Les personnes atteintes de schizophrénie peuvent présenter un sommeil anormal même lorsqu’elles sont stables cliniquement sous traitements pharmacologiques. Les études présentées dans cette thèse ont pour but de mesurer le sommeil afin de mieux comprendre les dysfonctions des mécanismes cérébraux pouvant être impliqués dans la physiopathologie de la schizophrénie. Les trois études présentées dans cette thèse rapportent des résultats sur le sommeil dans la schizophrénie à trois niveaux d’analyse chez trois groupes différents de patients. Le premier niveau est subjectif et décrit le sommeil à l’aide d’un questionnaire administré chez des personnes atteintes de schizophrénie cliniquement stables sous traitements pharmacologiques. Le deuxième niveau est objectif et évalue le sommeil par une méta-analyse des études polysomnographiques chez des patients atteints de schizophrénie ne recevant pas de traitement pharmacologique. Le troisième niveau est micro-structurel et utilise l’analyse spectrale de l’électroencéphalogramme (EEG) afin de caractériser le sommeil paradoxal de patients en premier épisode aigu de schizophrénie avant le début du traitement pharmacologique. La première étude montre que, lorsqu’évaluées par un questionnaire de sommeil, les personnes atteintes de schizophrénie cliniquement stables sous traitements pharmacologiques rapportent prendre plus de temps à s’endormir, se coucher plus tôt et se lever plus tard, passer plus de temps au lit et faire plus de siestes comparativement aux participants sains. Aussi, tout comme les participants sains, les personnes atteintes de schizophrénie rapportent un nombre normal d’éveils nocturnes, se disent normalement satisfaites de leur sommeil et se sentent normalement reposées au réveil. La deuxième étude révèle qu’objectivement, lorsque les études polysomnographiques effectuées chez des patients non traités sont soumises à une méta-analyse, les personnes atteintes de schizophrénie montrent une augmentation du délai d’endormissement, une diminution du temps total en sommeil, une diminution de l’efficacité du sommeil et une augmentation de la durée des éveils nocturnes comparativement aux participants sains. Les patients en arrêt aigu de traitement ont des désordres plus sévères au niveau de ces variables que les patients jamais traités. Seulement les patients jamais traités ont une diminution du pourcentage de stade 2 comparativement aux participants sains. La méta-analyse ne révèle pas de différence significative entre les groupes en ce qui concerne le sommeil lent profond et le sommeil paradoxal. La troisième étude, portant sur l’analyse spectrale de l’EEG en sommeil paradoxal, montre une diminution de l’amplitude relative de la bande de fréquence alpha dans les régions frontales, centrales et temporales et montre une augmentation de l’amplitude relative de la bande de fréquence bêta2 dans la région occipitale chez les personnes en premier épisode de schizophrénie jamais traitées comparativement aux participants sains. L’activité alpha absolue est positivement corrélée aux symptômes négatifs dans les régions frontales, centrales et temporales et négativement corrélée aux symptômes positifs dans la région occipitale. L’activité beta2 absolue ne montre pas de corrélation significative avec les symptômes positifs et négatifs de la schizophrénie. Ces résultats sont discutés suivant la possibilité que des dysfonctions au niveau des mécanismes de la vigilance seraient impliquées dans la physiopathologie de la schizophrénie. / Patients with schizophrenia may have an abnormal sleep even when clinically stable under pharmacological treatments. In the present thesis, sleep studies aim at measuring central nervous system dysfunctions that can be involved in the pathophysiology of schizophrenia. The present thesis includes three studies. These studies report results on sleep in patients with schizophrenia in a three levels analysis with three different groups of patients. The first level is subjective and describes sleep habits using a questionnaire administered to outpatients with schizophrenia clinically stable under pharmacological treatments. The second level of analysis is objective and evaluates sleep architecture using a meta-analysis of polysomnographic studies in