RÉSUMÉ Suite à un accident cérébral grave, quil soit traumatique ou hypoxique-ischémique, les patients peuvent évoluer dun coma (patient non-éveillable et inconscient) vers un état végétatif (patient éveillé mais inconscient), un état de conscience minimale (patient éveillé et conscient, mais non-communiquant), ou un locked-in syndrome (patient éveillé, conscient, mais ne pouvant exprimer cette conscience que par le biais de mouvements oculaires) (Vanhaudenhuyse et al., 2009a). Notre but est de mettre au point des techniques permettant de détecter des signes de conscience chez ces patients incapables de communiquer, que ce soit par des évaluations comportementales, lélectroencéphalographie ou la neuroimagerie. Etudes comportementales : Actuellement, malgré les nouveaux critères de conscience proposés par Giacino et al. en 2002, nous avons pu démontrer que jusquà 40% des patients étaient diagnostiqués comme étant en état végétatif, alors quils étaient en réalité en état de conscience minimale (Schnakers, Vanhaudenhuyse et al., 2009b). Nos travaux ont mis en évidence que labsence doutil dévaluation de la conscience standardisé pouvait expliquer la difficulté à détecter des signes de conscience. Nous avons démontré que la poursuite visuelle, qui est un des premiers signes de conscience réapparaissant chez les patients récupérant de létat végétatif, était significativement mieux détectée lorsquelle était évaluée à laide dun miroir (Vanhaudenhuyse et al., 2008c). Labsence de consensus sur la signification de certains comportements, en termes de conscience, peut également être à la source de problèmes diagnostiques. Nous avons, par exemple, démontré que le clignement à la menace visuelle, comportement ambigu de conscience, était compatible avec le diagnostic détat végétatif et quil navait pas de valeur pronostique de récupération de conscience (Vanhaudenhuyse et al., 2008a). Marqueurs électrophysiologiques : Distinguer un comportement volontaire dun comportement réflexe reste difficile, ce qui nous pousse à étudier dautres techniques permettant dobtenir des marqueurs objectifs de conscience. Nous avons souligné lintérêt des potentiels évoqués de courte latence comme marqueurs dun mauvais pronostic, ainsi que des potentiels évoqués cognitifs pour évaluer la récupération dune conscience et les fonctions cognitives résiduelles des patients en coma et post-coma (Vanhaudenhuyse et al., 2008b). Neuroimagerie fonctionnelle et structurelle : Par lImagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf), nous avons pu mettre au point différents paradigmes daide au diagnostic détat de conscience altérée de ces patients. Létude du réseau du mode par défaut, cest-à-dire de lensemble des régions cérébrales activées lorsque nous sommes au repos et éveillés (précunéus, cortex mésio-frontal, jonctions temporo-pariétales), nous a permis de développer un outil facile à appliquer en routine clinique. Nous avons mis en évidence une corrélation négative non-linéaire entre la connectivité au sein du réseau du mode par défaut et le degré de conscience des patients (coma, état végétatif, état de conscience minimale et locked-in syndrome Vanhaudenhuyse et al., 2010b). Par ailleurs, en collaboration avec léquipe du MRC Cognition and Brain Sciences Unit de Cambridge, nous avons appliqué des paradigmes actifs en IRMf, durant lesquels 54 patients devaient réaliser activement des tâches cognitives (simaginer jouer au tennis, simaginer visiter sa maison). Sur 23 patients diagnostiqués comme étant en état végétatif, 4 dentre eux (17%) étaient capables de moduler volontairement leur activité neuronale (Monti & Vanhaudenhuyse et al., 2010). De plus, ce paradigme a permis à un de ces patients, chez qui aucune communication nétait possible, de répondre à laide dun code oui (imaginez jouer au tennis) / non (imaginez visiter votre maison) à des questions autobiographiques. Cependant, ce type de méthode est difficilement utilisable au quotidien. Dès lors, nous développons des interfaces cerveau-ordinateur transportables grâce au projet européen WF7 DECODER. Une de ces techniques de communication a pu être proposée par la modulation du pH salivaire chez un sujet sain (Vanhaudenhuyse et al., 2007a). Enfin, dans le cadre détudes multicentriques dirigées par le Pr. Louis Puybasset (Hôpital de la Pitié-Salpétrière, Paris), nous avons mis en évidence lintérêt diagnostique et pronostique de séquences telles que limagerie par tenseur de diffusion et la spectroscopie (Tshibanda & Vanhaudenhuyse et al., 2009 ; 2010). Au terme de ce travail, nous proposons des perspectives de nouvelles études à entreprendre afin daméliorer les évaluations comportementales, mais aussi les paradigmes dacquisition en IRM et en EEG que nous avons à notre disposition. Notre projet est de développer des recherches translationnelles validées pour une application clinique individuelle. Nous espérons que cette approche multimodale permettra daméliorer la