L'objectif de cette thèse est d'explorer les corrélats électrophysiologiques du traitement des émotions à différents niveaux : la perception, la réactivité et la régulation émotionnelles, chez des patients bipolaires. La plupart des études portant sur le traitement des émotions dans cette population clinique se sont focalisées sur le traitement des émotions faciales. Ces études ont mis en évidence un dysfonctionnement des processus de réactivité et de régulation émotionnelles. Cependant, peu d'études se sont intéressées au traitement de la prosodie émotionnelle chez ces patients. Or, la prosodie émotionnelle joue un rôle central dans les interactions sociales. C'est pourquoi il apparaît important d'étudier les corrélats électrophysiologiques des processus mis en œuvre à un stade pré-attentionnel, au niveau de la détection de changements survenant dans notre environnement auditif et de l'orientation de l'attention, étapes précoces du traitement des émotions (Scherer, 2001). A notre connaissance, aucune étude ne s'y est intéressée chez les patients bipolaires. Par ailleurs, un grand nombre d'études montrent que ces patients présentent une hyperréactivité émotionnelle ainsi qu'un défaut de régulation émotionnelle, en lien avec des anomalies telles qu'une hyperactiviation amygdalienne et/ou une hypoactivation du cortex préfrontal. Cependant, les corrélats électrophysiologiques de la réactivité et de la régulation émotionnelles sont peu connus chez ces patients comme dans la population générale. L'objet de ce travail est de proposer deux expériences en électroencéphalographie afin d'étudier le décours temporel des processus de détection de la nouveauté et d'orientation non volontaire de l'attention et de processus de réactivité et de régulation émotionnelles à l'aide des potentiels évoqués. Dans la première expérience, nous utilisons un paradigme Oddball afin d'étudier la détection de la nouveauté et l'orientation non volontaire de l'attention : le matériel élaboré spécialement pour cette étude est constitué de voyelles (/a/, /i/, /u/) produites avec une prosodie de joie, de peur, de tristesse ou neutre. Dans la seconde expérience, nous avons repris le paradigme d'induction émotionnelle à l'aide d'images (Schönfelder et al., 2013), dans lequel les participants observent passivement les images ou utilisent une stratégie de régulation émotionnelle (distraction, réinterprétation cognitive). Les principaux résultats ce cette thèse montrent des anomalies de traitement des émotions chez les patients bipolaires, dès les étapes précoces de détection de la nouveauté et d'orientation non volontaire de l'attention. Si les participants contrôles présentent une MisMatch Negativity (négativité de discordance) plus ample pour certaines émotions (la peur) que pour d'autres (la joie), ce n'est pas le cas des patients. Par ailleurs, ces derniers ne présentent pas de modulation de la P3a par le changement d'émotions, ce qui indique une anomalie de l'orientation non volontaire de l'attention vers des stimuli émotionnels. Néanmoins, ils réagissent plus rapidement au changement d'émotions que les contrôles. À des étapes plus tardives, les patients bipolaires témoignent d'une réactivité émotionnelle importante pour les stimuli neutres, ce qui n'est pas le cas des contrôles. Enfin, les patients ne parviennent pas à réguler les émotions positives à l'aide d'une stratégie fondée sur le mécanisme de redéploiement attentionnel. Ces résultats suggèrent que les patients bipolaires présentent des anomalies de traitement des émotions dès les premiers processus perceptifs, n'impliquant pas de mécanismes d'attention volontaire, jusqu'à des niveaux de traitement plus contrôlés (réactivité et régulation émotionnelle volontaires). Cette thèse apporte de nouvelles données concernant la perception, la réactivité et la régulation émotionnelles et contribue à une meilleure connaissance des bases neurophysiologiques du traitement des émotions chez les patients bipolaire / This thesis investigates electrophysiological correlates of emotion processing from perception to reactivity and emotion regulation in adult with bipolar disorders. Most studies with such patients have focused on the processing of facial emotion. They showed impairment of facial recognition as well as emotional reactivity and regulation. However, few studies investigated the processing of emotional prosody and preattentive stage of processing in patient with bipolar disorders. Given that emotional prosody plays a crucial role in social interactions, it is important to better understand neurophysiological correlates of novelty detection and involuntary orientation of attention which constitute early stages of emotional processing (Scherer, 2001). To our knowledge, no study has yet addressed this issue in bipolar disorder. Moreover, patients with bipolar disorder have abnormal emotional reactivity and a deficit in emotion regulation along with hyperactivation of amygdala and hypoactivation of prefrontal cortex. Also, electrophysiological correlates of emotional reactivity and regulation are not well known in patients with bipolar disorders and in general population. For