untreated patients with schizophrenia. The third level is microstructural and uses electroencephalogram (EEG) spectral analysis to characterize REM sleep in never-treated patients with first-episode schizophrenia. The first study shows that, when evaluated using a sleep habits questionnaire, outpatients with schizophrenia clinically stable under pharmacological treatments report increased time to fall asleep, have earlier bedtime, later risetime, spend more time in bed and do more naps compared to healthy participants. Also, similarly to healthy participants, most patients with schizophrenia report normal wake time after sleep onset, are normally satisfied about their sleep and feel normally refreshed in the morning. The second study reveals that, objectively, when polysomnographic studies evaluating untreated patients with schizophrenia are submitted to a meta-analysis, patients with schizophrenia have increased sleep latency, reduced total sleep time, reduced sleep efficiency and increased wake time after sleep onset compared to healthy participants. Patients in acute drug withdrawal show more severe sleep disturbances in these variables compared to never treated patients. Only never treated patients show decreased stage 2 sleep duration compared to healthy participants. The meta-analysis does not reveal significant differences between groups in regards to slow wave sleep and paradoxical sleep variables. The third study about REM sleep EEG spectral analysis shows decreased relative alpha spectral amplitude in frontal, central and temporal cortical regions and increased relative beta2 spectral amplitude in the occipital region in never treated patients with first-episode schizophrenia compared to healthy participants. Absolute alpha spectral amplitude correlates positively with negative symptoms in the frontal, central and temporal regions and negatively with positive symptoms in the occipital region. No significant correlation has been observed between beta2 spectral amplitude and clinical symptoms of schizophrenia. These results are discussed following the possibility that dysfunctions in the mechanisms of vigilance would be involved in the pathophysiology of schizophrenia.

Les ondes lentes (OL) sur l’électroencéphalogramme caractérisent le sommeil dit lent. Leur production dépend de la synchronisation de l’activité neuronale dans un large réseau néocortical. Les OL présentent d’importants changements au cours du vieillissement, et ce, dès le milieu de l’âge adulte. L’objectif de ce mémoire est d’évaluer la contribution de l’amincissement cortical dans les modifications des caractéristiques des OL durant l’âge adulte. Notre étude montre que la densité (nb/min) et l’amplitude (µV) des OL est liée à l’épaisseur de plusieurs régions du cortex chez des sujets jeunes et âgés. Toutefois, la pente des OL (µV/s) n’a pas semblé en relation avec la neuroanatomie. Des analyses de médiation montrent que la diminution de la densité des OL chez les personnes âgés s’explique par l’amincissement de gyri frontaux et temporaux, alors que les effets de l’âge sur l’amplitude des OL s’expliquent par l’amincissement d’un ensemble plus grand de régions corticales. / Sleep slow waves (SW) on the electroencephalogram (EEG) reflect synchronous alternance between depolarization and hyperpolarisation states in many cortical neurons. As soon as in the middle-years of life (around 45-50 years old), sleep SW change considerably. In this master’s thesis, we investigated the role of cortical thinning in normal age-related changes in characteristics of sleep SW. Our results show that SW amplitude (µV) and density(nb/min) are linked to cortical thickness in many cerebral regions in young and older subjects. However, SW slope did not present significant associations with cortical thickness. Mediation analysis showed that specific thinning in right middle frontal and middle temporal gyri explained age-related changes in SW density, whereas thinning in a large-scale network of regions explained age-related changes in SW amplitude. As a whole, our results shows that thinning in cortical regions involved in SW generation and propagation are associated with age-related changes in sleep SW.

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.

