La phase d’idéation constitue les premiers grands pas d’itération dans le processus de design. Elle est dans une position d’amorce propice pour influencer fortement la direction des propositions conceptuelles fondatrices des projets et leur raffinement ultérieur. Ainsi, la possibilité d’intervenir sur la démarche du travail d’idéation présente une excellente occasion d’inclure et d’outiller des participants non-professionnels du design de manière à leur accorder un rôle qui outrepasse celui de personnes ordinairement consultées qu’en aval. Cependant, les formes de représentation traditionnellement employées pendant le processus d’idéation introduisent un décalage important entre la manière courante de vivre les environnements et la manière de les penser lors de leur conception, un décalage où le contexte de l’activité de conception marque une rupture vis-à-vis le contexte préexistant du projet. Nous proposons d’explorer l’utilisation de la représentation photogrammétrique immersive de contextes en réalité virtuelle (RV) – i.e. la numérisation spatio-visuelle d’environnements réels en tant que modèles 3D – comme piste de réponse aux problèmes soulevés par les représentations traditionnelles. Dès lors, une question se pose : quelle incidence porte la RV sociale et sans lunette, couplée à la photogrammétrie immersive du contexte du projet de design, sur la cognition de design des collaborateurs lors de la co-idéation ? Partant du design comme processus social où s’opère une négociation collaborative, nous identifions l’expression verbale comme principal outil des designers et l’expression graphique par la production d’esquisses comme mode complémentaire de communication et de réflexion. Toutefois, en approchant l’activité de design sous l’angle d’une activité fondamentalement cognitive, et plus spécifiquement dans le cadre de la cognition incarnée, la gestuelle ressort comme troisième mode essentiel pour peindre un portrait plus détaillé du rôle de la représentation contextuelle immersive en design. Nous proposons une étude comparative entre trois différentes conditions de travail observées lors des séances d’un atelier de design industriel universitaire : (i) la co-idéation en atelier traditionnel avec papier et crayon, (ii) la co-idéation en RV sans contexte, et (iii) en RV avec contexte 3D immersif. Nous avons retenu 21 enregistrements audio-vidéos (environ 20 minutes chaque) pour l’analyse, soit : un par condition pour sept équipes de trois collaborateurs. Sur le plan verbal, les séquences observées ont été segmentées puis codées selon le cadre des conversations de design. Notre codage de la gestuelle organise quant à lui chaque occurrence de geste co-discours selon le caractère dominant parmi les types communément distingués dans la littérature (organisationnel, déictique, iconique, et métaphorique) ; puis précise diverses caractéristiques intra-gestuelles dont la deixis de mise en place. En opérationnalisant ainsi la deixis gestuelle selon un ancrage disjoint ou conjoint de l’imagerie gestuelle avec la représentation graphique utilisée, nous mettons au jour les moments de dissociation ou de symbiose de la cognition de design avec les différents types de représentation. Les résultats indiquent que, malgré des processus de co-idéation semblables au niveau des dynamiques de conversation, la production d’esquisse est la moins fréquente en RV avec contexte, mais que dans cette même condition les gestes iconiques spontanés sont presque trois fois plus souvent liés à la représentation (64%) qu’en RV sans contexte (24%) et en papier et crayon (20%). Nous interprétons ces résultats comme l’annonce d’un processus créatif qui se retrouve, à ses fondements, plus souvent marié à l’expérience de l’environnement visuo-spatial représenté lorsqu’un modèle contextuel immersif est utilisé. Les résultats de l’analyse des gestes déictiques nous mènent aussi à explorer l’idée de qualités cognitivement plus affordantes pour le support de ce qui paraît être une perception « augmentée », où les participants projettent plus fréquemment des éléments imaginés dans la représentation lorsqu’en RV avec contexte. / The ideation phase constitutes the first great iterative steps in the design process. Holding a launch position in the process, this phase encompasses developments that can have a strong influence on the creative directions of the core conceptual propositions and their subsequent refinements. Thus, one can foresee the possibility of revisiting some of the common tools and practices ideation adheres to as an access-point to foster participation from people of varied backgrounds beyond a passive stance of providing input on propositions conceived upstream. Yet, the forms of representation traditionally put in place throughout the ideation process induce a significant gap between the way we live environments in our daily experiences – at their reception – and the way they are reflected upon, grasped and imagined during their conception, a shift that tends to bear with it a rupture from the pre-existing contexts of projects. We propose to explore the use of immersive photogrammetric representations of contexts in virtual reality (VR) – where photogrammetry implies visuo-spatial scanning, or digitization, of actual environments to produce textured 3D models – as a means to overcome these problems of traditional representations. One can then ask: what influence does headset-free social VR have on the design cognition of collaborators during co-ideation when coupled with the immersive photogrammetric representation of the design project’s context? Viewing the design process as an inherently social one where takes place a collaborative negotiation, we identify verbal expression as the primary tool of designers and graphical expression, through the production of sketches, as a complementary mode of communication and reflection. However, moving to a cognitive view of the design activity, more specially under the lens of embodied cognition, gesturing emerges as a third fundamental mode to in a quest to depict a more detailed portrait of the role of immersive contextual representations in design. This research is structured as a comparative study contrasting three studio conditions