this purpose, two experiments were run in the present thesis in order to investigate the time course of novelty detection, involuntary orientation of attention, emotion reactivity and emotion regulation using evoked potentials responses. In the first experiment, an Oddball paradigm was used to assess novelty detection and orientation of attention. The linguistic material specifically designed for this study consists of French vowels (/a/, /i/, /u/) produced with happiness, fear, sadness or neutral prosodies. In the second experiment, an emotional induction paradigm (Schönfelder et al., 2013) was employed. Participants watched affective or neutral pictures or used an emotion regulation strategy (i.e., distraction or cognitive reappraisal). Taken together, the results of the present thesis indicate that patients with bipolar disorders show impairment in emotion processing even at preattentive stages such as novelty detection and involuntary orientation of attention. Healthy participants show a larger MisMatch Negativity in response to fear than to happiness, whereas patients did not. These patients did not show modulation of the P3a in response to emotion change, suggesting dysfunctioning of orientation of attention towards emotional stimuli. However, they were more sensible to emotion change than control as indicating by faster response in the case of such change. At a later stage, patients present greater emotional reactivity in response to neutral stimuli than controls. Moreover, they fail to regulate positive emotions using a regulation strategy based on attentional deployment (distraction). Overall, these results suggest that patient with bipolar disorder already show dysfunctioning at a perceptive level of emotional processing. A dysfunctioning was also attested at a more controlled processing (e.g. emotional reactivity and emotion regulation). Our work enriches the understanding on perception, reactivity and emotion regulation and contributes to a better understanding of neurophysiological bases of emotion processing in patients with bipolar disorder.

On pense souvent que notre mémoire nous joue des tours et nous fait défaut. Ces oublis concernent généralement des souvenirs qui ne sont pourtant pas si vieux. Alors quand il s’agit de se rappeler d’informations sensorielles auxquelles nous n’avons pas repensé depuis plusieurs dizaines d’années, pas de doute, il ne reste plus rien… Mais en est-on vraiment sûr? Et si l’information était toujours là, prête à se manifester de manière explicite -comme sous forme de rappel ou de sentiment de familiarité- pour peu que les conditions le lui permettent? A ce jour, très peu d’expériences ont été menées sur ce sujet. L’objectif de ma thèse a donc été d’apporter des premiers éléments de réponse concernant la récupération de mémoires laissées inactives. Ma recherche s’est orientée selon deux axes principaux : une première partie théorique où je montre a) qu’il n’est pas nécessaire de réactiver une trace mnésique pour la maintenir à très long-terme si elle a été suffisamment répétée et b) que la récupération explicite de cette mémoire serait possible grâce à la présentation d’informations qui cibleraient au mieux le souvenir ; une seconde partie expérimentale où je montre a) que des participants sont capables de récupérer de manière explicite des informations laissées en dormance pendant au moins une dizaine d’années et b) que cette trace mnésique pourrait être détectée sur des tracés d’Electroencéphalographie (EEG). Ainsi, et aussi étonnant que cela puisse paraître, dans des conditions favorables à leur réactivation, d’anciennes traces mnésiques que l’on croyait disparues, peuvent de nouveau surgir sous la manifestation de rappel ou de sentiment de familiarité par exemple. Ces résultats soulèvent des questions majeures concernant le stockage neuronal de cette information. / Memory plays tricks on us and fails us even for recent events. So for the retrieval of sensory information that we have not experienced for decades, surely the memories are gone without a trace, but can we be sure of this? What if the information had been there all along ready to be explicitly retrieved through recall or familiarity for example? So far, experimental evidence is lacking. The purpose of my thesis was to shed some light on the retrieval of these inactive memories. To tackle this problem I developed my research around two main axes: For the first part which is theoretical, I suggest that a) reactivations are not necessary to maintain very long-term memories if the memories were sufficiently repeated at first; b) it might be possible to retrieve explicitly remote inactive memories using specific cues; in the second part which is experimental, I show that a) within specific conditions participants are able to retrieve explicitly very long-term memories that were left inactive for decades and b) such memory traces could be found on the Electroencephalography (EEG) signals. Surprisingly, when conditions are met, remote memories that were thought to be lost can again elicit recall or familiarity. With these results, a question remains: How do neurons store such information?

