L'analyse d'événements aériens révèle que la plupart des accidents aéronautiques ont pour origine une surveillance inadaptée de paramètres de vol induite par une vigilance réduite, le stress ou une charge de travail importante. Une solution prometteuse pour améliorer la sécurité aérienne est d'étudier le regard des pilotes. La pupille est un bon indicateur de l'état attentionnel/cognitif tandis que les mouvements oculaires révèlent des stratégies de prises d'information. La question posée dans ce manuscrit est d'évaluer l'apport de l'oculométrie pour la sécurité aérienne par les contributions suivantes : 1-2) Les deux premières études de ce doctorat ont démontré que les effets d'interaction entre la luminance et la charge cognitive sur la réaction pupillaire. La composante pupillaire impactée dépend de la nature de la charge - soutenue ou transitoire. 3) Un cadre mathématique développé fournit un moyen d'illustration de schémas visuels pour l'analyse qualitative. Ce cadre ouvre également la voie à de nouvelles méthodes pour comparer quantitativement ces schémas visuels. 4) Une technique originale d'analyse de fixations et de construction d'un ratio "exploration-exploitation" est proposée et est appliquée dans deux cas d'études en simulateur de vol. 5) Enfin, on propose un cadre théorique d'intégration de l'oculométrie dans les cockpits. Ce cadre comporte quatre étapes présentées dans, à la fois, l'ordre chronologique de l'intégration et la complexité technique de réalisation. / Most aviation accidents include failures in monitoring or decision-making which are hampered by arousal, stress or high workload. One promising avenue to further enhance the flight safety is looking into the pilots' eyes. The pupil is a good indicator of cognitive/attentional states while eye movements reveal monitoring strategies. This thesis reflected upon the application of eye tracking in aviation with following contributions: 1-2) The two pupil experiments revealed that the luminance impacts the cognitive pupil reaction. Depending on the nature of the cognitive load - sustained or transient - the corresponding pupillary component would be impacted. The same amount of cognitive load under dimmer luminance condition would elicit larger tonic pupil diameter in a sustained load paradigm and larger phasic pupil response in a transient load paradigm. 3) We designed a novel mathematical framework and method that provide comprehensive illustrations of scanpaths for qualitative analysis. This framework also makes a lane for new methods of scanpaths comparison. 4) The developed technique of analysis of fixations and construction of "explore-exploit" ratio is presented and verifed on the data from two experiments in flight simulators. 5) Eventually, we proposed a framework of eye tracking integration into the cockpits. It contains four stages presented in both chronological order of its integration and technical complexity.

Les dérèglements émotionnels ont été largement avancés dans le développement et le maintien des conduites addictives. Ces perturbations des processus émotionnels sont associées à l’utilisation privilégiée de stratégies compensatoires mal adaptées qui vont à leur tour entériner les conduites addictives et entraver une consolidation de l’abstinence. Ce travail vise une meilleure compréhension des facteurs de vulnérabilité de la rechute à l’alcool par l’étude de l’évolution des compétences émotionnelles avec l’abstinence à travers trois volets expérimentaux. Pour cela, nous étudierons spécifiquement les mécanismes de régulation émotionnelle considérés comme centraux dans la problématique addictive. Nous utiliserons des outils particuliers pour étudier ces mécanismes que sont des indicateurs physiologiques du système nerveux autonome.Dans un premier volet, nous avons étudié les réponses du système sympathique par la mesure du diamètre pupillaire en réponse à la présentation d’images neutres etémotionnelles (positives et négatives). Nous avons démontré qu’en situation d’induction émotionnelle les patients abstinents à court terme présentent une activation plus forte du système d’alerte sympathique que les abstinents à long terme et les participants contrôles. Le niveau intermédiaire de la réponse pupillaire observé chez les abstinents à long terme suggère une amélioration partielle dans l’activation sympathique à la présentation d’une information émotionnelle (étude 1). La variabilité de la fréquence cardiaque (VFC) est un indicateur du système parasympathique, est reconnue comme marqueur de la régulation émotionnelle. L’étude de la VFC avant pendant et après une situation d’induction