observed during the sessions of an undergraduate level industrial design studio: (i) the traditional pen and paper design studio, (ii) collaborative VR without context, and (iii) collaborative VR with 3D immersive context. A total of 21 audio-video recordings (around 15 to 20 minutes each) were analyzed, corresponding to one per condition for each of seven teams of three collaborators. Verbal-wise, the observed session recordings were segmented and coded according to the design conversations framework. Gesture-wise, every occurrence of co-speech gesturing was defined and organized according to the dominant dimension among the types commonly established in literature (organisational, deictic, iconic, and metaphoric) before being coded with various intra-gestural characteristics including their deixis of enaction. Through this characterisation of gestures’ deixis, operationalized as the independent or joint anchoring of gestural imagery with the graphical representation at hand, we reveal the instances of dissociation or symbiosis of the participants’ design cognition with the different representational setups. Results indicate that, despite similar co-ideation processes in terms of verbal dynamics, sketching is least used in VR with context, yet in this same condition spontaneous iconic gestures were observed to be representation-dependant (anchored) nearly three times (64%) the proportions observed in VR without context (24%) and pen and paper (20%). We interpret these results as highlighting a creative process that is, at its foundations, notably more often wed to the experience of the represented environment when an immersive contextual model is used. Furthermore, our analysis of deictic gestures also confronts us with the idea of greater affordance for supporting what appears to be a form of “augmented” perception, where participants more frequently project mentally imagined elements in the representation when in VR with context.

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Problème : Les stratégies d’exposition traditionnelle (in vivo et en imagination) habituellement utilisées pour traiter l’anxiété liée à la santé ne sont pas toujours utilisables avec les aînés en perte de mobilité ou ayant des troubles cognitifs. L’immersion en réalité virtuelle (RV) peut représenter une solution alternative, mais aucune étude n’a testé son utilité auprès de personnes âgées qui s’inquiètent à propos de leur santé. Objectif et hypothèses : Déterminer si une salle d’attente d’hôpital virtuelle génère de l'anxiété (mesurée par deux réactions physiologiques : rythme cardiaque et conductance cutanée) chez les personnes âgées souffrant d’anxiété sous-clinique liée à la santé. H1 : les participants anxieux (peu importe leur âge) auront des réactions physiologiques plus élevées (vs niveau de base ou T1) que les participants non anxieux durant l’immersion dans la salle d’attente. H2 : comparativement aux personnes âgées anxieuses, les jeunes anxieux auront des réactions physiologiques significativement plus importantes (vs T1) durant l’immersion dans la salle d’attente. Méthode : Les réactions physiologiques de quatre groupes (n = 30) de jeunes (18-35 ans) et de personnes âgées (65 ans et plus) avec ou sans anxiété sous-clinique liée à la santé ont été comparées avant (T1) et durant (T3) une séance d’immersion dans un salle d’attente virtuelle. Pour s'assurer que les réactions physiologiques n'étaient pas causées par le simple fait d’être exposé à un environnement virtuel, les participants ont été exposés à un environnement virtuel neutre (T2) entre ces deux temps de mesure. Des analyses multi-niveaux ont été effectuées pour tester les deux hypothèses. Résultats : Les participants anxieux ont vu leur rythme cardiaque augmenter de façon significativement plus importante (vs groupe non anxieux) pendant l’immersion (T2: β = 8.77, p=0.045; T3: β = 9.73, p=0.03), mais aucune différence significative entre les deux groupes n’a été observée sur la conductance cutanée (T2: β = 0.30, p = 0.70; T3: β = 0.47, p = 0.55). Par ailleurs, la fréquence cardiaque des participants anxieux n’a pas augmenté de façon significative entre le T2 (environnement neutre) et le T3 (salle d’attente) (β = -0.04, p = 0.97). Enfin, comparativement aux participants âgés anxieux, les jeunes participants anxieux n'ont pas connu d'augmentation significativement plus importante de leur fréquence cardiaque (T2: β = 1.92, p = 0.83; T3: β = -1.51, p = 0.87) et de leur conductance cutanée (T2: β = -0.65, p = 0.65; T3: β = -0.79, p = 0.58) durant l’immersion. Conclusion : La salle d’attente virtuelle ne fait pas plus physiologiquement réagir les personnes âgées qui s’inquiètent au sujet de leur santé que l’environnement virtuel neutre. Puisque cette étude pilote a été réalisée auprès de participants ayant des inquiétudes sous-cliniques au sujet de leur santé, d’autres recherches sont nécessaires afin de tester l’utilité de la salle d’attente virtuelle auprès de population clinique. / Problem: Traditional exposure strategies (in vivo and imaginal) commonly used to treat health anxiety are not always applicable to seniors with mobility loss or cognitive difficulties. Virtual reality (VR) immersion may be an alternative solution, but no studies have tested its usefulness with seniors who are concerned about their health. Objective and hypotheses: To determine whether a virtual hospital waiting room generates anxiety (measured by two physiological reactions: heart rate and skin conductance) in elderly people suffering from subclinical health anxiety. H1: Anxious participants (regardless of age) will have higher physiological reactions (vs. baseline or T1) than non-anxious participants during immersion in the waiting room. H2: Compared to anxious elderly individuals, anxious young people will have significantly greater physiological reactions (vs T1) during immersion in the waiting room. Method: The physiological reactions of four groups (n = 30) of young adults (18-35 years of age) and seniors (65 years of age and older) with or without subclinical health anxiety were compared before (T1) and during (T3) an immersion session in a virtual hospital waiting room. To ensure that physiological reactions were not caused