Le syndrome de Gilles de la Tourette (SGT), le trouble obsessionnel compulsif (TOC) et les comportements répétitifs centrés sur le corps (CRCC) sont trois troubles qui présentent de nombreuses similarités, autant d’ordre phénoménologique que neuroanatomique et fonctionnel. Toutefois, malgré une recension des écrits pointant vers un possible spectre incluant ces trois troubles, les études qui ont contrasté ceux-ci se font peu nombreuses. Étudier les processus cognitifs affectés dans chacune de ces conditions cliniques permettrait alors d’offrir une meilleure compréhension des différences et des similarités entre celles-ci. D’ailleurs, l’utilisation des potentiels évoqués comme technique d’imagerie cérébrale offre l’avantage de mesurer l’activité cérébrale avec une excellente résolution temporelle. Les composantes de potentiels évoqués permettent alors de refléter certains processus cognitifs, notamment les processus attentionnels et mnésiques, qui sont connus comme étant potentiellement affectés dans ces trois troubles. Notre objectif était donc de comparer l’amplitude de trois composantes (P200, N200 et P300) entre des groupes de participants atteints du SGT (n=24), du TOC (n=18) et des CRCC (n=16), qui ont tous été appariés à un groupe contrôle (n=59) dans une tâche de oddball visuelle cognitive. Nos résultats n’ont d’abord montré aucune différence intergroupe pour la P200 et la N200 lorsqu’on contrôle pour les symptômes anxio-dépressifs, ce qui laisse présager que les processus cognitifs reflétés par ces composantes sont intacts dans ces populations cliniques. En ce qui a trait à la composante P300, nos résultats ont montré une diminution de l’effet oddball P300 pour les groupes SGT et TOC comparativement au groupe contrôle, alors qu’un effet oddball intact a été observé pour le groupe CRCC. Les analyses de localisation de sources ont révélé des activations dans le gyrus lingual et le gyrus occipital moyen pour le groupe TOC, ce qui le distingue des deux autres groupes cliniques et du groupe contrôle. En effet, ceux-ci ont plutôt montré des activations dans le cortex cingulaire pour la génération de cet effet oddball. Ainsi, il semblerait que les groupes SGT et TOC présentent des déficits dans la mémoire de travail, tels que dégagés par les altérations de la composante P300, mais que des régions cérébrales différentes soient impliquées dans la génération de ces activations anormales. / Tourette Syndrome (TS), Obsessive-Compulsive Disorder (OCD) and Body-Focused Repetitive Behaviors (BFRB) are three disorders that share many similarities in terms of phenomenology, neuroanatomy and functionality. However, despite a literature review pointing towards a possible spectrum including these three disorders, only a few studies compared them in the same context. Studying the cognitive processes affected by these clinical conditions would provide a better understanding of their differences and similarities. Moreover, using EventRelated Potentials (ERP) as a brain imaging technique offers the advantage of measuring brain activity with excellent temporal resolution. The ERP components can then reflect specific cognitive processes, notably attentional and memory processes, which are known to be potentially affected in these three disorders. Our aim was, therefore, to compare the amplitude of three ERP components (P200, N200, and P300) across groups of participants with TS (n=24), OCD (n=18), and BFRB (n=16), all of whom were matched to a control group (n=59), in a cognitive visual oddball task. Our results initially showed no group differences for the P200 and N200 when controlling for anxiety and depressive symptoms, suggesting that the cognitive processes reflected by these components are intact in these clinical populations. Concerning the P300 component, our results showed a decrease in the P300 oddball effect for the SGT and OCD groups compared to the control group, whereas an intact oddball effect was observed for the BFRB group. Furthermore, source localization analyses revealed activations in the lingual and middle occipital gyrus for the OCD group, distinguishing it from the other two clinical groups and the control group. Indeed, these groups showed activations in the cingulate cortex to generate this oddball effect. Thus, it seems that the TS and OCD groups show deficits in working memory, as revealed by alterations in the P300 component, but those different brain regions are involved in generating these distinct activations.