L'objectif de ce travail est de développer une méthode capable de déterminer automatiquement l'état de vigilance chez l'humain. Les applications envisageables sont multiples. Une telle méthode permettrait par exemple de détecter automatiquement toute modification de l'état de vigilance chez des personnes qui doivent rester dans un état de vigilance élevée (par exemple, les pilotes ou les personnels médicaux).Dans ce travail, les signaux électroencéphalographiques (EEG) de 58 sujets dans deux états de vigilance distincts (état de vigilance haut et bas) ont été recueillis à l'aide d'un casque à 58 électrodes posant ainsi un problème de classification binaire. Afin d'envisager une utilisation de ces travaux sur une application du monde réel, il est nécessaire de construire une méthode de prédiction qui ne nécessite qu'un faible nombre de capteurs (électrodes) afin de limiter le temps de pose du casque à électrodes ainsi que son coût. Au cours de ces travaux de thèse, plusieurs approches ont été développées. Une première approche propose d'utiliser un pré-traitement des signaux EEG basé sur l'utilisation d'une décomposition en ondelettes discrète des signaux EEG afin d'extraire les contributions de chaque fréquence dans le signal. Une régression linéaire est alors effectuée sur les contributions de certaines de ces fréquences et la pente de cette régression est conservée. Un algorithme génétique est utilisé afin d'optimiser le choix des fréquences sur lesquelles la régression est réalisée. De plus, cet algorithme génétique permet la sélection d'une unique électrode.Une seconde approche est basée sur l'utilisation du Common Spatial Pattern (CSP). Cette méthode permet de définir des combinaisons linéaires des variables initiales afin d'obtenir des signaux synthétiques utiles pour la tâche de classification. Dans ce travail, un algorithme génétique ainsi que des méthodes de recherche séquentielle ont été proposés afin de sélectionner un sous groupes d'électrodes à conserver lors du calcul du CSP.Enfin, un algorithme de CSP parcimonieux basé sur l'utilisation des travaux existant sur l'analyse en composantes principales parcimonieuse a été développé.Les résultats de chacune des approches sont détaillés et comparés. Ces travaux ont aboutit sur l'obtention d'un modèle permettant de prédire de manière rapide et fiable l'état de vigilance d'un nouvel individu. / The aim of this work is to develop a method able to automatically determine the alertness state of humans. Such a task is relevant to diverse domains, where a person is expected or required to be in a particular state. For instance, pilots, security personnel or medical personnel are expected to be in a highly alert state, and this method could help to confirm this or detect possible problems. In this work, electroencephalographic data (EEG) of 58 subjects in two distinct vigilance states (state of high and low alertness) were collected via a cap with $58$ electrodes. Thus, a binary classification problem is considered. In order to use of this work on a real-world applications, it is necessary to build a prediction method that requires only a small number of sensors (electrodes) in order to minimize the time needed by the cap installation and the cap cost. During this thesis, several approaches have been developed. A first approach involves use of a pre-processing method for EEG signals based on the use of a discrete wavelet decomposition in order to extract the energy of each frequency in the signal. Then, a linear regression is performed on the energies of some of these frequencies and the slope of this regression is retained. A genetic algorithm (GA) is used to optimize the selection of frequencies on which the regression is performed. Moreover, the GA is used to select a single electrode .A second approach is based on the use of the Common Spatial Pattern method (CSP). This method allows to define linear combinations of the original variables to obtain useful synthetic signals for the task classification. In this work, a GA and a sequential search method have been proposed to select a subset of electrode which are keep in the CSP calculation.Finally, a sparse CSP algorithm, based on the use of existing work in the sparse principal component analysis, was developed.The results of the different approaches are detailed and compared. This work allows us to obtaining a reliable model to obtain fast prediction of the alertness of a new individual.