simply by being exposed to a virtual environment, participants were exposed to a neutral virtual environment (T2) between these two measurement times. Multi-level analyses were carried out to test both hypotheses. Results: Anxious participants experienced a significantly higher increase in heart rate (vs. non-anxious group) during immersion (T2: β = 8.77, p=0.045; T3: β = 9.73, p=0.03), but no significant difference between the two groups was observed on the skin conductance measure (T2: β = 0.30, p = 0.70; T3: β = 0.47, p = 0.55). In addition, the heart rate of anxious participants did not increase significantly between T2 (neutral environment) and T3 (waiting room) (β = -0.04, p = 0.97). Finally, compared to anxious elderly participants, anxious young individuals did not experience a significantly greater increase in their heart rate (T2: β = 1.92, p = 0.83; T3: β = -1.51, p = 0.87) and skin conductance (T2: β = -0.65, p = 0.65; T3: β = -0.79, p = 0.58) during immersion. Conclusion: The virtual waiting room does not generate more physiological reactivity in older individuals with health concerns than the neutral virtual environment. Since this pilot study was conducted with participants with subclinical health anxiety, further research is needed to test the usefulness of the virtual waiting room with clinical populations.

Si de nombreux travaux ont été consacrés aux représentations spatiales chez le jeune adulte, la nature des modèles spatiaux, les processus qui président à leur construction et la façon dont ils se développent sont encore loin d'être compris. L'originalité de cette thèse tient au fait d'étudier conjointement les composantes cognitives et langagières dans l'acquisition des représentations d'itinéraires virtuels par des enfants (de 5 à 11 ans) et des adultes, ainsi que les différences individuelles liées à des capacités générales variées. Dans une première partie, la thèse présente les principaux concepts de la cognition spatiale issus des travaux menés chez l'adulte ainsi que l'état des connaissances théoriques et empiriques actuelles sur le développement des représentations spatiales chez l'enfant. Un chapitre s'intéresse ensuite au rôle du langage dans la construction des représentations spatiales et un autre à celui de la mémoire de travail. Afin de mieux comprendre le type de représentation qu'un enfant élabore au cours de son développement, une deuxième partie de la thèse présente trois expériences étudiant le développement des connaissances sur les repères et la route. Les deux premières études ont permis d'observer une augmentation qualitative et quantitative de la connaissance des repères, c'est-à-dire des entités spécifiques qui jalonnent un itinéraire, mais également de la connaissance de la succession de ces repères et des directions empruntées. Le rôle particulier des repères situés à un changement de direction est attesté chez l'adulte comme chez l'enfant. L'augmentation de ces connaissances avec l'âge est observée avec des tâches de production et de reconnaissance, aussi bien verbales que non-verbales. Ces résultats suggèrent l'existence d'une seule représentation commune ou de deux formats de représentations fortement reliés. Le lien important entre les informations verbales et non-verbales dans les représentations est attesté par l'observation d'un biais de type sémantique dans la reconnaissance visuelle de repères. Cependant, l'analyse des différences interindividuelles a mis en évidence le rôle de capacités visuo-spatiales telles que la perception des directions, mais pas d'influence des capacités langagières sur la capacité de représentation d'itinéraire. Une troisième étude explore le rôle des composantes verbales et visuo-spatiales de la mémoire de travail dans le développement des représentations spatiales au moyen d'un paradigme de double tâche lors de la mémorisation d'itinéraires. L'implication, notamment de la composante spatiale de la mémoire de travail au cours de la mémorisation d'itinéraire, est mise en évidence chez l'enfant. Ce résultat renforce l'idée de la dominance d'une forme de codage visuo-spatial dans le développement de la représentation qui évoluerait au profit de codages plus verbaux ou mixtes. En conclusion, cette thèse montre le développement de la capacité à se représenter un itinéraire au cours de l'enfance, attesté par des tâches de nature et de format variés. Si cette représentation semble impliquer à la fois des composantes verbales et non-verbales, ces dernières semblent être plus importantes chez l'enfant. La dernière partie de la thèse propose une discussion des implications de ces résultats pour le développement de la cognition spatiale chez l'enfant, ainsi que des perspectives pour les recherches futures. / Although many studies have investigated spatial representation in young adults, little is still known about the processes underlying how they construct spatial models, the nature of these models, and how they develop in children. The originality of this thesis is two-fold: it studies both cognitive and linguistic processes involved in how children (5 to 11 years) and adults construct representation of virtual routes; it also examines individual differences in these processes. The first part of this thesis begins with a chapter that presents the main concepts underlying spatial cognition, as well as some experimental evidence concerning adults' spatial knowledge and the development of this knowledge during childhood. A second chapter then focuses on the role of language and a third one on the role of working memory in the construction of spatial representations. In order to understand how children construct spatial representation during development, a second part of the thesis presents three experiments investigating the development of landmark and route knowledge. The first two studies show developments in the quality and quantity of knowledge concerning both landmarks (i.e. specific entities encountered along the route) and the route (i.e. the sequential order of actions and landmarks). They also provide evidence supporting the specific role of landmarks associated with changes of direction ("decisional" landmarks) in children and adults. Developmental changes in spatial knowledge