Objectif : La perception de l’effort (PE) est utilisée dans la prescription et la supervision d’exercice lors de tâches locomotrices et de résistance. Néanmoins, son utilisation pour prescrire et superviser l’exercice lors de tâches motrices des membres supérieurs reste incertaine. Cette étude vise à tester ces possibilités. Méthodes : Quarante participants se sont portés volontaires. Dans l’expérience 1, quatre intensités de PE ont été utilisées pour prescrire l’exercice dans une version modifiée du Test du Box and Block (TBB) et d’une tâche de pointage. La possibilité de superviser l’exercice a été étudiée en imposant trois niveaux de difficultés via un tempo ou un poids et en mesurant les changements de PE associés. L’expérience 2 réplique la possibilité de prescrire l’exercice avec l’intensité de la PE et étudie les effets de l’ajout d’un poids sur l’avant-bras dominant sur la performance et la PE au cours de la version standardisée du TBB. L’activité musculaire, les fréquences cardiaque et respiratoire ont été mesurées. Résultats : Dans l’expérience 1, l’augmentation de l’intensité de la PE pour prescrire l’exercice a induit une augmentation de la performance et l’augmentation de la difficulté des tâches a augmenté la PE du participant. Dans l’expérience 2, la possibilité d’utiliser la PE pour prescrire l’intensité de l’exercice a été répliquée. La réalisation du TBB avec un poids additionnel révèle un maintien de la performance au prix d’une PE plus élevée. Dans les deux expériences, l’activité musculaire constitue le meilleur corrélat physiologique de la PE. Conclusion : Nos résultats suggèrent que la PE est un outil efficace pour prescrire et superviser l’exercice au cours de tâches motrices des membres supérieurs. / Purpose: While the perception of effort (PE) is widely used to prescribe and monitor exercise during locomotor and resistance tasks, its use to prescribe and monitor exercise during upper-limb motor tasks remains unclear. This study aimed to test these possibilities. Methods: Forty participants volunteered in two experiments. In experiment 1, by using a modified version of the box and block test (BBT) and a pointing task, four PE intensities were used to prescribe the exercise. The possibility of monitoring the exercise was investigated during these tests by monitoring changes in the rating of PE in response to three task difficulties manipulated with different movement tempo and weights added on the exercising forearm. Experiment 2 replicated the possibility of prescribing the exercise with the PE intensity during the BBT and explored the impact of adding weight on the exercising forearm on performance and PE during the standardized version of the BBT. Muscle activation, heart rate and respiratory frequencies were recorded. Results: In experiment 1, increasing the PE intensity to prescribe the exercise induced an increased performance between each intensity. Increasing task difficulty with higher movement tempo and adding weight on the forearm increased the rating of PE. Experiment 2 replicated the possibility to use PE intensity for exercise prescription during the BBT. When completing the BBT with an additional weight on the forearm, performance was maintained at a cost of a higher PE. In both experiments, muscle activation was the best physiological marker of PE. Conclusion: Our results suggest that PE is an efficient tool to prescribe and monitor exercise during upper-limb motor tasks.