Dans un environnement imprévisible, l'homme n'est pas toujours capable d'adapter son comportement à une situation donnée et commet alors des erreurs. Dans environ 95% des cas, ces erreurs sont commises consciemment. Cependant, le traitement de l'erreur par le cerveau ne s'opère pas de façon binaire. En effet, l'enregistrement de l'activité électromyographique (EMG) des muscles effecteurs des réponses, révèle, dans environ 15% des essais, une amorce de réponse incorrecte, une ébauche d'erreur. Dans ces essais, les sujets ont été capables de détecter, d'inhiber et de corriger leurs ébauches d'erreurs avant de produire la réponse correcte. Ces processus nécessitent-ils l'intervention de la conscience ? Quels en sont les marqueurs ?Nous montrons dans une première étude que les sujets sont capables d'une détection consciente de leurs ébauches d'erreurs dans un faible nombre de cas seulement (environ 30%). Nous mettons en évidence deux prédicteurs d'une telle détection : la taille de la bouffée EMG associée à l'ébauche d'erreur ainsi que le temps mis par les sujets, depuis le début de cette bouffée, pour la corriger et fournir la réponse correcte. Dans une deuxième étude, nous montrons qu'un indice électroencéphalographique (EEG), la Négativité d'erreur (Ne), pourrait servir de stimulus interne pour le cerveau, à la détection consciente des ébauches d'erreurs et des erreurs. Leur accès conscient interviendrait plus tardivement dans les ébauches d'erreurs que dans les erreurs, mais serait reflété dans les deux cas par des activités EEG similaires, la Positivité d'erreur (Pe). Ainsi, la correction des ébauches d'erreurs interfère avec leur accès conscient en le ralentissant. / In an unpredictable environment, man is not always able to adapt its behavior to a given situation and then makes mistakes. In about 95% of cases, these mistakes are made consciously. However, error processing in the brain does not occur in binary mode . Indeed, the recording of the electromyographic (EMG) activity of muscles involved in responses, reveals that, in about 15 % of the trials, there is a subthreshold incorrect EMG activity, called partial error, that precede the correct one. In these trials, the subjects were able to detect, inhibit their partial errors and correct them to produce the correct response.Does these processes require intervention of consciousness? What are the related markers ?We show in a first study that subjects are capable of conscious detection of their partial errors in a small number of cases (about 30 %).We highlight two predictors of such detection : the size of the EMG burst associated with the partial error and the time taken by the subjects, since EMG onset , to correct and to provide the correct response.In a second study , we show that an electroencephalographic (EEG) index, the error negativity (Ne) , could serve as an internal stimulus to the brain, for conscious detection of errors and partial errors. Their conscious access would occur later in partial errors than errors but would be reflected in both cases by similar a similar EEG activity, the error positivity (Pe). Thus, correction of partial errors interfere with their conscious access by slowing it.

Des niveaux d'automatisation élevés sont intégrés dans les environnements critiques pour satisfaire la demande croissante de systèmes plus sûrs. Cette philosophie déplace les opérateurs vers un rôle de supervision et crée de nouveaux problèmes appelés problèmes de performance liés à la sortie de boucle (SDB). L'émergence de pensées sans lien avec ici et maintenant, ou divagation attentionnelle (DA), pourrait affecter les opérateurs dans des situations de SDB par le biais du découplage perceptuel induit. Cette thèse a étudié la dynamique de la DA dans les situations de SDB et son influence sur les opérateurs. Nous avons en premier lieu examiné les preuves dans la littérature pointant vers un lien entre le problème de performance lié à la SDB et la DA. Nous avons complété cette analyse théorique en rapportant la tendance des pilotes (collectée avec un questionnaire) à rencontrer plus de problèmes avec leur pilote automatique pour ceux ayant une plus grande propension au MW non lié à la tâche. Nous avons ensuite mené trois expériences dans des conditions de SDB. Nous avons observé une augmentation significative des épisodes de DA dans les situations de SDB quelle que soit la fiabilité du système, par rapport aux conditions manuelles. Les épisodes de DA étaient également accompagnés d'un découplage perceptuel vis-à-vis de la tâche créé par la DA non lié à la tâche. Ce découplage était visible sur des rapports de demande mentale ainsi que les signaux oculométriques et encéphalographiques. Dans l'ensemble, nos résultats démontrent la possibilité d'utiliser des marqueurs physiologiques de la DA dans des environnements de SDB complexes. Nous discutons de nouvelles perspectives d'utilisation des marqueurs de la DA pour caractériser les problèmes de performance liés à la SDB. Sans vouloir arrêter aveuglément l'émergence de la DA, qui pourrait être bénéfique pour les opérateurs, les recherches futures devraient se concentrer sur la conception de systèmes capables de gérer la DA et d'identifier les informations nécessaires pour faciliter la rentrée de l'opérateur dans la boucle de contrôle. / Higher levels of automation are progressively integrated in critical environments to satisfy the increasing demand for safer systems. Such philosophy moves operators to a supervisory role, also called out-of-the-loop (OOTL) situations. Unfortunately, OOTL situations also create a new kind of