<p>A Real-Time Brain-Computer Interface is a technical system classifying increased or decreased brain activity in Real-Time between different body movements, actions performed by a person. Focus in this thesis will be on testing algorithms and settings, finding the initial time interval and how increased activity in the brain can be distinguished and satisfyingly classified. The objective is letting the system give an output somewhere within 250ms of a thought of an action, which will be faster than a persons reaction time. </p><p>Algorithms in the preprocessing were Blind Signal Separation and the Fast Fourier Transform. With different frequency and time interval settings the algorithms were tested on an offline Electroencephalographic data file based on the "Ten Twenty" Electrode Application System, classified using an Artificial Neural Network. </p><p>A satisfying time interval could be found between 125-250ms, but more research is needed to investigate that specific interval. A reduction in frequency resulted in a lack of samples in the sample window preventing the algorithms from working properly. A high frequency is therefore proposed to help keeping the sample window small in the time domain. Blind Signal Separation together with the Fast Fourier Transform had problems finding appropriate correlation using the Ten-Twenty Electrode Application System. Electrodes should be placed more selectively at the parietal lobe, in case of requiring motor responses.</p>

A Real-Time Brain-Computer Interface is a technical system classifying increased or decreased brain activity in Real-Time between different body movements, actions performed by a person. Focus in this thesis will be on testing algorithms and settings, finding the initial time interval and how increased activity in the brain can be distinguished and satisfyingly classified. The objective is letting the system give an output somewhere within 250ms of a thought of an action, which will be faster than a persons reaction time. Algorithms in the preprocessing were Blind Signal Separation and the Fast Fourier Transform. With different frequency and time interval settings the algorithms were tested on an offline Electroencephalographic data file based on the "Ten Twenty" Electrode Application System, classified using an Artificial Neural Network. A satisfying time interval could be found between 125-250ms, but more research is needed to investigate that specific interval. A reduction in frequency resulted in a lack of samples in the sample window preventing the algorithms from working properly. A high frequency is therefore proposed to help keeping the sample window small in the time domain. Blind Signal Separation together with the Fast Fourier Transform had problems finding appropriate correlation using the Ten-Twenty Electrode Application System. Electrodes should be placed more selectively at the parietal lobe, in case of requiring motor responses.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η εξαγωγή γνώσης και χρήσιμων συμπερασμάτων για το σχετικά αδιερεύνητο θέμα της διάγνωσης των μαθησιακών δυσκολιών. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα καταγραφής ηλεκτροεγκεφαλογραφημάτων ηρεμίας και εγκεφαλικών προκλητών δυναμικών υγιών και ατόμων με μαθησιακές δυσκολίες, τα οποία συλλέχθηκαν στο εργαστήριο Ψυχοφυσιολογίας του Αιγινητείου Νοσοκομείου. Από την ανάλυση αυτών των σημάτων προσδιορίστηκαν παράμετροι (π.χ συγκεκριμένες κορυφώσεις) που διαφοροποιούν στατιστικά τα άτομα με μαθησιακές δυσκολίες σε σχέση με τους υγιείς. Παράλληλα, εξετάστηκαν παράμετροι από την κλασική θεωρία βιοσημάτων όπως η ενέργεια και οι χαρακτηριστικοί ρυθμοί. Τέλος, επιλύθηκε το αντίστροφο πρόβλημα της ηλεκτροεγκεφαλογραφίας ώστε να βρεθούν οι ρευματικές πηγές που προκαλούν τα αντίστοιχα σήματα στην επιφάνεια του κεφαλιού. Από τις πηγές αυτές επιδιώχθηκε ο προσδιορισμός περιοχών του εγκεφάλου που πιθανώς να είναι υπεύθυνες για την εμφάνιση μαθησιακών δυσκολιών. / The present thesis aims at the extraction of knowledge and useful conclusions for the relatively uninvestigated phenomenon of learning difficulties. Patients and healthy controls were evaluated by a computerized version of the digit span Wechsler test and EEG/ERP signals were recorded from 15 scalp electrodes based on the international 10-20 system of electroencephalography. The phenomenon was investigated via processing and analysis of EEG/ERP signals of healthy and persons with learning difficulties. Some features were extracted from these signals that statistically differentiate these two groups. Furthermore, features from classical theory of biosignals such as energy and characteristic rhythms were investigated. Finally, the so-called electroencephalography inverse problem was solved in order to define the internal current sources. The localization of such sources in the brain aimed at defining brain regions that are potentially responsible for learning difficulties.