Au cours de la préadolescence, la durée totale de sommeil diminue et des retards importants dans l’horaire de sommeil se produisent. Cependant, la plupart des études utilisent des données transversales et/ou des mesures subjectives du sommeil, limitant la qualité méthodologique des données. Aussi, le point milieu du sommeil, le décalage horaire social (DHS) et la variabilité intra-individuelle (VII) du sommeil restent rarement abordés. Nous avons suivi 128 préadolescents (69 filles) ayant un développement typique pendant 4 ans, entre les âges de 8 et 12 ans. L’actigraphie a été utilisée pour déterminer le sommeil typique (soit la valeur moyenne), le DHS et la VII de quatre aspects du sommeil : l’heure du coucher, l’heure du lever, le point milieu du sommeil et la durée totale de sommeil. Des courbes de croissance multiniveaux ont été modélisées pour examiner à la fois les changements intra- et inter-individuels. Avec l'âge, l'horaire de sommeil devient progressivement plus tardif, la durée de sommeil diminue linéairement, et des augmentations significatives sont observés à la fois pour le DHS et la VII. Des différences individuelles autour des moyennes du groupe ont aussi été notées pour le DHS de l'heure du coucher et de la durée de sommeil. De plus, les filles présentent des différences plus importantes dans leur sommeil entre les jours comparativement aux garçons. Ces résultats décrivent des changements significatifs dans le sommeil des préadolescents au cours des années. Nous discutons des implications potentielles de ces trajectoires sur le fonctionnement physiologique, psychologique et social des jeunes. / Pre-adolescence is a period of marked changes in sleep-wake cycles characterized by a gradual decrease in adolescents' total sleep time (TST) and later sleep schedules with age. However, much of the research supporting these developmental trends has been based on cross-sectional data and/or subjective measures of sleep, limiting the methodological quality of the evidence. Additionally, important sleep parameters, like sleep midpoint, social jetlag and variability in sleep remain seldomly studied. We followed 128 typically developing preadolescents (69 female) over 4 years, between ages 8 and 12 years. Actigraphy-derived estimates of typical (i.e., mean) sleep, social jetlag and intra-individual variability were obtained for four sleep parameters: sleep onset, sleep offset, sleep midpoint, and TST. Multilevel growth curves were modelled to examine both within-person change and between-person differences in these trajectories. Across the period of pre-adolescence, sleep schedule became progressively later, mean TST decreased linearly, and significant increases were observed for both social jetlag and variability in sleep. Important individual differences around the average group estimates were noted for the social jetlag of sleep offset and TST. Sex differences were also observed, with girls experiencing greater between-day differences in their sleep than boys. These results describe significant age-related changes in the sleep of pre-adolescents. We discuss potential implications of these trajectories on youths’ physiological, psychological, and social functioning.

Acute mental stress is an everyday phenomenon that has evidently intensified over the past decades and poses significant health risks. Conventional methods for stress assessment are not suitable for everyday use. They are suitable only for clinical and laboratory assessment because they require full attention, limit the freedom of movement (sensors, cables), often require trained personnel or special equipment, and thus are cost-intensive. This work investigates camera-based photoplethysmography (cbPPG), a non-contact technique for the monitoring of cardiovascular vital signs, as an alternative for the assessment of acute mental stress that is suitable for everyday use. As a non-contact technique cbPPG is considered susceptible to artifacts. To overcome limitations of existing cbPPG methods, this work covers essential developments for the robust extraction of non-contact vital signs in addition to the assessment of acute mental stress. An experimental study