human-machine interaction issues, called OOTL performance problem. The dramatic consequences of OOTL performance problem stress the need to identify which mechanisms could influence their appearance. The emergence of thoughts unrelated to the here and now, labeled mind wandering (MW), could affect operators in OOTL situations through the perceptual decoupling induced. This thesis investigates MW dynamic in OOTL situations and its influence on operators. We firstly reviewed the evidences in the literature underlining a link between OOTL performance problem and MW. We completed theoretical insights by reporting pilots' tendency (collected with a questionnaire) to encounter more problems with autopilots when experiencing more task-unrelated MW. Then, we conducted three experiments in OOTL conditions using an obstacle avoidance task. With non-expert population and sessions longer than 45 minutes, we observed a significant increase of MW in OOTL situations compared to manual conditions, independently of system reliability. MW episodes were also accompanied by a perceptual decoupling from the task induced by task-unrelated MW. This decoupling was visible on reports of mental demand as well as oculometric (pupil size, blinks) and encephalographic (N1 component, alpha activity) signals. Overall, our results demonstrate the possibility to use physiological markers of MW in complex OOTL environments. We discuss new perspectives towards the use of MW markers to characterize the OOTL performance problem. Instead of blindly stopping MW episodes, which could have benefits for operators, future research should focus on designing systems able to cope with MW and identify information needed to facilitate the reentry in the control loop when needed.

La question du rôle du cortex dans la modulation des afférences somesthésiques inhérente à l'intégration sensorimotrice et au contrôle moteur reste l'objet de recherches cliniques et fondamentales. Si le cortex moteur primaire (M1) occupe un rôle central dans le contrôle du mouvement en participant activement à l'élaboration du plan moteur et à son exécution, il semble réciproquement influencé par les afférences somesthésiques générées par le mouvement. Il est probable que réciproquement il soit capable de moduler ces afférences somesthésiques. L'objectif principal de ce travail de thèse était d'apporter des arguments en faveur de cette modulation potentielle des afférences somesthésiques par le cortex moteur. Nous nous sommes, dans ce contexte, intéressés à la stimulation électrique chronique du cortex moteur (SCM) utilisée dans la prise en charge de certaines douleurs neuropathiques et dont les mécanismes de l'effet analgésique demeurent mal connus. Afin de mettre en évidence une possible neuromodulation induite par la SCM nous avons étudié son influence sur les rythmes corticaux liés au mouvement, particulièrement la synchronisation du rythme béta suivant le mouvement (SLE β) sachant qu'il existe des arguments en faveur d'une relation entre SLE β et le traitement cortical des afférences somesthésiques liées au mouvement. La première partie du travail a consisté à conforter cette probable influence des afférences somesthésiques corticales sur la SLE β. Nous avons pour ce faire étudié les profils de SLE β en enregistrement électroencéphalographique (EEG) 128 voies chez des patients présentant, dans un contexte de douleurs neuropathiques, une déafférentation sensitive d'origine centrale ou périphérique, documentée par une altération des potentiels évoqués somesthésiques (PES). Nous avons pu constater que la déafférentation sensitive provoquait une destructuration du profil de SLE β en comparaison à une population de volontaires sains. En effet, les patients présentaient une SLE β dont la distribution spatiale était restreinte et volontiers ipsilatérale au mouvement du côté douloureux contrairement à la distribution spatiale physiologique de la SLE β volontiers bilatérale à prédominance controlatérale au mouvement. Nous avons donc conclu au terme de cette première partie que la SLE β pouvait être considérée comme un reflet des afférences somesthésiques au niveau cortical et un bon outil de l'étude de l'intégration sensori-motrice. La deuxième partie du travail a consisté à étudier les effets de la SCM sur les modifications de la SLE β en condition de déafférentation sensitive. Nous avons exploré les profils de SLE β chez des patients éligibles à une SCM pour la prise en charge de leurs douleurs neuropathiques. Ces explorations ont eu lieu avant et durant la réalisation de la SCM. Nous avons pu constater une modulation significative de la SLE β par la SCM avec une restauration d'une distribution spatiale plus physiologique. Compte tenu du rôle du thalamus dans la génèse des oscillations corticales, des connexions réciproques du cortex moteur et du thalamus et de l'influence des afférences somesthésiques sur la SLE β, nous avons supposé que la SCM facilitait les afférences somesthésiques thalamo-corticales liées au mouvement. Dès lors, nous nous sommes intéressés dans une troisième partie aux effets de la SCM sur les PES de ces patients. Nous avons constaté chez certains d'entre eux une augmentation de l'amplitude des potentiels N20/P25, et ce de façon corrélée à l'effet analgésique de la SCM. Notre travail semble apporter des arguments en faveur d'une capacité du cortex moteur à moduler les afférences somesthésiques tout au moins en condition non physiologique d'une stimulation électrique. Ces résultats sont concordants avec des données cliniques et fondamentales antérieurement rapportées dans la littérature.