prise en charge des patients sévèrement cérébrolésés qui sont toujours un véritable défi pour le corps médical, mais aussi daccroître nos connaissances sur la conscience humaine. SUMMARY Survivors of severe traumatic or hypoxic-ischemic brain damage classically go through different clinical entities such as coma (unarousable unconsciousness), vegetative state (characterized by wakefulness without awareness), minimally conscious state (minimal but definite evidence of awareness without communication) or locked-in syndrome (fully aware but unable to move or speak) (Vanhaudenhuyse et al., 2009a). Our goal is to improve and develop methods to detect consciousness in these non-communicative patients by using bedside behavioral examinations and para-clinical electroencephalography or neuroimaging techniques. Behavioral examination: Bedside assessment is one of the main methods used to detect awareness in severely brain injured patients recovering from coma. However, our prospective multicentric study showed that up to 40% of patients may be diagnosed as vegetative while they are in reality in a minimally conscious state (Schnakers, Vanhaudenhuyse et al., 2009b). The failure to use standardized behavioral assessment tools and the absence of consensus about some clinical behaviors could explain the difficulty to identify signs of consciousness. For example, we showed that clinicians should use a mirror when evaluating visual pursuit, a behavior that is one of the first differentiating minimally conscious from vegetative patients (Vanhaudenhuyse et al., 2008c). Similarly, the blinking to visual threat remains an ambiguous clinical sign of consciousness. We showed that this behavior may be a common clinical feature of the vegetative state and that its presence does not necessarily herald consciousness nor recovery of consciousness in patients with severe brain injury (Vanhaudenhuyse et al., 2008a). Electrophysiological markers: EEG methods offer objective assessment procedures and the possibility to determine whether an unresponsive patient is aware without explicit verbal or motor response. While early evoked-potentials are good prognosticators of bad outcome, cognitive evoked-potentials appear to be good predictors of favourable outcome and may be helpful to estimate the residual cognitive functions of comatose and post-comatose patients (Vanhaudenhuyse et al., 2008b). Functional and structural neuroimaging: By using functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI), we first studied the brain spontaneous activity and next used it to identify signs of consciousness and communication in these patients. Studies of default mode network in fMRI, i.e. brain regions encompassing precuneus, medial prefrontal cortex and temporo-parietal junctions which are more active at rest, are easy to perform and could have a potentially broader and faster translation into clinical practice. We showed a negative non-linear correlation between default mode network connectivity and the level of consciousness of brain-damaged patients (ranging from coma, vegetative state, minimally conscious state to locked-in syndrome Vanhaudenhuyse et al., 2010b). In collaboration with the MRC Cognition and Brain Sciences Unit in Cambridge, we applied active paradigms in fMRI (in which patients were asked to imagine playing tennis and visiting their house) in 54 patients. We showed that out of 23 vegetative patients, 4 (17%) were able to voluntary modulate their neuronal brain activity. Moreover, one of these patients, who was not able to behaviorally communicate, showed the ability to apply the imagery technique in order to answer accurately simple yes (imagine playing tennis) / no (imagine visiting your house) questions (Monti & Vanhaudenhuyse et al., 2010). However, this technique will not be useful in the daily life of these patients. Thus, we developed appropriate brain computer interfaces with our European partners of the WF7 DECODER project. For example, we showed that one of these methods could be the mental manipulation of salivary pH as a form of non-motor mediated communication (Vanhaudenhuyse et al., 2007a). Finally, international multi-centric studies leaded by Pr. Louis Puybasset (Pitié-Salpétrière Hospital, Paris) are validating the diagnostic and prognostic interests of MRI sequences such as diffusion tensor and spectroscopy imaging to evaluate the prognosis of recovery of severely brain injured patients (Tshibanda & Vanhaudenhuyse et al., 2009 ; 2010). Future ongoing studies are continuing to improve our actual behavioral assessments, MRI and EEG measurements in disorders of consciousness. Our project is to validate translational research models that can be applied at the individual patient level. We hope that our multimodal and multidisciplinary approach will improve our medical care for brain-damaged patients suffering from disorders of consciousness and additionally shed some light to our understanding of the neural correlates of human consciousness.