was designed and conducted with 65 healthy participants to gain a database for cbPPG including synchronized reference measurements (e.g. electrocardiography, skin conductance, salivary cortisol concentration). The experimental study resulted in the „Dresden Multimodal Biosignal Dataset for the Mannheim Multi-component Stress Test“ (DMBD). In addition, the „Binghamton-Pittsburgh-RPI Multimodal Spontaneous Emotion Database“ (BP4D+) was utilized. For robust extraction of non-contact vital signs measured with cbPPG, a novel method for the extraction of cbPPG signals was developed: O3C. O3C optimizes the combination of the color channels of RGB cameras with an evaluation metric in a specialized, systematic grid search. Several investigations on properties of the novel method revealed that the grid search always identified a global optimum. O3C was independent of different skin tones and the choice of evaluation metric. Temporal normalization of the RGB color channels improved the transferability of O3C between datasets (DMBD, BP4D+). At the example of breath rate measurement, it was shown that the method behind O3C is transferable from pulse rate to other vital signs. In addition, a novel method for automatic, reference-free identification of erroneous measurements was developed on the basis of signal quality indexes (SQIs). The developments on robust extraction of non-contact vital signs contribute to the fundamentals of cardiovascular monitoring that is suitable for everyday use. Among other aspects, this forms the basis for non-contact assessment of acute mental stress with cbPPG. In the experimental study (DMBD), conventional reference methods showed distinct changes in psychometric variables, chemical biomarkers, and contact-based vital signs during acute mental stress. The results are widely in line with existing literature and indicated successful activation of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis (HPA axis) as well as sympathetic activation of the autonomic nervous system. A special characteristic of this investigation on stress assessment resides in the large variety of synchronized reference parameters, which allows a side-by-side comparison of the effectiveness of different measurement techniques. To assess the physiological reaction to acute mental stress with non-contact technique, ten vital signs derived with cbPPG were analyzed. The cbPPG vital signs registered positive chronotropy, peripheral vasoconstriction, and altered respiration in accordance with reference measurements. Thus, they also successfully indicated sympathetic activation of the autonomic nervous system. In a machine learning approach, the cbPPG vital signs were effective in detecting the immediate stress response with a fairly high temporal resolution of 30 s. These investigations are unique in terms of their extent and the possibility to adduce diverse synchronized reference measurements for comparison. They provide valuable insights into capabilities and effectiveness of cbPPG for non-contact assessment of acute mental stress. The findings of this work pave the way for robust non-contact monitoring with cbPPG. At the example of acute mental stress, a method for physiological assessment of the human state that is suitable for everyday use has been presented. This provides new opportunities to make use of the great potential that cbPPG offers for numerous everyday applications (e.g. telemedical video consultations, adaptive human-machine interfaces).:1 Introduction .. 1.1 Relevance .. 1.2 Scope .. 1.3 Outline .. 1.4 Delineation 2 Physiological Fundamentals .. 2.1 Stress and Strain .. .. 2.1.1 Historical Development .. .. 2.1.2 Definition .. 2.2 Endocrine System .. 2.3 Autonomic Nervous System .. 2.4 Cardiovascular System .. .. 2.4.1 Heart .. .. 2.4.2 Vascular System .. .. 2.4.3 Facial Vasculature .. 2.5 Skin 3 Methods to Assess the Human Response to Acute Mental Stress .. 3.1 Clinical and Laboratory Procedures .. .. 3.1.1 Stress Induction .. .. 3.1.2 Stress Response Assessment .. 3.2 Biomedical Engineering Techniques .. .. 3.2.1 Conventional Techniques .. .. .. 3.2.1.1 Electrocardiography .. .. .. 3.2.1.2 Photoplethysmography .. .. .. 