émotionnelle a montré une normalisation de la VFC en réponse aux stimuli émotionnels avec une abstinence à long terme. Cependant, les résultats pour les stimuli à valence négative ne sont pas différents entre les groupes abstinents à court et à long terme. Ce pattern de réponse appuie l’hypothèse d’un maintien de vulnérabilité aux émotions négatives en dépit d’une abstinence prolongée. De plus, une corrélation négative a été observée pour les deux groupes de patients entre les scores de craving et une augmentation de la VFC (étude 2). Enfin, dans un dernier volet expérimental, nous avons investigué les compétences et difficultés de régulation émotionnelle par des autoquestionnaires(CERQ et DERS) auprès de patients abstinents de quelques semaines à plusieurs années. Les résultats supportent l’hypothèse d’une limite de récupération capacités après deux ans d’abstinence (étude 3). L’étude de l’étendue des récupérations des compétences émotionnelles est une piste majeure dans la consolidation de l’abstinence. Ces trois études confirment la récupération des compétences émotionnelles avec l’abstinence mais surtout la persistance d’une vulnérabilité dans les processus émotionnels. Le caractère partiel des récupérations de ces mécanismes suppose non seulement le maintien d’une vulnérabilité en dépit d’une abstinence prolongée et met également en évidence la nécessité d’un travail d’accompagnement dans la remédiation de ces compétences à long terme. Un ensemble de perspectives de recherches et d’applications cliniques s’ouvrent au regard de ces résultats, et seront ici discutées. / Emotional disorders are recognized as a major factor of development andcontinuity of addictive behavior. These perturbations of the emotional processes areassociated with the preference given to ill-suited compensatory strategies which will inturn perpetuate addictive behaviors and interfere with the consolidation of abstinence.This study aimed to give a better understanding of the vulnerability factors of alcoholrelapse by studying the evolution of emotional competence with abstinence over threeexperimental chapters. For this purpose, we looked more closely at the mechanisms ofemotional regulation, which are considered as crucial in the addiction problem. In orderto study these mechanisms we used specific tools like the physiological cues of theautonomic nervous system.In a first chapter, we studied sympathetic system response by measuringpupillary diameter after exposure to neutral and emotional pictures (positive andnegative). We showed that when exposed to emotional induction, short-term abstinentpatients showed a stronger activation of the sympathetic nervous system than long-termabstinent patients as well as the control group. The intermediary level of pupillaryresponse found among long-term abstinent patients suggests a partial improvement ofsympathetic activation when exposed to emotional information (study 1). Heart RateVariability (HRV) is an indicator of the parasympathetic system and is viewed as amarker of emotional regulation. The study of HRV before, during and after a situation ofemotional induction showed a normalization of HRV in response to emotional stimuliwith long-term abstinence. However, results for stimuli with negative valence are notdifferent between the long-term and short-term abstinence groups. This responsepattern supports the hypothesis that there is still a vulnerability to negative emotionsdespite the prolonged abstinence. Moreover, a negative correlation between cravingscores and increase of HRV has been observed for the two patient groups (study 2).Finally, in a last experimental chapter, emotional competence and emotional regulationdifficulties were assessed by presenting the Difficulties in Emotion Regulation Scale(DERS) and the Cognitive Emotion Regulation Questionnaire (CERQ) to few weeks tofew years abstinent patients. Results support the hypothesis of a recovery shift of twoyears of abstinence for these abilities (study 3).The study of the extent of the recoveries of emotional competence is a major leadfor the consolidation of abstinence. Those three studies confirm the retrieval ofemotional competence with abstinence but they particularly show the persistence of avulnerability in the emotional processes. The fact that there is a recovery shift for thosemechanisms not only involves the continuity of a vulnerability despite a prolongedabstinence, but also underlines the need of a work of support for the remediation ofemotional competence in the long term. These results can lead to several researchprospects and clinical applications that will be discussed here.

