study that attention decrement is associated with an increase in the activity of motor- and attention-related neural structures (i.e., cortico-spinal tract, primary motor, prefrontal and right parietal cortices). This excessive engagement reflects a compensatory process occurring in response to the sensory disengagement already highlighted and to the related degradation of the quality of perceptual representations. It is notable that the excessive engagement of the motor neural structures with time-on-task provides a potential explanation for the increase in motor impulsivity typifying attention decrement. In terms of application of these new findings, I investigated the potential of exploiting these neural correlates of attention decrement to discriminate between two different attentional states (i.e., with or without attention decrement) through a passive BCI system. To do so, we applied supervised classification analyses on near-infrared spectroscopy signals reflecting the hemodynamic activity of prefrontal and parietal cortices as recorded during a sustained attention task. We achieved relatively promising classification performance results which bode well for the future development of passive BCI. When considered together, the results described in this thesis contribute towards a better understanding of the neural correlates of attention decrement and demonstrate how this novel knowledge can be exploited for the future development of systems which may enable a reduction in accidents and human error-driven incidents in real world environments.

L’objectif de ces travaux de thèse était d’avancer dans la connaissance des effets du vieillissement normal sur les capacités d’attention soutenue et les mécanismes de contrôle attentionnel qui les sous-tendent. A cette fin, nous avons combiné l’utilisation de mesures comportementales, subjectives, et électrophysiologiques (potentiels évoqués). Les résultats comportementaux mettent en évidence des effets différenciés de l’âge sur les capacités d’attention soutenue en fonction de l’approche utilisée : détérioration dans les tâches de détection, et préservation dans les tâches d’inhibition. Les données électrophysiologiques mettent en évidence plusieurs spécificités des seniors dans l’engagement des mécanismes de contrôle attentionnel en situation d’attention soutenue : une activation globalement plus importante de ces mécanismes, une activation maintenue ou augmentée de ces mécanismes au fil de la tâche, et une topographie plus frontale des régions qui les sous-tendent. / The purpose of this project was to gain more knowledge about the effects of normal aging on sustained attention ability and attentional control mechanisms underlying this ability. To that end, we combined the use of behavioral, subjective and electrophysiological (event-related potentials) measures. Behavioral results evidenced differential effects of age on sustained attention ability according to the approach used: deterioration in detection tasks, and preservation in inhibition tasks. Electrophysiological data evidenced several special features of seniors regarding the recruitment of attentional control mechanisms in a situation of sustained attention: overall greater activation of these mechanisms, stable or increased activation of these mechanisms over the course of the task, and a more frontal topography of the regions underlying these mechanisms.

L’objectif de ce travail de thèse a été d’avancer dans les connaissances des mécanismes de contrôle cognitif sous-tendant les détériorations et fluctuations d’attention soutenue chez les patients souffrant de schizophrénie et les sujets sains. Dans ce but, nous avons combiné mesures comportementales, électrophysiologiques et subjectives. Nos résultats montrent une préservation des capacités d’attention soutenue chez les patients ainsi qu’une origine distincte des variations d’attention soutenue chez les patients. Les détériorations sont sous-tendues par une diminution du mode de contrôle réactif chez les patients et du mode proactif chez les témoins. De plus, différents précurseurs des lapses attentionnels ont été mis en évidence chez les patients selon l’état attentionnel. Les variations d’attention soutenue sont principalement liées à une diminution des ressources attentionnelles chez les patients, alors que chez les témoins, en fonction de l’état attentionnel, elles pourraient également être liées à un désengagement, une défaillance du contrôle cognitif. / The purpose of this project was to gain more knowledge about cognitive control mechanisms underlying deteriorations and fluctuation of sustained attention in schizophrenia and healthy participants. To that end, we combined the use of behavioral, electrophysiological (event-related potentials and functional connectivity) and subjective measures. Our results revealed spared sustained attention in schizophrenia and a distinct patterns of sustained attention changes in schizophrenia. Deteriorations are underlined by a decrease of reactive mode of cognitive control in patients and by a decrease of proactive mode in controls. Our results also highlighted slightly distinct patterns of precursors of lapses in sustained attention in schizophrenia according to the attentional state. Sustained attention changes are associated with resource depletion in patients, whereas in healthy participants, according to attentional state, they could also be caused by disengagement of cognitive control.