were assessed by both verbal and non-verbal measures, suggesting the existence of a unique representation or of two representations that are strongly related. The relation between verbal and non-verbal information in participants' representations is evidenced by their bias toward choosing a related landmark of the same semantic category, regardless of its visual characteristics. Nevertheless, analyses show that visuo-spatial abilities such as the perception of directions, but not verbal abilities, play a main role in accounting for individual differences. The third study, investigates verbal and visuo-spatial components of working memory, using a dual task paradigm in which participants performed a verbal or spatial interference task while memorizing routes. The results support the idea that representing itineraries mostly involves a spatial mode of encoding in children and a more verbal or mixed encoding in adults. To conclude, this thesis shows a development in children's capacity to build spatial representations of virtual routes. Although their representation seems to integrate both verbal and non-verbal components, non-verbal abilities appear to be most essential for children. The last part of the thesis discusses the implications of our results for our understanding of the development of spatial cognition in children, as well as future perspectives and conclusions.

Les émotions des êtres humains changent régulièrement et parfois de manière brusque entrainant un changement de l’état mental c’est-à-dire de l’aptitude cérébrale à fonctionner normalement. Il en résulte une capacité cognitive (ou état cognitif) de l’individu à pouvoir raisonner, accéder à la mémoire, ou effectuer des déductions, variable selon l’état mental. Ceci affecte, en conséquence, les performances des utilisateurs qui varient en fonction de leurs état cognitifs. Cette thèse vise à optimiser l’état cognitif d’un utilisateur lors de ses interactions avec un environnement virtuel. Comme cet état dépend des émotions, l’optimisation de l’état cognitif peut être réalisée à travers l’optimisation des émotions et en particulier la réduction des émotions négatives. Une première partie concerne les moyens de mesurer en temps réel (par un Module de mesures) l’état émotionnel et mental d’un utilisateur lors de ses interactions avec un environnement virtuel. Nous avons réalisé pour cela quatre études expérimentales avec quatre environnements différents. Nous avons montré que ces mesures peuvent être réalisées en utilisant différents capteurs physiologiques. Nous avons aussi montré qu’il est possible de prédire la tendance de l’excitation (un état mental) à partir d’un traceur de regard. Dans une deuxième partie, nous présentons l’Agent Neural qui modifie les environnements virtuels afin de provoquer une modification de l’état émotionnel d’un utilisateur pour améliorer son état cognitif. Nous avons réalisé quatre études expérimentales avec quatre environnements virtuels, où l’Agent Neural intervient dans ces environnements afin de changer l’état émotionnel de l’utilisateur. Nous avons montré que l’agent est capable d’intervenir dans plusieurs types d’environnements et de modifier les émotions de l’utilisateur. Dans une troisième partie, présentons l’Agent Limbique, qui personnalise et améliore les adaptations faites par l’Agent Neural à travers l’observation et l’apprentissage des impacts des changements des environnements virtuels et des réactions émotionnelles des utilisateurs. Nous avons montré que cet agent est capable d’analyser les interventions de l’Agent Neural et de les modifier. Nous avons montré aussi que l’Agent Limbique est capable de générer une nouvelle règle d’intervention et de prédire son impact sur l’utilisateur. La combinaison du Module de mesures, de l’Agent Neural, et de l’Agent Limbique, nous a permis de créer un système de contrôle cognitif intelligent que nous avons appelé Système Limbique Digital. / The human’s emotions change regularly and sometimes suddenly leading to changes in their mental state which is the brain’s ability to function normally. This mental state’s changes affect the users’ cognitive ability (or cognitive state) to reason, access memory, or make inferences, which varies depending on the mental state. Consequently, this affects the users’ performances which varies according to their cognitive states. This thesis aims to optimize the users’ cognitive state during their interactions with a virtual environment. Since this state depends on emotions, optimization of cognitive state can be achieved through the optimization of emotions and in particular the reduction of negative emotions. In a first part, we present the means of measuring in real time (using a Measuring module) the users’ emotional and mental state during their interactions with a virtual environment. We performed four experimental studies with four different environments. We have shown that these measurements can be performed using different physiological sensors. We have also shown that it is possible to predict the tendency of excitement (a mental state) using an eye tracker. In a second part, we present the Neural Agent which modifies virtual environments to provoke a modification on the users’ emotional state in order to improve their cognitive state. We performed four experimental studies with four virtual environments, in which the Neural Agent intervenes in these environments to change the users’ emotional state. We have shown that the agent is able to intervene in several types of environments and able to modify the users’ emotions. In a third part, we present the Limbic Agent, which personalizes and improves the adaptations performed by the Neural Agent through the observation and the learning from the virtual environments changes’ impacts and the users’ emotional reactions. We have shown that this agent is able to analyze the Neural Agent’s interventions and able to modify them. We have also shown that the Limbic Agent is able to generate a new intervention rule and predict its impact on the user. The combination of the Measuring Module, the Neural Agent, and the Limbic Agent, allowed us to create an intelligent cognitive control system that we called the Digital Limbic System.