Les troubles du comportement en sommeil paradoxal (TCSP) ont été individualisés comme un type de parasomnie par Carlos Schenck en 1986. Il s'agit d'une parasomnie caractérisée par l'absence d'atonie musculaire pendant le sommeil paradoxal associée à l'apparition de mouvements anormaux allant de simples secousses à des comportements élaborés souvent violents. Ces comportements dépendent de l'activité onirique et sont décrits comme une " mise en acte des rêves ". Les TCSP sont fréquents dans la maladie de Parkinson. Les patients parkinsoniens ayant des TCSP ont des troubles cognitifs plus importants et ont un risque de démence plus important que les autres patients. Les TCSP peuvent également se présenter de manière isolée, sans aucune cause pathologique apparente. Ils sont alors considérés comme " idiopathiques " (TCSPi). Ce terme " idiopathique " a néanmoins été remis en cause du fait de la présence de nombreux signes évocateurs d'une synucléinopathie chez ces patients (affaiblissement des performances cognitives, anomalies cérébrales structurales et fonctionnelles). De nombreux patients ayant des TCSP initialement considérés comme idiopathiques, vont développer un syndrome parkinsonien et/ou une démence après plusieurs années d'évolution. Une étude récente rapporte que cela concerne 81 % des patients après 16 ans de suivi. Ces données ont conduit à l'hypothèse selon laquelle les TCSP seraient un symptôme révélant les stades précoces " non-moteurs " de la MP. Les agrégats pathologiques d'alpha-synucléine touchant les structures du tronc cérébral seraient à l'origine de l'apparition de TCSP avant même le syndrome parkinsonien. Cette chronologie dans les stades d'évolution de la MP (pré-clinique, pré-moteur, moteur, démence) ne semble néanmoins pas être retrouvée chez tous les patients parkinsoniens. Elle révèlerait plutôt un certain sous-type de MP, caractérisée par de nombreux symptômes non-moteurs précédant le syndrome parkinsonien et par un risque accru de démence précoce. Parmi ces symptômes non moteurs, les troubles cognitifs seraient importants et toucheraient notamment le fonctionnement visuo-perceptif. Ce travail a eu pour objectif d'étudier le lien entre les TCSP, les troubles visuo-perceptifs et la maladie de Parkinson. Dans une première étude, des évaluations spécifiques des fonctions visuo-spatiales ont permis de mettre en évidence des troubles visuo-perceptifs chez les patients ayant des TCSPi. Les patients parkinsoniens ayant des TCSP avaient des troubles visuo-perceptifs plus marqués que ceux n'ayant pas de TCSP. Les résultats ont également permis d'identifier la nature des troubles visuo-perceptifs. Les processus intermédiaires de traitement de l'information visuelle semblent spécifiquement touchés dans ces groupes de patients.La deuxième partie de notre travail a été consacrée à l'exploration des corrélats neurophysiologiques de cette atteinte perceptive chez les patients ayant des TCSPi. Cette étude était basée sur l'analyse d'un potentiel évoqué cognitif : la Ncl (negativity associated with closure) décrite comme un marqueur de notre capacité à reconnaître des objets partiellement occultés ; autrement dit, une composante générée par la mise en jeu des processus intermédiaires de traitement de l'information visuelle. L'absence de Ncl observée chez les patients ayant des TCSPi est compatible avec l'hypothèse d'un dysfonctionnement des régions du Lateral occipital complex (LOC) situées sur la voie ventrale de traitement de l'information visuelle. [...]