Extraction of physiological and clinical information hidden in biosignals, such as cardiac and neural signals, is an important and fascinating field of research. Noninvasive assessment of the physiological parameters of a patient enables to study the physiology and pathophysiology of the investigated system, with minimal interference and inconvenience. This approach may also help to assess noninvasively the clinical condition of the patient. The primary focus of this study is therefore to extend the arsenal of research tools for the noninvasive investigation of the neural and cardiac systems. The approaches developed in this work concern two major directions: The first direction relies on the analysis of cardiac and neural responses during hypoxia. Hypoxia-ischemia remains a great challenge to the researchers, since it triggers complex responses at different levels in the organism. The functional recovery depends on a number of factors among which the state of autonomic nervous system (ANS) regulation plays an important role. Two different applications were considered in this framework. The first application studied the effect of global ischemic preconditioning on the heart rate variability (HRV) response to the asphyxia insult. Using linear (time and frequency domain) and nonlinear (approximate entropy and parameters of Poincare plots) measures, we evaluated the dynamic time course of the HRV response to the asphyxia insult and the effect of preconditioning on the autonomic neurocardiac control. Our results show for the first time that global ischemic preconditioning influences the HRV response to the asphyxia injury. The neuroprotective effect of preconditioning translates into a faster recovery of the basal HRV and the autonomic modulation of the heart. For the preconditioned group, at about 90 min after the asphyxic insult, the autonomic neural balance (measured by LF/HF ratio) appears fully recovered. Another application addressed the problem of phase synchronization analysis of EEG signals during monitoring of recovery process following brain injury episode. The concept of phase synchronization offers a new perspective on the understanding and quantification of the dynamical interactions established among coupled systems. In this thesis, we present a new approach for the identification of the degree of interaction between two complex dynamical systems from experimental data analysis. We use the empirical-mode-decomposition (EMD) technique to decompose the output signals into a number of elementary orthogonal modes with well defined instantaneous attributes (IMFs). The second direction addressed the problem of correlations between anticipatory pursuit eye movements and the neural response in the Supplementary Eye Fields (SEF) of the Macaque monkey. Anticipatory pursuit is a smooth movement of the eye occurring before the appearance of an expected moving target. The expectation of the subject is based on a subjective estimation of the probability that the target will move in a given direction. Recently, it has been suggested that the SEF could play a role in using past experience to guide anticipatory pursuit. This hypothesis is currently being tested at the single neuron level. In the behaving monkey, it has been shown that electrical microstimulation in the SEF can facilitate smooth pursuit initiation towards a moving target, suggesting that activation of the SEF might change the internal gain of the smooth pursuit pathway. In this study, we favored anticipatory responses in monkeys by using a cognitive cue, which produces a different anticipatory pursuit response than the one observed in previous studies, based on repetition. / H εξαγωγή φυσιολογικών και κλινικών πληροφοριών οι οποίες είναι κρυμμένες σε βιοσήματα όπως τα καρδιακά και νευροφυσιολογικά σήματα είναι ένας σημαντικός και πολύ ενδιαφέρον τομέας έρευνας. Μη επεμβατική αξιολόγηση των φυσιολογικών παραμέτρων ενός ασθενή επιτρέπει την μελέτη της φυσιολογίας και