Neuroscience / La démence de type d’Alzheimer est la plus commune des démences. Elle entraîne un déclin dans les capacités cognitives et fonctionnelles, se traduisant dans des difficultés au niveau de la prise de décision, de l’accomplissement de tâches quotidiennes, de la communication ainsi qu’au niveau de la mémoire et de l’attention. On remarque également une diminution de l’état émotionnel et une apathie chez ces patients. Ce mémoire explore une nouvelle approche pour atténuer les effets psychologiques et cognitifs de la maladie. Les recherches effectuées dans ce mémoire explorent les impacts cognitifs et les effets sur le bien-être d'une intervention utilisant la réalité virtuelle sur les personnes souffrant de déclin cognitif subjectif. Deux environnements virtuels ont été testés : le premier étant un environnement dans lequel le participant voyage en train à travers différents climats, et le second étant un environnement de musicothérapie qui s’adapte en fonction de la réponse émotionnelle du participant. Pour mesurer les impacts sur l'état affectif, des lectures électroencéphalographiques ont été prises et analysées afin de déduire l'émotion ressentie par le participant avant, pendant et après l'expérience. Les résultats montrent une amélioration générale de l'état émotionnel pour les deux environnements. Quant à la mesure des effets sur les fonctions cognitives, des tâches d'attention et de mémoire ont été effectuées par les participants avant et après l'immersion. Les résultats montrent une légère amélioration des capacités d'attention et une meilleure amélioration de la mémoire. Nous approprions cet écart dans l'expérience de musicothérapie à l'activation musicale d'un réseau de structures cérébrales impliquées dans les expériences agréables : le circuit de récompense. Nous proposons que la musique facilite la rétention de la mémoire chez les personnes souffrant de démence. En effet, les résultats de l’amélioration des fonctions cognitives pour les deux expériences précédentes dépendent fortement de la précision de l'outil de mesure cognitive utilisé pour évaluer les performances d'attention et de mémoire avant et après l'intervention. Pour assurer cette précision, ce mémoire présente un outil de mesure des performances cognitives basé sur des tâches cognitives qui ont montré à plusieurs reprises leur fiabilité. Cet outil d’adresse aux personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer pré-clinique et diagnostiquée. / Alzheimer’s disease is an irreversible disease which causes progressive memory loss and cognitive decline, eventually leading to severe inability to perform basic day-to-day tasks. The urgency to find an effective cure to the disease is crucial, as the medical and economical spin-offs could be disastrous. The present thesis explores a novel approach to help attenuate the psychological and cognitive effects of the disease. The research carried out for this thesis explored cognitive effects and impacts on overall well-being of a virtual reality intervention on people suffering from subjective cognitive decline. Two virtual environments were tested: the first being an environment in which the participant travels through different climates by train, and the second being a music therapy environment modified as a function of emotional response. To measure the effects on affective state, electroencephalography readings were taken and analyzed to infer the emotion felt by the participant before, during the experiment. Results show a general improvement in emotional state. To measure the effects of the environments on cognitive functions, attention and memory tasks were carried out by the participants before and after the immersion. Results show a small improvement in attention skills and a more substantial improvement in memory skills. We appropriate this discrepancy in the music therapy experiment to the musical activation of a network of brain structures involved in rewarding and pleasurable experiences. We propose that music could facilitate memory retention in people sufferance for dementia. Importantly, the results of the previous experiments rely heavily on the accuracy of the cognitive measurement tool used to evaluate attention and memory performances before and after the intervention. To provide this accuracy, this thesis presents a cognitive performance measurement tool based on cognitive tasks which have repeatedly shown to output reliable results. This tool is created to serve for people with pre-clinical Alzheimer’s disease and diagnosed Alzheimer’s disease. Additionally, this tool is designed in such a way as to minimize the effects of repetition as well as varying levels of education and language. This thesis presents a novel and promising research in the realms of computer sciences and health care.