La compréhension du fonctionnement du cerveau est un des défis majeurs des neurosciences. Pour appréhender cet organe in vivo de nombreux dispositifs sont développés, parmi eux l'électroencéphalographie (EEG). L'EEG mesure directement et d’une manière non invasive les signaux du cerveau avec une haute résolution temporelle. L’activation électrique d’une région dans le cerveau est modélisée par un dipôle de courant. Le principal objectif de l’EEG est le suivi de l'activité cérébrale pendant une tâche spécifique et la localisation/reconstruction des dipôles sources dans le cerveau. Il est utilisé à la fois dans la pratique et dans les recherches en neuroscience. Le processus de localisation des sources implique la résolution d'un problème inverse qui nécessite des modèles de la solution du problème direct. Le problème direct concerne la prédiction du potentiel électrique, résultant de l'activité cérébrale, sur le scalp à partir d'une répartition des sources données dans le cerveau. La précision de la localisation des sources dépend largement des performances de la solution du problème direct, qui est liée à la précision du modèle de tête, du modèle des sources ainsi que de la méthode de résolution du problème direct. Actuellement en pratique, pour des raisons de simplicité de calcul et de rapidité, les algorithmes EEG utilisent principalement le modèle de tête sphérique multicouche ou la méthode des éléments de frontière pour résoudre le problème direct. L’amélioration de la résolution en EEG nécessite l’utilisation de modèles de têtes plus réalistes qui prennent en considération d’avantages de paramètres tels que l’inhomogénéité et l’anisotropie des tissus. C’est pour ces raisons que la méthode des éléments finis (FEM) est la mieux adaptée et a attiré l’attention de plusieurs chercheurs. Néanmoins, avec la discrétisation de la FEM, les sources peuvent présenter une singularité numérique, ceci impacte négativement la solution du problème direct. Afin de remédier à ce problème des techniques tel que la méthode directe, la méthode de soustraction et la méthode de Saint Venant sont utilisées pour traiter la singularité. Cependant, toutes ces méthodes montrent des instabilités numériques dans le cas de sources situées à proximité des interfaces des tissus du cerveau. Pour y remédier une amélioration a été apportée à la méthode de Saint Venant au cours de cette thèse. Le rapport donne un aperçu sur l’activité cérébrale, un rappel de la FEM, son application pour la résolution du problème direct en EEG, le traitement de la singularité numérique et des instabilités près des interfaces, puis une présentation de la version modifiée de Saint-Venant, proposée et mise en œuvre dans ce travail. Nous validerons les résultats de la méthode modifiée de Saint-Venant dans des modèles de têtes sphériques multicouches et des modèles à géométries réelles. Pour finir, on testera cette méthode dans les outils et logiciels actuellement utilisés dans la pratique pour la localisation des zones activé dans le cerveau et nous montrerons les améliorations qui peuvent être apportées en utilisant notre approche de la méthode de Saint Venant modifiée. / Understanding the brain functions is one of the major challenges of neuroscience. To apprehend this organ in vivo many devices are developed, among them the electroencephalography (EEG). EEG measures directly and noninvasively the brain signals with high time resolution. The electrical activation of a region in the brain is modeled by a current dipole. The main objective of the EEG is monitoring the brain activity during a specific task and the location/reconstruction of the dipole sources within the brain. It is used both in practice and in research in neuroscience. The source’s localization process consists of solving an inverse problem that requires models of the solution of the direct or forward problem. The forward problem is the prediction of the electric potential on the scalp from a distribution sources in the brain. The accuracy of the source’s localization depends largely on the performance of the forward problem’s solution, which is related to the accuracy of the head model, the source model and the related method used to solve the forward problem. Currently in practice for reasons of computational simplicity and speed, EEG codes use mainly the multilayered spherical head model or the boundary element method for solving the forward problem. Improving the EEG’s source localization requires the use of more realistic head models which take into account more parameters such as inhomogeneity and anisotropy of the tissues. For these reasons the finite element method (FEM) is best suited and attracted the attention of many researchers. Nevertheless, with the FEM discretization, the sources may bring a numerical singularity; this negatively impacts the solution of the forward problem. To treat this problem some techniques such as the direct method, the subtraction method and the method of Saint-Venant are developed. However, all these methods show numerical instabilities in the case from sources close to the interfaces of brain tissue. To remedy these instabilities a modification was made on the Saint-Venant’s method. The report provides an overview on brain activity, a reminder of the FEM, its application for solving the forward problem in EEG, processing to treat the numerical singularity of the source and the instability near interfaces using the modified method of the Saint-Venant. We validate the results of the modified Venant’s method in models of multilayered spherical head and models with real geometries. Finally, we will test this approach in tools and software currently used in practice for locating areas activated in the brain and shows the improvements that can be made using the method of modified Saint-Venant.