παθολογίας του μελετούμενου συστήματος με τις λιγότερες παρεμβολές και ενόχληση. Η προσέγγιση αυτή μπορεί επίσης να βοηθήσει στην μη επεμβατική αξιολόγηση της κλινικής κατάστασης του ασθενή. Η πρώτη προσέγγιση της μελέτης αυτής είναι να επεκτείνει το οπλοστάσιο των ερευνητικών εργαλείων για την μη επεμβατική αναζήτηση του νευρικού και καρδιακού συστήματος. Οι προσεγγίσεις που αναπτύσσονται σε αυτή τη δουλειά αφορούν δύο κύριες κατευθύνσεις: Η πρώτη κατεύθυνση υπόκειται στην ανάλυση των καρδιακών και νευροφυσιολογικών αποκρίσεων κατά τη διάρκεια της υποξίας. Η ισχεμία – υποξία παραμένει μια μεγάλη πρόκληση στους ερευνητές εφόσον πυροδοτεί πολύπλοκες αποκρίσεις σε διαφορετικά επίπεδα στον οργανισμό. Η λειτουργική αποκατάσταση εξαρτάται από έναν αριθμό συντελεστών μεταξύ των οποίων ο έλεγχος της κατάστασης του αυτόνομου νευρικού συστήματος παίζει έναν πολύ σημαντικό ρόλο. Δύο διαφορετικές εφαρμογές ελήφθησαν υπόψη στο πλαίσιο αυτό. Η πρώτη εφαρμογή μελέτησε το φαινόμενο της ολικής ισχαιμικής προκατάστασης στην μεταβλητότητα του καρδιακού ρυθμού (heart rate variability - HRV) σε προσβολή από ασφυξία. Χρησιμοποιώντας γραμμικές (στον τομέα του χρόνου και των συχνοτήτων) και μη γραμμικές (υπολογισμός εντροπίας και παραμέτρων των γραφημάτων Poincare) τεχνικές υπολογίσαμε την δυναμική χρονική εξέλιξη της HRV απόκρισης στην προσβολή από ασφυξία και η επίπτωση της προ-κατάστασης στο αυτόνομο νευροκαρδιολογικό έλεγχο. Τα αποτελέσματά μας έδειξαν για πρώτη φορά ότι η ολική ισχαιμική προκατάσταση επηρεάζει την HRV απόκριση στον τραυματισμό από την ασφυξία. Η νευροπροστατευτική επίπτωση της προκατάστασης μεταφράζεται σε μία γρηγορότερη αποκατάσταση του βασικού HRV και μία αυτόνομη εναρμόνιση της καρδιάς. Για την ομάδα με την προκατάσταση σε περίπου 90 λεπτά μετά την προσβολή από ασφυξία, η αυτόνομη νευρολογική ισορροπία (μετρούμενη από τον λόγο χαμηλών προς υψηλών συχνοτήτων εμφανίζεται πλήρως αποκαταστημένη. Μία άλλη εφαρμογή απευθύνεται στο πρόβλημα της ανάλυσης του συγχρονισμού φάσεων των σημάτων Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος κατά τη διάρκεια παρακολούθησης της διαδικασίας αποκατάστασης μετά από επεισόδιο εγκεφαλικής βλάβης. Η ιδέα του συγχρονισμού φάσεων προσφέρει μία νέα προοπτική στην κατανόηση και ποσοτικοποίηση των δυναμικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ συστημάτων συζευγμένων ταλαντωτών. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή παρουσιάζουμε μια νέα προσέγγιση για την ανίχνευση του βαθμού της αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο πολύπλοκων δυναμικών συστημάτων από την ανάλυση πειραματικών δεδομένων. Χρησιμοποιούμε την τεχνική του εμπειρικού τρόπου αποδόμησης (empirical-mode-decomposition EMD) για να διασπάσουμε τα σήματα εξόδου σε έναν αριθμό βασικών ορθογώνιων μερών με πολύ καλά καθορισμένες στιγμιαίες ιδιότητες (instantaneous attributes IMFs). Η δεύτερη κατεύθυνση είναι το πρόβλημα των συσχετίσεων μεταξύ προνοητικών κινήσεων των ματιών και των νευροφυσιολογικών αποκρίσεων στα παιδία των ματιών (Supplementary Eye Fields SEF) πιθήκων Macaque. Οι προνοητικές κινήσεις είναι απαλές κινήσεις των ματιών που συμβαίνουν πριν την εμφάνιση ενός αναμενόμενου κινούμενου στόχου. Η αναμονή από το υποκείμενο βασίζεται σε έναν υποκειμενικό υπολογισμό της πιθανότητας ότι ο στόχος θα κινηθεί σε μια δεδομένη κατεύθυνση. Πρόσφατα, έχει υποτεθεί ότι τα SEF μπορούν να παίζουν ρόλο στην χρησιμοποίηση παλαιών εμπειριών στην καθοδήγηση αναμενόμενων κινήσεων. Αυτή η υπόθεση έχει ελεγχθεί στο επίπεδο ενός μόνο νευρώνα. Στον πίθηκο έχει βρεθεί ότι ο ηλεκτρικός μικροερεθισμός στο SEF μπορεί να διευκολύνει την ομαλή έναρξη της κίνησης προς έναν κινούμενο στόχο, συνιστώντας ότι η ενεργοποίηση του SEF μπορεί να αλλάξει την εσωτερική απόδοση του δικτύου της ομαλής κίνησης. Σε αυτή τη μελέτη, ενισχύσαμε την εκκίνηση των ομαλών κινήσεων των πιθήκων προς ένα κινούμενο στόχο η οποία παράγει μία διαφορετική προνοητική κίνηση αυτής που παρατηρείται σε προηγούμενες μελέτες η οποία βασίζεται σε επανάληψη.