L'auteur de cette thèse tient à remercier l'Université de Montréal, le Fonds de recherche du Québec - Santé ainsi que les Instituts de recherche en santé du Canada pour leurs bourses et financements respectifs. / L’Integrated Psychological Treatment (IPT) est une approche de réadaptation d’orientation cognitivo-comportementale développée en psychiatrie générale pour les personnes atteintes de schizophrénie. Dans les dernières années, l’IPT a attiré l’attention de cliniciens œuvrant en milieu carcéral et en psychiatrie légale. Les habiletés ciblées dans l’IPT semblaient alors répondre aux besoins de leur clientèle atteinte de schizophrénie. Des projets pilotes ont néanmoins soulevé des enjeux d’implantation pouvant compromettre la pérennité de l’approche dans ces institutions. Peu d’études se sont intéressées aux facteurs qui entravent l’implantation des approches fondées sur les preuves en milieux sécuritaires. D’ailleurs, un écart subsiste avec les standards de soins retrouvés en psychiatrie générale. L’objectif de cette thèse vise à comprendre les enjeux d’implantation de l’IPT en milieu carcéral et en psychiatrie légale et à cerner les composantes pouvant être adaptées afin de mieux répondre aux besoins de la clientèle atteinte de schizophrénie. Pour ce faire, deux projets ont été réalisés. Un premier projet, une analyse d’implantation sous forme d’étude de cas, a été réalisé auprès d’un établissement de détention et d’un hôpital spécialisé en psychiatrie légale. Des entrevues ont été menées avec les parties prenantes impliquées dans l’implantation (animateurs de l’IPT, patients, intervenants, etc.). Les résultats ont montré que l’IPT est jugé pertinent pour la clientèle et peut être offert en milieu carcéral et en psychiatrie légale. Des enjeux propres à ces milieux ont cependant été identifiés. Parmi ceux-ci, la complexité du tableau clinique et légal de la clientèle, la difficulté à travailler en interdisciplinarité, l’incompatibilité entre certaines exigences sécuritaires et les besoins de réadaptation (notamment au regard de la généralisation des apprentissages) ainsi qu’un manque de priorisation accordé à l’IPT dans la programmation correctionnelle. Le second projet, une étude de développement ayant recours à un devis mixte multi-phases, est venu proposer une solution technologique, la vidéo immersive, afin de faciliter l’expérimentation et la généralisation des apprentissages dans des situations sollicitant des habiletés déficitaires contribuant aux comportements violents (c.-à-d. la cognition sociale). Une phase de développement, comprenant une démarche participative, a sollicité la participation de patients (n=7) et d’intervenants (n=7). Cinq scénarios ont alors été conçus. Ceux-ci cherchaient à susciter des biais de référence à soi et d’intentionnalité. Une phase de validation des scénarios a été effectuée avec des patients atteints d’un trouble dans le spectre de la schizophrénie (n=7) et des personnes sans trouble mental connu (n=7). Les résultats ont suggéré qu’il est possible de concevoir des scénarios qui ont tous les attributs recherchés (c.-à-d. ambigus, réalistes, générant un sentiment de présence et suscitant de la colère) pour favoriser la généralisation des apprentissages dans des situations source de comportements violents. Au final, cette thèse met en lumière les obstacles et les conditions essentielles à l’implantation de l’IPT en milieu carcéral et en psychiatrie légale. L’adaptation de l’IPT doit se poursuivre dans ces milieux. Certaines pistes de solutions proposées, telle que la vidéo immersive, peuvent favoriser une transformation réussie de l’IPT en milieux sécuritaires et soutenir les efforts en réadaptation pour la clientèle y étant atteinte de schizophrénie. / The Integrated Psychological Treatment is a cognitive-behavioral group approach developed in general psychiatry for individuals with schizophrenia. In recent years, IPT drew the attention of clinicians in correctional and forensic psychiatric settings. The abilities targeted were deemed relevant to address the needs of their clientele with schizophrenia. However, pilot projects revealed implementation issues compromising the sustainability of the approach in those settings (e.g., difficult interdisciplinary collaboration, limited possibilities to practice skills). Few implementation studies have been conducted in correctional and forensic psychiatric settings regarding psychosocial approaches. Moreover, a gap exists in standards of care compared to general psychiatry. The aim of this thesis is to identify the factors that need to be considered in the implementation of IPT in correctional and forensic psychiatric settings and to define the components that need to be adapted to meet the needs of the clientele with schizophrenia. Two projects were conducted. First, an implementation analysis was carried out with two cases: a correctional institution and a high security forensic psychiatric hospital. Stakeholders involved in the implementation were interviewed (IPT facilitators, patients, unit managers, unit staff, etc.). Results showed that IPT was deemed relevant for the clientele and could be delivered in secure settings. However, several issues specific to secure settings were identified (i.e., the complex legal and clinical picture of the clientele, the difficulty of working in interdisciplinarity, conflicts between security requirements and rehabilitation needs and the lack of recognition of IPT in national correctional programming). Following this project, a multiphase mixed method was carried out to develop immersive videos, an innovative solution to foster generalization of learning while addressing deficits contributing to violence (i.e., social cognition). The development phase integrated a participative approach and involved patients (n=7) and practitioners (n=7). Five scenarios were created. They sought to elicit self-referential and intentionality biases. The validation phase involved patients with schizophrenia spectrum disorders (n=7) and people without a known mental disorder (n=7). Results showed that it is possible to create immersive scenarios that have all the relevant attributes to foster a generalization of learning in situations leading to violence (i.e., ambiguous, realistic, generating a sense of presence and eliciting anger). Overall, this thesis highlights the factors that facilitate and hinder the implementation of IPT in correctional and forensic psychiatric settings. The adaptation of the approach must continue. Solutions such as immersive videos may facilitate a successful transformation of IPT in secure settings and support the rehabilitation of their clientele with schizophrenia.