3.2.1.3 Blood Pressure Measurement .. .. .. 3.2.1.4 Electrodermal Activity .. .. .. 3.2.1.5 Vital Signs of Conventional Techniques .. .. 3.2.2 Non-contact Techniques .. .. .. 3.2.2.1 Overview .. .. .. 3.2.2.2 Comparison .. 3.3 Summary 4 Camera-based Photoplethysmography .. 4.1 Functional Principle .. 4.2 Measurement Technology .. 4.3 Pulse Rate Measurement .. 4.4 Algorithms for Signal Extraction .. .. 4.4.1 Image Processing .. .. 4.4.2 Channel Combination .. .. 4.4.3 Signal Processing .. .. 4.4.4 Excursus: A Note on Deep Learning .. .. 4.4.5 Summary .. 4.5 Application to Stress Assessment 5 Study Design .. 5.1 Binghamton-Pittsburgh-RPI Multimodal Spontaneous Emotion Database .. 5.2 Dresden Multimodal Biosignal Dataset for the Mannheim Multicomponent Stress Test .. .. 5.2.1 Protocol .. .. 5.2.2 Setup .. .. 5.2.3 Annotations .. .. 5.2.4 Cohort Summary 6 Investigations on Robust Extraction of Non-contact Vital Signs .. 6.1 Color Space Transformations .. 6.2 Novel Method for the Optimization of Color Channel Combinations .. 6.3 Impact of Skin Tone on the Optimal Color Channel Combination .. 6.4 Impact of Normalization on the Optimal Color Channel Combination .. 6.5 Impact of Evaluation Metric on the Optimal Color Channel Combination .. 6.6 Optimal Color Channel Combination for Breath Rate Measurement .. 6.7 Signal Quality Index Filtering .. 6.8 Summary 7 Investigations on the Assessment of Acute Mental Stress .. 7.1 Examination of Reference Parameters .. 7.2 Examination of Camera-based Vital Signs .. 7.3 Prediction from Camera-based Vital Signs .. 7.4 Summary 8 Conclusion .. 8.1 Summary .. 8.2 Outlook References Appendix .. A Schematic Structure of the Autonomic Nervous System .. B Other Conventional Techniques for Biosignal Acquisition .. C Recording and Synchronization of the Dresden Multimodal Biosignal Dataset for the Mannheim Multicomponent Stress Test .. D Definition of Regions of Interest From Facial Landmarks .. E Definition of Color Space Transformations .. F Extended Results of Camera-based Pulse Rate Measurement With Different Color Spaces and Regions of Interest .. G Level-Set Regions of Interest in the Experimental Study .. H Relative Accuracy Differences Across the Hemispherical Surface Grid for Multiple Settings .. I Descriptive Statistics for the Reference Vital Signs of the Experimental Study .. J Insignificant Reference Vital Signs of the Experimental Study .. K Statistics for the Binary Logistic Regression with Forward Selection .. .. K.1 Omnibus Tests of Model Coefficients .. .. K.2 Model Summary .. .. K.3 Hosmer and Lemeshow Test .. .. K.4 Classification Table .. .. K.5 Equation Variables / Akuter mentaler Stress ist ein alltägliches Phänomen, dass sich im Laufe der vergangenen Jahrzehnte nachweislich intensiviert hat und ein Risiko für die Gesundheit darstellt. Herkömmliche Methoden zur Stressbewertung sind nicht alltagstauglich. Sie eignen sich nur für Klinik und Labor, da sie volle Aufmerksamkeit erfordern, Bewegungsfreiheit einschränken (Sensoren, Kabel), zumeist Fachpersonal oder Spezialausrüstung voraussetzen und entsprechend kostenintensiv sind. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der kamerabasierten Photoplethysmographie (cbPPG), einer kontaktlosen Technik zum Monitoring kardiovaskulärer Vitalparameter, als alltagstaugliche Alternative zur Bewertung der physiologischen Reaktion auf akuten mentalen Stress. Als kontaktlose Technologie gilt cbPPG allerdings als artefaktanfällig. Um Limitationen bestehender Methoden zu überwinden, umfasst diese Arbeit neben der Stressbewertung mit cbPPG essenzielle Weiterentwicklungen zur robusten Extraktion kontaktloser Vitalparameter. Um eine Datenbasis für cbPPG mit zahlreichen Referenzmessverfahren (z. B. Elektrokardiografie, Hautleitfähigkeit, Speichelkortisolkonzentration) zu schaffen, wurde eine Experimentalstudie mit 65 gesunden Probanden aufgesetzt. Daraus resultierte das „Dresden Multimodal Biosignal Dataset for the Mannheim Multi-component Stress Test“ (DMBD). Zusätzlich fand die „Binghamton-Pittsburgh-RPI Multimodal Spontaneous Emotion Database“ (BP4D+) Anwendung. Für die robuste Extraktion von Vitalparametern mit cbPPG wurde eine neuartige