Les personnes atteintes de schizophrénie peuvent présenter un sommeil anormal même lorsqu’elles sont stables cliniquement sous traitements pharmacologiques. Les études présentées dans cette thèse ont pour but de mesurer le sommeil afin de mieux comprendre les dysfonctions des mécanismes cérébraux pouvant être impliqués dans la physiopathologie de la schizophrénie. Les trois études présentées dans cette thèse rapportent des résultats sur le sommeil dans la schizophrénie à trois niveaux d’analyse chez trois groupes différents de patients. Le premier niveau est subjectif et décrit le sommeil à l’aide d’un questionnaire administré chez des personnes atteintes de schizophrénie cliniquement stables sous traitements pharmacologiques. Le deuxième niveau est objectif et évalue le sommeil par une méta-analyse des études polysomnographiques chez des patients atteints de schizophrénie ne recevant pas de traitement pharmacologique. Le troisième niveau est micro-structurel et utilise l’analyse spectrale de l’électroencéphalogramme (EEG) afin de caractériser le sommeil paradoxal de patients en premier épisode aigu de schizophrénie avant le début du traitement pharmacologique. La première étude montre que, lorsqu’évaluées par un questionnaire de sommeil, les personnes atteintes de schizophrénie cliniquement stables sous traitements pharmacologiques rapportent prendre plus de temps à s’endormir, se coucher plus tôt et se lever plus tard, passer plus de temps au lit et faire plus de siestes comparativement aux participants sains. Aussi, tout comme les participants sains, les personnes atteintes de schizophrénie rapportent un nombre normal d’éveils nocturnes, se disent normalement satisfaites de leur sommeil et se sentent normalement reposées au réveil. La deuxième étude révèle qu’objectivement, lorsque les études polysomnographiques effectuées chez des patients non traités sont soumises à une méta-analyse, les personnes atteintes de schizophrénie montrent une augmentation du délai d’endormissement, une diminution du temps total en sommeil, une diminution de l’efficacité du sommeil et une augmentation de la durée des éveils nocturnes comparativement aux participants sains. Les patients en arrêt aigu de traitement ont des désordres plus sévères au niveau de ces variables que les patients jamais traités. Seulement les patients jamais traités ont une diminution du pourcentage de stade 2 comparativement aux participants sains. La méta-analyse ne révèle pas de différence significative entre les groupes en ce qui concerne le sommeil lent profond et le sommeil paradoxal. La troisième étude, portant sur l’analyse spectrale de l’EEG en sommeil paradoxal, montre une diminution de l’amplitude relative de la bande de fréquence alpha dans les régions frontales, centrales et temporales et montre une augmentation de l’amplitude relative de la bande de fréquence bêta2 dans la région occipitale chez les personnes en premier épisode de schizophrénie jamais traitées comparativement aux participants sains. L’activité alpha absolue est positivement corrélée aux symptômes négatifs dans les régions frontales, centrales et temporales et négativement corrélée aux symptômes positifs dans la région occipitale. L’activité beta2 absolue ne montre pas de corrélation significative avec les symptômes positifs et négatifs de la schizophrénie. Ces résultats sont discutés suivant la possibilité que des dysfonctions au niveau des mécanismes de la vigilance seraient impliquées dans la physiopathologie de la schizophrénie. / Patients with schizophrenia may have an abnormal sleep even when clinically stable under pharmacological treatments. In the present thesis, sleep studies aim at measuring central nervous system dysfunctions that can be involved in the pathophysiology of schizophrenia. The present thesis includes three studies. These studies report results on sleep in patients with schizophrenia in a three levels analysis with three different groups of patients. The first level is subjective and describes sleep habits using a questionnaire administered to outpatients with schizophrenia clinically stable under pharmacological treatments. The second level of analysis is objective and evaluates sleep architecture using a meta-analysis of