Le sommeil joue un rôle important dans la consolidation de la mémoire. Les expériences nouvellement acquises à l’éveil sont réactivées spontanément durant le sommeil, un processus qui aiderait à consolider et intégrer la mémoire à plus long terme. Il a été suggéré que ces réactivations de mémoire se reflétaient, du moins partiellement, dans le contenu des rêves et que les rêves pouvaient jouer un rôle actif dans la consolidation de la mémoire. L'objectif général de cette thèse de doctorat est ainsi d'évaluer si et comment le rêve est impliqué dans le traitement de la mémoire épisodique et procédurale en utilisant de nouvelles technologies et approches expérimentales pour étudier ces relations. La première étude de cette thèse visait à influencer les réactivations de mémoire durant le sommeil afin de clarifier leurs liens avec les rêves et la mémoire procédurale. Nous avons stimulé ces réactivations de mémoire en réexposant des participants, durant leur sommeil, à un stimulus sonore préalablement associé à un apprentissage moteur, une approche nommée « targeted memory reactivation » (TMR). Nous montrons que la TMR, lorsqu’appliquée en stade de sommeil paradoxal, permet d’améliorer l’apprentissage d’une tâche motrice complexe, soit apprendre à « voler » en réalité virtuelle. De plus, le fait de rêver à des éléments kinesthésiques de la tâche motrice en sommeil paradoxal, mais pas en sommeil lent léger, est associé à une meilleure amélioration à cette tâche (article I). Ces résultats appuient les modèles suggérant que le sommeil paradoxal joue un rôle important dans la consolidation de la mémoire procédurale complexe et suggèrent en outre que la simulation de sensations sensorimotrices dans les rêves pourrait contribuer à ce rôle. Bien que la TMR n’ait pas eu d’impact direct sur les rêves, nous montrons qu’elle peut influencer le décours temporel des incorporations de mémoire dans les rêves sur plusieurs jours. La TMR a amplifié les incorporations tardives de la tâche, soit 1-2 jours plus tard lorsqu’appliquée en sommeil paradoxal, et 5-6 jours plus tard lorsqu’appliquée en sommeil lent profond (article II). Nous suggérons que ces effets à plus long terme pourraient être dus à un mécanisme de marquage (tagging) des traces de mémoire, initiant ou amplifiant leur traitement subséquent au cours de plusieurs nuits de sommeil. De plus, nous montrons que notre expérience immersive en réalité virtuelle a augmenté l’incorporation de sensations de vol dans les rêves, particulièrement la nuit suivant l’exposition à celle-ci (article III). Nous identifions certains facteurs individuels qui sont associés à une plus grande incorporation de la tâche dans les rêves, tels que le fait d’avoir déjà eu des rêves de vols ou des rêves lucides. Un examen plus approfondi des rêves pendant 10 jours suivants l'expérience de réalité virtuelle montre que les sensations de vol sont progressivement décontextualisées du contexte de vol original au fil du temps. Les rêves de vol après l’expérience en réalité virtuelle avaient également des niveaux de contrôle et d'intensité émotionnelle plus élevés que ceux ayant eu lieu avant l’expérience. L'induction de rêves de vol nous a permis de faire une analyse qualitative approfondie sur ceux-ci, menant à une nouvelle proposition de la manière dont les sensations de vol, ou les sensations de mouvement de manière plus générale, peuvent survenir dans les rêves. Ces résultats pourraient à leur tour faciliter le développement de technologies pour mieux influencer et étudier les rêves. Une deuxième étude visait à évaluer quand et comment une source de mémoire épisodique commune à tous les participant – visiter le laboratoire de sommeil – est incorporé dans les rêves. Les résultats montrent que près du tiers des rêves incorporent des éléments du laboratoire, et ce, particulièrement dans les rêves en sommeil paradoxal lors d’une sieste matinale (article IV). Une étude qualitative de ces rêves met de l’avant les manières typiques par lesquelles des éléments du laboratoire réapparaissent dans les narratifs de rêve. Nous proposons l’existence de différentes « pressions intégratives » qui structurent les fragments de mémoire au sein de scénarios de rêves. Souvent, ces scénarios impliquent une certaine pression de performance, sont de nature sociale, projettent le rêveur dans le temps et dans l’espace, ou incorporent des sensations réelles du corps et de l’environnement de sommeil. Étudier le phénomène de « rêver au laboratoire » aide ainsi à clarifier comment les rêves sont façonnés autour de fragments de mémoire et souligne à la fois les avantages et les limites méthodologiques de l’étude des rêves et de la mémoire en laboratoire. Finalement, une troisième étude visait à suivre le décours temporel des sources de mémoire autobiographique des rêves au cours d’une nuit de sommeil entière en utilisant un protocole de réveils en série. Nos résultats montrent que les rêves peuvent combiner plusieurs sources de mémoire, en particulier lorsqu'ils se produisent en stade N1 ou en sommeil paradoxal, ce qui pourrait refléter une plus grande richesse ou capacité intégrative des rêves ayant lieu en ces stades (article V). Nous reproduisons le résultat voulant que les souvenirs récents sont préférentiellement réactivés tôt dans la nuit, tandis que les souvenirs plus lointains sont