L'objectif de ce travail de thèse était de déterminer si l’expertise linguistique peut moduler les capacités d’apprentissage, et plus spécifiquement les capacités d’apprentissage statistique. Il a été démontré que l'utilisation régulière de deux langues par les personnes bilingues a un impact sur les capacités langagières mais également sur le fonctionnement cognitif de manière plus générale. Cependant, on ne sait que très peu concernant les effets du bilinguisme sur les capacités d'apprentissage. L’acquisition du langage repose en partie sur le traitement des régularités statistiques de la parole. Etant spécifiques à chaque langue, cette information doit être traitée en partant de zéro lors de l’apprentissage d’une nouvelle langue. Les personnes bilingues ont donc traité au moins deux fois plus d'information statistique que les personnes ne maîtrisant qu'une langue. Est-ce que le bilinguisme et l’expérience accrue de traitement statistique de la parole peuvent conférer un avantage en termes de capacités d’apprentissage de régularités ?Nous avons analysé cette question à trois niveaux: la disponibilité des connaissances acquises à la conscience, le décours temporel du traitement statistique et la nature des représentations formées lors de l'apprentissage statistique. Explorer comment l'expertise linguistique module l'apprentissage statistique contribuera à une meilleure compréhension des conséquences cognitives du bilinguisme, mais pourrait également fournir des indices concernant le lien entre l'apprentissage statistique et le langage.<p>Dans un premier temps, la question de la disponibilité des connaissances acquises à la conscience a été traitée (Etude 1 et 2). L'étude 1 présente une adaptation d’une méthode largement utilisée dans le domaine de l’apprentissage implicite pour rendre compte du caractère conscient ou inconscient des connaissances acquises lors d’un apprentissage, la procédure de dissociation des processus (Jacoby, 1991). Nous avons adapté cette méthode à une situation de traitement des probabilités transitionnelles entre des syllabes afin de déterminer si les représentations acquises suite à l’exposition à un langage artificiel sont disponibles à la conscience. Nous nous sommes ensuite intéressés à la question de savoir comment le caractère conscient des connaissances acquises peut être modulé par l’expertise linguistique. Les résultats suggèrent que bien que les sujets apprennent de manière semblable, les connaissances acquises semblent être moins disponibles à la conscience chez les sujets bilingues.<p>Dans un deuxième temps nous nous sommes intéressés au décours temporel de l’apprentissage statistique (Etude 3 et 4). L'étude 3 présente une adaptation de la Click location task (Fodor & Bever, 1965) comme mesure online du traitement des probabilités transitionnelles lors de la segmentation de la parole. Nous nous sommes ensuite intéressés à comment le traitement des régularités du langage pouvait être modulé par l’expertise linguistique (Etude 4) et les résultats suggèrent que les deux groupes ne diffèrent pas en termes de décours temporel du traitement statistique.<p>Dans un troisième temps, nous avons posé la question de ce qui est appris dans une situation d’apprentissage statistique. Est-ce que le produit de cet apprentissage correspond à des fragments d’information, des « candidats mots » ?Ou est-ce que, au contraire, l’apprentissage résulte en une sensibilité aux probabilités de transition entre les éléments ?L’Etude 5 propose une méthode pour déterminer la nature des représentations formées lors de l’apprentissage statistique. Le but de cette étude était d’opposer deux modèles d’apprentissage de régularités statistiques afin de déterminer lequel rend mieux compte des résultats observés lors d’une situation d’apprentissage statistique. Dans l’étude 6, nous nous sommes intéressés à l’influence de l’expertise linguistique sur la nature des représentations formées. Les résultats suggèrent que les sujets bilingues forment des représentations plus fidèles à la réalité du matériel, comparé aux monolingues.<p>Enfin l'étude 7 avait pour but d'explorer une situation d'apprentissage statistique plus complexe, à savoir l'apprentissage d'une grammaire artificielle. La comparaison entre des sujets monolingues et bilingues suggère que les sujets ne diffèrent pas en termes de décours temporel de l'apprentissage. Par contre, les sujets bilingues semblent former de meilleures représentations du matériel présenté et posséder des connaissances non disponibles à la conscience, alors que les monolingues se basent sur des connaissances conscientes pour effectuer la tâche.