polysomnographic studies in untreated patients with schizophrenia. The third level is microstructural and uses electroencephalogram (EEG) spectral analysis to characterize REM sleep in never-treated patients with first-episode schizophrenia. The first study shows that, when evaluated using a sleep habits questionnaire, outpatients with schizophrenia clinically stable under pharmacological treatments report increased time to fall asleep, have earlier bedtime, later risetime, spend more time in bed and do more naps compared to healthy participants. Also, similarly to healthy participants, most patients with schizophrenia report normal wake time after sleep onset, are normally satisfied about their sleep and feel normally refreshed in the morning. The second study reveals that, objectively, when polysomnographic studies evaluating untreated patients with schizophrenia are submitted to a meta-analysis, patients with schizophrenia have increased sleep latency, reduced total sleep time, reduced sleep efficiency and increased wake time after sleep onset compared to healthy participants. Patients in acute drug withdrawal show more severe sleep disturbances in these variables compared to never treated patients. Only never treated patients show decreased stage 2 sleep duration compared to healthy participants. The meta-analysis does not reveal significant differences between groups in regards to slow wave sleep and paradoxical sleep variables. The third study about REM sleep EEG spectral analysis shows decreased relative alpha spectral amplitude in frontal, central and temporal cortical regions and increased relative beta2 spectral amplitude in the occipital region in never treated patients with first-episode schizophrenia compared to healthy participants. Absolute alpha spectral amplitude correlates positively with negative symptoms in the frontal, central and temporal regions and negatively with positive symptoms in the occipital region. No significant correlation has been observed between beta2 spectral amplitude and clinical symptoms of schizophrenia. These results are discussed following the possibility that dysfunctions in the mechanisms of vigilance would be involved in the pathophysiology of schizophrenia.

A recent model of Parkinson’s disease (PD) suggests that the neuropathological, behavioural and cognitive symptoms progress in stages. There is substantial evidence for a prodromal stage of PD, during which time pre-motor symptoms develop. Rapid eye movement (REM) sleep behaviour disorder (RBD) is a risk factor for developing PD and may be part of the pre-motor stage. In both disorders, neuropathological α-synuclein aggregates are thought to be a direct cause of the resulting symptoms. One model has shown that in rats, proteasome inhibition produced by systemic exposure to environmental toxins results in α-synuclein pathology and motor behaviour dysfunction that mimics the progression of PD in humans. The present study examined the hypothesis that the systemic proteasome inhibition model would produce pre-Parkinsonian RBD-like pathology in rats. It was expected that sleep disturbances would be seen prior to behavioural disturbances in rats treated systemically with PSI (a proteasome inhibitor). Following baseline sleep recording and training on the inclined beam-traverse task, rats were injected with PSI (a proteasome inhibitor) or ethanol (control), 6 times over 2 wk. Sleep recording over 8 wk and behavioural testing over 16 wk provided no evidence of sleep disturbances or motor dysfunction. Post-mortem immunohistochemical analyses of brain tissue provided no evidence of PSI-associated α-synuclein aggregates in the locus coeruleus, subcoeruleus (dorsal part), or substantia nigra (areas involved in RBD and/or PD). These results did not provide support for RBD as a prodromal phase of PD within the systemic proteasome inhibitor-based model and add to a growing body of research reporting inconsistent findings using this model. We suggest that systemic PSI exposure in rats does not produce a viable model of RBD or PD. Whether RBD is an early symptom in the progression of PD remains to be established. / Thesis (Master, Neuroscience Studies) -- Queen's University, 2010-04-28 12:04:50.613