Methodik zur Signalextraktion entwickelt: O3C. O3C optimiert die Kombination der Farbkanäle einer RGB-Kamera in einer spezialisierten, systematischen Rastersuche anhand einer Evaluationsmetrik. Die Untersuchung zentraler Eigenschaften von O3C zeigte, dass stets ein globales Optimum der Rastersuche existiert und die neue Methode robust gegenüber verschiedenen Hauttönen und Evaluationsmetriken ist. Zeitliche Normalisierung der RGB-Farbkanäle verbesserte die Übertragbarkeit von O3C zwischen verschiedenen Datensätzen (DMBD, BP4D+). Am Beispiel der Atemratenmessung wurde gezeigt, dass die Methodik von O3C auf andere Vitalparameter übertragbar ist. Darüber hinaus wurde eine neue Methode zur referenzfreien Identifikation fehlerhafter Messungen mittels Signalqualitätsindizes (SQIs) entwickelt. Die Entwicklungen zur robusten Extraktion von Vitalparametern leisten einen grundlegenden Beitrag für das alltagstaugliche kardiovaskuläre Monitoring mit cbPPG. Damit schaffen sie unter anderem die Voraussetzung für die kontaktlose Stressbewertung mit cbPPG. Die Referenzmessverfahren der Experimentalstudie (DMBD) zeigten bei akutem mentalem Stress deutliche Veränderungen psychometrischer Variablen, chemischer Biomarker und kontaktbasiert erfasster Vitalparameter. Die Ergebnisse stehen in weitreichender Übereinstimmung mit bisheriger Literatur und wiesen die erfolgreiche Aktivierung der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Achse und die sympathische Aktivierung des autonomen Nervensystems aus. Eine Besonderheit dieser Untersuchung zur Stressbewertung liegt in der Vielfalt synchronisierter Referenzparameter, mit der sich die Effektivität verschiedener Referenzmessverfahren direkt gegenüberstellen lässt. Für die kontaktlose Bewertung der physiologischen Reaktion auf akuten mentalen Stress wurden zehn cbPPG Vitalparameter analysiert. Die cbPPG Vitalparameter erfassten positive Chronotropie, periphere Vasokonstriktion und veränderte Atmung, und zeigten damit ebenfalls die sympathische Aktivierung des autonomen Nervensystems erfolgreich an. Die cbPPG Vitalparameter eigneten sich darüber hinaus zur zuverlässigen automatisierten Detektion der unmittelbaren Stressreaktion mit einer hohen zeitlichen Auflösung von 30 s. Die Untersuchungen sind einzigartig in ihrem Umfang und der Möglichkeit, diverse Referenzmessverfahren zum Vergleich heranzuziehen. Sie liefern damit wertvolle Erkenntnisse über Möglichkeiten und Leistungsfähigkeit von cbPPG zur kontaktlosen Stressbewertung. Die Ergebnisse dieser Arbeit ebnen den Weg für ein robustes kontaktloses Monitoring mittels cbPPG. Am Beispiel akuten mentalen Stresses wurde eine Methode zur alltagstauglichen Bewertung physiologischer Zustände aufgezeigt. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten, das große Potenzial von cbPPG für zahlreiche Anwendungsfälle (z. B. adaptive Mensch-Maschine-Schnittstellen, telemedizinische Videokonsultationen) alltagstauglich zu erschließen.:1 Introduction .. 1.1 Relevance .. 1.2 Scope .. 1.3 Outline .. 1.4 Delineation 2 Physiological Fundamentals .. 2.1 Stress and Strain .. .. 2.1.1 Historical Development .. .. 2.1.2 Definition .. 2.2 Endocrine System .. 2.3 Autonomic Nervous System .. 2.4 Cardiovascular System .. .. 2.4.1 Heart .. .. 2.4.2 Vascular System .. .. 2.4.3 Facial Vasculature .. 2.5 Skin 3 Methods to Assess the Human Response to Acute Mental Stress .. 3.1 Clinical and Laboratory Procedures .. .. 3.1.1 Stress Induction .. .. 3.1.2 Stress Response Assessment .. 3.2 Biomedical Engineering Techniques .. .. 3.2.1 Conventional Techniques .. .. .. 3.2.1.1 Electrocardiography .. .. .. 3.2.1.2 Photoplethysmography .. .. .. 3.2.1.3 Blood Pressure Measurement .. .. .. 3.2.1.4 Electrodermal Activity .. .. .. 3.2.1.5 Vital Signs of Conventional Techniques .. .. 3.2.2 Non-contact Techniques .. .. .. 3.2.2.1 Overview .. .. .. 3.2.2.2 Comparison .. 3.3 Summary 4 Camera-based Photoplethysmography .. 4.1 Functional Principle .. 4.2 Measurement Technology .. 4.3 Pulse Rate Measurement .. 4.4 Algorithms for Signal Extraction .. .. 4.4.1 Image Processing .. .. 4.4.2 Channel Combination .. .. 4.4.3 Signal Processing .. .. 4.4.4 Excursus: A Note on Deep Learning .. .. 