L'étude par neuro-imagerie de l'activité de plusieurs cerveaux en interaction (hyperscanning) permet d'étendre notre compréhension des neurosciences sociales. Nous proposons un cadre pour l'hyperscanning utilisant les interfaces cerveau-ordinateur multi-utilisateur qui inclut différents paradigmes sociaux tels que la coopération ou la compétition. Les travaux de cette thèse comportent trois contributions interdépendantes. Notre première contribution est le développement d'une plateforme expérimentale sous la forme d'un jeu vidéo multijoueur, nommé Brain Invaders 2, contrôlé par la classification de potentiels évoqués visuels enregistrés par électroencéphalographie (EEG). Cette plateforme est validée par deux protocoles expérimentaux comprenant dix-neuf et vingt-deux paires de sujets et utilise différentes approches de classification adaptative par géométrie riemannienne. Ces approches sont théoriquement et expérimentalement comparées et nous montrons la supériorité de la fusion des classifieurs indépendants sur la classification d'un hypercerveau durant la seconde contribution. L'analyse de coïncidence des signaux entre les individus est une approche classique pour l'hyperscanning, elle est pourtant difficile quand les signaux EEG concernés sont transitoires avec une grande variabilité (intra- et inter-sujet) spatio-temporelle et avec un faible rapport signal-à-bruit. En troisième contribution, nous proposons un nouveau modèle composite de séparation aveugle de sources physiologiquement plausibles permettant de compenser cette variabilité. Une solution par diagonalisation conjointe approchée est proposée avec une implémentation d'un algorithme de type Jacobi. A partir des données de Brain Invaders 2, nous montrons que cette solution permet d'extraire simultanément des sources d'artéfacts, des sources d'EEG évoquées et des sources d'EEG continues avec plus de robustesse et de précision que les modèles existants. / The study of several brains interacting (hyperscanning) with neuroimagery allows to extend our understanding of social neurosciences. We propose a framework for hyperscanning using multi-user Brain-Computer Interfaces (BCI) that includes several social paradigms such as cooperation or competition. This dissertation includes three interdependent contribution. The first contribution is the development of an experimental platform consisting of a multi-player video game, namely Brain Invaders 2, controlled by classification of visual event related potentials (ERP) recorded by electroencephalography (EEG). The plateform is validated through two experimental protocols including nineteen and twenty two pairs of subjects while using different adaptive classification approaches using Riemannian geometry. Those approaches are theoretically and experimentally compared during the second contribution ; we demonstrates the superiority in term of accuracy of merging independent classifications over the classification of the hyperbrain during the second contribution. Analysis of inter-brain synchronizations is a common approach for hyperscanning, however it is challenging for transient EEG waves with an great spatio-temporal variability (intra- and inter-subject) and with low signal-to-noise ratio such as ERP. Therefore, as third contribution, we propose a new blind source separation model, namely composite model, to extract simultaneously evoked EEG sources and ongoing EEG sources that allows to compensate this variability. A solution using approximate joint diagonalization is given and implemented with a fast Jacobi-like algorithm. We demonstrate on Brain Invaders 2 data that our solution extracts simultaneously evoked and ongoing EEG sources and performs better in term of accuracy and robustness compared to the existing models.