<p>Ainsi, les études présentées dans ce travail suggèrent que l'expertise linguistique ne module pas la vitesse de traitement de l'information statistique. Par contre, dans certaines situations, le fait d'être bilingue pourrait constituer un avantage en termes d'acquisition de connaissances sur base d'un traitement statistique et aurait également un impact sur la disponibilité des connaissances à la conscience. / The aim of this thesis was to determine whether linguistic expertise can modulate learning abilities, and more specifically statistical learning abilities. The regular use of two languages by bilingual individuals has been shown to have a broad impact on language and cognitive functioning. However, little is known about the effect of bilingualism on learning abilities. Language acquisition is a complex process that depends substantially on the processing of statistical regularities contained in speech. Because statistical information is language-specific, this information must be learned from scratch when one learns a new language. Unlike monolinguals, individuals who know more than one language, such as bilinguals or multilinguals, therefore face the challenge of having to master more than one set of statistical contingencies. Does bilingualism and increased experience with statistical processing of speech confer an advantage in terms of learning abilities? In this thesis, we address these questions at three different levels. We compared monolinguals and bilinguals in terms of (1) the nature of the representations formed during learning, (2) the time course of statistical processing, and (3) the availability of statistical knowledge to consciousness. Exploring how linguistic expertise modulates statistical learning will contribute to a better understanding of the cognitive consequences of bilingualism, but could also provide clues regarding the link between statistical learning and language.<p>First, the present work aimed to determine whether knowledge acquired based on statistical regularities is amenable to conscious control (Study 1 and 2). Study 1 presents an adaptation of the Process Dissociation Procedure (PDP, Jacoby, 1991), a widely used method in the field of implicit learning to account for the conscious nature of knowledge acquired during a learning situation. We adapted this method to a statistical learning paradigm in which participants had to extract artificial words from a continuous speech stream. In Study 2, we used the PDP to explore the extent to which conscious access to the acquired knowledge is modulated by linguistic expertise. Our results suggest that although monolinguals and bilinguals learned the words similarly, knowledge seems to be less available to consciousness for bilingual participants.<p>Second, in Studies 3 & 4, we investigated the time course of statistical learning. Study 3 introduces a novel online measure of transitional probabilities processing during speech segmentation, — an adaptation of the Click Localizaton Task (Fodor & Bever, 1965) as. In Study 4, explored whether processing of statistical regularities of speech could be modulated by linguistic expertise. The results suggest that the two groups did not differ in terms of time course of statistical processing.<p>Third, we aimed at exploring what is learned in a statistical learning situation. Two different kinds of mechanisms may account for performance. Participants may either parse the material into smaller chunks that correspond to the words of the artificial language, or they may become progressively sensitive to the actual values of the transitional probabilities between syllables. Study 5 proposes a method to determine the nature of the representations formed during learning. The purpose of this study was to compare two models of statistical learning (PARSER vs. SRN) in order to determine which better reflects the representations formed as a result of statistical learning. In study 6, we investigated the influence of linguistic expertise on the nature of the representations formed. The results suggests that bilinguals tend to form representations of the learned sequences that are more faithful to the reality of the material, compared to monolinguals.<p>Finally, Study 7 investigates how linguistic expertise influences a more complex statistical learning situation, namely artificial grammar learning. Comparison between monolingual and bilingual subjects suggests that subjects did not differ in terms of the time course of learning. However, bilinguals outperformed monolinguals in learning the grammar and seem to possess both conscious and unconscious knowledge, whereas monolinguals’ performance was only based on conscious knowledge.<p>To sum up, the studies presented in the present work suggest that linguistic expertise does not modulate the speed of processing of statistical information. However, bilinguals seem have make better use of the learned regularities and outperformed monolinguals in some specific situations. Moreover, linguistic expertise also seems to have an impact on the availability of knowledge to consciousness. / Doctorat en Sciences Psychologiques et de l'éducation / info:eu-repo/semantics/nonPublished