4.4.5 Summary .. 4.5 Application to Stress Assessment 5 Study Design .. 5.1 Binghamton-Pittsburgh-RPI Multimodal Spontaneous Emotion Database .. 5.2 Dresden Multimodal Biosignal Dataset for the Mannheim Multicomponent Stress Test .. .. 5.2.1 Protocol .. .. 5.2.2 Setup .. .. 5.2.3 Annotations .. .. 5.2.4 Cohort Summary 6 Investigations on Robust Extraction of Non-contact Vital Signs .. 6.1 Color Space Transformations .. 6.2 Novel Method for the Optimization of Color Channel Combinations .. 6.3 Impact of Skin Tone on the Optimal Color Channel Combination .. 6.4 Impact of Normalization on the Optimal Color Channel Combination .. 6.5 Impact of Evaluation Metric on the Optimal Color Channel Combination .. 6.6 Optimal Color Channel Combination for Breath Rate Measurement .. 6.7 Signal Quality Index Filtering .. 6.8 Summary 7 Investigations on the Assessment of Acute Mental Stress .. 7.1 Examination of Reference Parameters .. 7.2 Examination of Camera-based Vital Signs .. 7.3 Prediction from Camera-based Vital Signs .. 7.4 Summary 8 Conclusion .. 8.1 Summary .. 8.2 Outlook References Appendix .. A Schematic Structure of the Autonomic Nervous System .. B Other Conventional Techniques for Biosignal Acquisition .. C Recording and Synchronization of the Dresden Multimodal Biosignal Dataset for the Mannheim Multicomponent Stress Test .. D Definition of Regions of Interest From Facial Landmarks .. E Definition of Color Space Transformations .. F Extended Results of Camera-based Pulse Rate Measurement With Different Color Spaces and Regions of Interest .. G Level-Set Regions of Interest in the Experimental Study .. H Relative Accuracy Differences Across the Hemispherical Surface Grid for Multiple Settings .. I Descriptive Statistics for the Reference Vital Signs of the Experimental Study .. J Insignificant Reference Vital Signs of the Experimental Study .. K Statistics for the Binary Logistic Regression with Forward Selection .. .. K.1 Omnibus Tests of Model Coefficients .. .. K.2 Model Summary .. .. K.3 Hosmer and Lemeshow Test .. .. K.4 Classification Table .. .. K.5 Equation Variables

Il est maintenant bien établi que le cerveau humain est doté d’un système de neurones qui s’active tant à la perception qu’à l’exécution d’une action. Les neurones miroirs, ainsi que le système qu’ils forment avec des structures adjacentes appelées système neurones miroirs (SNM), ont été relié à la compréhension d’action et pourrait être impliqué dans les fonctions sociales de haut niveau tel que l’empathie et l’imitation. Dans la foulée spéculative reliant le SNM à la sphère sociale, le dysfonctionnement de ce système a rapidement gagné intérêt dans la genèse des anomalies du domaine social chez les personnes présentant le Trouble du spectre de l’autisme (TSA). Néanmoins, l’hypothèse voulant que le dysfonctionnement social des TSA repose sur une atteinte du SNM est controversée. En effet, les études soutenant cette hypothèse nécessitent des fonctions cognitives et sociales qui peuvent contribuer à l’obtention de résultats atypiques, telles que la compréhension des consignes, l’attention sur des stimuli sociaux ou la réalisation d’acte moteur. Récemment, un protocole auditif de négativité de discordance (MMN) utilisant des stimuli reliés à l’action humaine a été utilisé pour mesurer l’activité du SNM. Cette technique semble prometteuse dans la mesure où elle ne nécessite pas de capacités attentionnelles ou langagières, elle est brève et demande un montage minimal d’électrodes. Le premier article avait comme objectif principal de mesurer la validité de convergence du protocole MMN relié à l’action avec celui du rythme mu, le protocole le plus utilisé pour enregistrer l’activité miroir à l’aide de l’électroencéphalographie (EEG). Les modes de stimulation ont été délivrées en bloc successif à un groupe de 12 adultes en santé. Alors que les deux techniques ont modulé efficacement les régions fronto-centrales et centrales respectivement, mais ne sont pas corrélées, nous avons conclu qu’il est possible 2 qu’elles mesurent des aspects différents du SNM. Le deuxième article avait comme objectif principal de mesurer l’activité du SNM à l’aide du protocole MMN relié