Des travaux récents indiquent qu'il existe des différences fondamentales entre les systèmes visuel et auditif: tandis que le premier semble échantillonner le flux d'information en provenance de l'environnement, en passant d'un "instantané" à un autre (créant ainsi des cycles perceptifs), la plupart des expériences destinées à examiner ce phénomène de discrétisation dans le système auditif ont mené à des résultats mitigés. Dans cette thèse, au travers de deux expériences de psychophysique, nous montrons que le sous-échantillonnage de l'information à l'entrée des systèmes perceptifs est en effet plus destructif pour l'audition que pour la vision. Cependant, nous révélons que des cycles perceptifs dans le système auditif pourraient exister à un niveau élevé du traitement de l'information. En outre, nos résultats suggèrent que du fait des fluctuations rapides du flot des sons en provenance de l'environnement, le système auditif tend à avoir son activité alignée sur la structure rythmique de ce flux. En synchronisant la phase des oscillations neuronales, elles-mêmes correspondant à différents états d'excitabilité, le système auditif pourrait optimiser activement le moment d'arrivée de ses "instantanés" et ainsi favoriser le traitement des informations pertinentes par rapport aux événements de moindre importance. Non seulement nos résultats montrent que cet entrainement de la phase des oscillations neuronales a des conséquences importantes sur la façon dont sont perçus deux flux auditifs présentés simultanément ; mais de plus, ils démontrent que l'entraînement de phase par un flux langagier inclut des mécanismes de haut niveau. Dans ce but, nous avons créé des stimuli parole/bruit dans lesquels les fluctuations de l'amplitude et du contenu spectral de la parole ont été enlevés, tout en conservant l'information phonétique et l'intelligibilité. Leur utilisation nous a permis de démontrer, au travers de plusieurs expériences, que le système auditif se synchronise à ces stimuli. Plus précisément, la perception, estimée par la détection d'un clic intégré dans les stimuli parole/bruit, et les oscillations neuronales, mesurées par Electroencéphalographie chez l'humain et à l'aide d'enregistrements intracrâniens dans le cortex auditif chez le singe, suivent la rythmique "de haut niveau" liée à la parole. En résumé, les résultats présentés ici suggèrent que les oscillations neuronales sont un mécanisme important pour la discrétisation des informations en provenance de l'environnement en vue de leur traitement par le cerveau, non seulement dans la vision, mais aussi dans l'audition. Pourtant, il semble exister des différences fondamentales entre les deux systèmes: contrairement au système visuel, il est essentiel pour le système auditif de se synchroniser (par entraînement de phase) à son environnement, avec un échantillonnage du flux des informations vraisemblablement réalisé à un niveau hiérarchique élevé. / Recent research indicates fundamental differences between the auditory and visual systems: Whereas the visual system seems to sample its environment, cycling between "snapshots" at discrete moments in time (creating perceptual cycles), most attempts at discovering discrete perception in the auditory system failed. Here, we show in two psychophysical experiments that subsampling the very input to the visual and auditory systems is indeed more disruptive for audition; however, the existence of perceptual cycles in the auditory system is possible if they operate on a relatively high level of auditory processing. Moreover, we suggest that the auditory system, due to the rapidly fluctuating nature of its input, might rely to a particularly strong degree on phase entrainment, the alignment between neural activity and the rhythmic structure of its input: By using the low and high excitability phases of neural oscillations, the auditory system might actively control the timing of its "snapshots" and thereby amplify relevant information whereas irrelevant events are suppressed. Not only do our results suggest that the oscillatory phase has important consequences on how simultaneous auditory inputs are perceived; additionally, we can show that phase entrainment to speech sound does entail an active high-level mechanism. We do so by using specifically constructed speech/noise sounds in which fluctuations in low-level features (amplitude and spectral content) of speech have been removed, but intelligibility and high-level features (including, but not restricted to phonetic information) have been conserved. We demonstrate, in several experiments, that the auditory system can entrain to these stimuli, as both perception (the detection of a click embedded in the speech/noise stimuli) and neural oscillations (measured with electroencephalography, EEG, and in intracranial recordings in primary auditory cortex of the monkey) follow the conserved "high-level" rhythm of speech. Taken together, the results presented here suggest that, not only in vision, but also in audition, neural oscillations are an important tool for the discretization and processing of the brain's input. However, there seem to be fundamental differences between the two systems: In contrast to the visual system, it is critical for the auditory system to adapt (via phase entrainment) to its environment, and input subsampling is done most likely on a hierarchically high level of stimulus processing.

Dans une première partie, j'illustrerai quelques uns de mes travaux en visio n par ordinateur et traitement d'images. Ceux-ci portent notamment sur la géométrie multi-vues, l'utilisation du raisonnement géométrique pour intégrer des contraintes sur la scène, l'appariement et la segmentation d'images. Sans forcément rentrer dans les détails, j'exposerai les idées fondamentales qui sous-tendent ces travaux qui ont maintenant quelques années et proposerai quelques perspectives sur des extensions possibles. Une deuxième partie abordera certains problèmes liés à l'électro- et la magnéto-encéphalographie M/EEG, sujet auquel je me suis intéressé plus récemment. Je décrirai en particulier un algorithme de détection d'événements d'intérêts en essai par essai ainsi que certaines techniques que nous avons développé pour la modélisation du problème direct M/EEG. Comme pour la première partie, je tenterai de proposer quelques unes des évolutions possibles autour de cette thématique.