La fatigue mentale est un état complexe qui résulte d'une activité cognitive prolongée. Les symptômes de la fatigue mentale inclus des changements d'humeur, de motivation et une détérioration temporaire de diverses fonctions cognitives. Plusieurs recherches approfondies ont été menées pour développer des méthodes de reconnaissance des signes physiologiques et psychophysiologiques de la fatigue mentale. Les signes psychophysiologiques concernent principalement signaux d'activité cérébrale et leur relation avec la psychologie et la cognition. Celles-ci ont permise le développement de nombreux modèles basés sur l'IA pour classer différents niveaux de fatigue, en utilisant des données extraites d'un appareil eye-tracking, d'un électroencéphalogramme (EEG) pour mesurer l’activité cérébrale ou d'un électrocardiogramme (ECG) pour mesurer l’activité cérébrale. Dans cette mémoire, nous présentons le protocole expérimental et développé par mes directeurs de recherche et moi-même, qui vise à la fois à générer et mesurer la fatigue mentale, et à proposer des stratégies efficaces de récupération via des séances de réalité virtuelle couplées à des dispositifs EEG et eye tracking. Réussir à générer de la fatigue mentale est nécessaire pour générer un ensemble de données suivant l’évolution de la fatigue et de la récupération au cours de l’expérience, et sera également utilisé pour classer différents niveaux de fatigue à l’aide de l’apprentissage automatique. Cette mémoire fournit d'abord un état de l'art complet des facteurs prédictifs de la fatigue mentale, des méthodes de mesure et des stratégies de récupération. Ensuite, l'article présente un protocole expérimental résultant de l'état de l'art pour (1) générer et mesurer la fatigue mentale et (2) évaluer l'efficacité de la thérapie virtuelle pour la récupération de la fatigue, (3) entrainer un algorithme d'apprentissage automatique sur les données EEG pour classer 3 niveaux de fatigue différents en utilisant un environnement simulé de réalité virtuelle (VR). La thérapie virtuelle est une technique favorisant la relaxation dans un environnement simulé virtuel et interactif qui vise à réduire le stress. Dans notre travail, nous avons réussi à générer de la fatigue mentale en accomplissant des tâches cognitives dans un environnement virtuel. Les participants ont montré une diminution significative du diamètre de la pupille et du score thêta/alpha au cours des différentes tâches cognitives. Le score alpha/thêta est un indice EEG qui suit les fluctuations de la charge cognitiveet de la fatigue mentale. Divers algorithmes d'apprentissage automatique ont été formés et testés sur des segments de données EEG afin de sélectionner le modèle qui s'ajuste le mieux à ces données en ce qui concerne la métrique d'évaluation "précision équilibrée" et "f1". Parmi les 8 différents classificateurs, le SVM RBF a montré les meilleures performances avec une précision équilibrée de 95 % et une valeur de mesure f de 0,82. La précision équilibrée fournit une mesure précise de la performance dans le cas de jeu de données déséquilibrées, en tenant compte de la sensibilité et de la spécificité, et le f-score est une mesure d'évaluation qui combine les scores de précision et de rappel. Finalement, nos résultats montrent que le temps alloué à la thérapie virtuelle n'a pas amélioré le diamètre pupillaire en période post-relaxation. D'autres recherches sur l'impact de la thérapie devraient consacrer un temps plus proche du temps de récupération standard de 60 min. / Mental fatigue is a complex state that results from prolonged cognitive activity. Symptoms of mental fatigue can include change in mood, motivation, and temporary deterioration of various cognitive functions involved in goal-directed behavior. Extensive research has been done to develop methods for recognizing physiological and psychophysiological signs of mental fatigue. Psychophysiological signs are mostly concern with patterns of brain activity and their relation to psychology and cognition. This has allowed the development of many AI-based models to classify different levels of fatigue, using data extracted from eye-tracking devices, electroencephalogram (EEG) measuring brain activity, or electrocardiogram (ECG) measuring cardiac activity. In this thesis, we present the experimental protocol developed by my research directors and I, which aims to both generate/measure mental fatigue and provide effective strategies for recuperation via VR sessions paired with EEG and eye-tracking devices. Successfully generating mental fatigue is crucial to generate a time-series dataset tracking the evolution of fatigue and recuperation during the experiment and will also be used to classify different levels of fatigue using machine learning. This thesis first provides a state-of-the-art of mental fatigue predictive factors, measurement methods, and recuperation strategies. The goal of this protocol is to (1) generate and measure mental fatigue, (2) evaluate the effectiveness of virtual therapy for fatigue recuperation, using a virtual reality (VR) simulated environment and (3) train a machine learning algorithm on EEG data to classify 3 different levels of fatigue. Virtual therapy is relaxation promoting technique in a virtual and interactive simulated environment which aims to reduce stress. In our work, we successfully generated mental fatigue through completion of cognitive tasks in a virtual simulated environment. Participants showed significant decline in pupil diameter and theta/alpha score during the various cognitive tasks. The alpha/theta score is an EEG index tracking fluctuations in cognitive load and mental fatigue. Various machine learning algorithm candidates were trained and tested on EEG data segments in order to select the classifier that best fits EEG data with respect to evaluation metric ‘balanced accuracy’ and 'f1-measures'. Among the 8 different classifier candidates, RBF SVM showed the best performance with 95% balanced accuracy 0.82 f-score value and on the validation set, and 92% accuracy and 0.90 f-score on test set. Balanced accuracy provides an accurate measure of performance in the case of imbalanced data, considering sensitivity and specificity and f-score is an evaluation metric which combines precision and recall scores. Finally, our results show that the time allocated for virtual therapy did not improve pupil diameter in the post-relaxation period. Further research on the impact of relaxation therapy should allocate time closer to the standard recovery time of 60 min.