à l’action chez 10 enfants présentant un TSA ainsi que chez 12 enfants neurotypiques dans la même tranche d’âge (5-7ans). Chez les enfants TSA, nous avons montré un patron de latence inversée, comparativement aux enfants du groupe contrôle; ils traitaient plus rapidement les sons contrôles que les sons reliés à l’action humaine, alors que la tendance inverse était observée chez les contrôles. De plus, bien que les deux groupes différaient quant aux sons d’action, ils ne différaient pas quant aux sons contrôles. Quant à l’amplitude, les enfants TSA se distinguaient du groupe contrôle par une amplitude restreinte du son d’action provenant de la bouche. Par ailleurs, les mesures neurophysiologiques et neuropsychologiques n’étaient pas corrélées. En sommes, basé sur la prémisse que ce protocole MMN pourrait mesurer l’activité du SNM, cette thèse a comme but d’améliorer les connaissances quant à son utilisation chez l’adulte et l’enfant neurotypique ainsi que chez l’enfant TSA. Celui-ci pourrait ultimement être utilisé comme un biomarqueur potentiel du TSA. / Mirror-neuron system (NMS) has been suggested to underlie action understanding, which is believed to be involved in higher social functions such as empathy and imitation. Numerous studies have also provided indirect evidence supporting the existence of a MNS in the human brain using functional magnetic resonance imaging, transcranial magnetic stimulation, magnetoenceophalography and electroencephalography (EEG). As evidence relating MNS function with social cognition accumulated, its dysfunction was proposed to underlie social impairments in Autism Spectrum Disorder (ASD). Although some studies have reported structural and/or functional data supporting this hypothesis, it remains controversial. Indeed, the techniques used to probe MNS activity often require the participant to understand the task, display sustained attention and present spared visual cognitive functions, which could be altered in ASD population. This, in turn, could partly explain differences in MNS activity found between invididuals with ASD and neurotypical participants. The auditory mismatch negativity (MMN) protocol has recently been proposed as a viable tool to assess MNS activity using action-related sounds. This relatively short oddball paradigm does not require visual, attentional or language skills and can be performed with minimal electrode installation (minimal use of 4 electrodes). This action-related MMN may therefore be well-suited to investigate MNS function in very young children or populations with mental disabilities, such as ASD. The first article of this thesis assessed the convergent validity of the action-related MMN protocol with a mu rhythm suppression paradigm, which is the most commonly used EEG measure of MNS activity. To do so, both protocols were consecutively administered in healthy adults in the same experimental session. While both techniques successfully 4 modulated the fronto-central and central brain regions using action-related stimuli, they did not correlate significantly. This suggests that the two techniques may not probe the same aspects of MNS function. The second article aimed at investigating MNS activity in children with ASD using the action-related MMN protocol. Data were compared to age-matched typically developing children. We show that children with ASD present an opposite pattern to that of control children : whereas MMN latencies are shorter for action-related sounds compared to control sounds in neurotypical children, the opposite pattern is observed in children with ASD. Furthermore, although the two groups present different response patterns with regards to action-related sounds, they repond similarly to control sounds. For amplitude measurements, children with ASD display reduced amplitude to action-related sounds produced by the mouth compared to neurotypical children. In summary, this thesis aimed at determining whether and action-related MMN protocol could be used to measure MNS activity in neurotypical adults and children, as well as in ASD children. The action-related MMN could potentially be used as a biological biomarker of ASD pending further studies.