relativement plus représentés dans les rêves de fin de nuit – nous précisons que cet effet est indépendant des stades de sommeil. La co-activation de plusieurs sources de mémoire dans un même récit de rêve appuie la suggestion que l’une des fonctions du sommeil est d'intégrer les nouvelles connaissances à nos réseaux de mémoire préexistants. Nos résultats suggèrent que cette fonction pourrait être un processus cumulatif au cours d'une nuit de sommeil. Nous montrons entre autres qu'une seule source de mémoire peut être réactivée à plusieurs reprises dans plusieurs rêves, et en différents stades de sommeil, ce qui pourrait permettre un traitement continu ou séquentiel de souvenirs épisodiques avec d'autres souvenirs tout au long de la nuit. Dans l’ensemble, nos études quantitatives et qualitatives des incorporations de mémoire dans les rêves permettent d’éclairer les mécanismes fondamentaux de la formation des rêves ainsi que leurs associations avec le traitement et la consolidation des mémoires épisodique et procédurale. Nos résultats suggèrent qu’un rôle potentiel du rêve dans la mémoire irait au-delà de sa simple réactivation, soutenant des processus de transformation et d’intégration de la mémoire. La création de scénarios multisensoriels et immersifs basés sur des fragments mémoire est possiblement centrale à ces processus et permettrait d’optimiser l’utilisation de la mémoire pour le futur. / Sleep plays an important role in memory consolidation. New experiences acquired while awake are reactivated spontaneously during sleep, a process that is thought to facilitate their consolidation and integration into longer-term memory. It has been suggested that these memory reactivations are, at least partially, reflected in dream content and that dreams play an active role in memory consolidation. The general objective of this doctoral thesis is to assess these claims; I examine whether and how dreams are involved in episodic and procedural memory processes by using new technologies and experimental approaches to study relationships between memory and dreaming. Our first study aimed to influence memory reactivations during sleep in order to clarify their relationships with dreams and procedural learning. We experimentally stimulated memory reactivations by re-exposing participants during their sleep to an auditory stimulus previously associated with motor learning, a process called targeted memory reactivation (TMR). We show that TMR, when applied during rapid eye movement (REM) sleep, improves performance of a complex motor task, i.e., learning how to "fly" in a virtual reality (VR) setting. Moreover, dreaming about kinesthetic elements of the motor task in REM sleep, but not in stage 2 sleep, is associated with better improvement on this task (article I). These results support previous models suggesting that REM sleep plays an important role in the consolidation of complex procedural memory and further suggest that the simulation of sensorimotor sensations in dreams contribute to this role. Although TMR did not directly impact dreams, we show that it can influence the time course of memory incorporations in dreams over multiple days. It amplified delayed incorporations of the task 1-2 days later when applied in REM sleep, and 5-6 days later when applied in slow-wave sleep (article II). We suggest that these longer-term effects could be due to a “tagging” mechanism of memory traces, which primes or amplifies their subsequent processing over several nights of sleep. Furthermore, we show that our immersive VR task increased the incorporation of flying sensations in dreams, especially the night after exposure to it (article III). We identify individual factors that are associated with the incorporation of the flying task in dreams, such as previous experience with both flying and lucid dreams. A closer look at dreams over 10 days following the VR experience shows that flying sensations become progressively decontextualized from the original flying context over time. Flying dreams after VR exposure also had higher levels of control and emotional intensity compared to baseline flying dreams. The successful induction of flying dreams allowed us to do an in-depth qualitative analysis of them, based on which we propose a new mechanistic explanation of how flying sensations or movements may arise in dreams. These results could facilitate the development of technologies to better influence and study dreaming. Our second study aimed to assess when and how an episodic memory source shared by all participants – visiting the sleep laboratory – is incorporated into dreams. The results show that almost a third of dreams incorporate elements of the laboratory, particularly REM dreams from a morning nap (article IV). A qualitative study of these dreams highlights the typical ways in which elements of the laboratory reappear in dream narratives. We suggest the existence of different “integrative pressures” that structure memory fragments into these dream scenarios. These are often performative or social in nature, project the dreamer in time and space, or incorporate real sensations from the sleeping body or the sleep environment. Studying the phenomenon of dreaming about the laboratory helps clarify how dreams are shaped from memory fragments, and highlights the advantages and methodological limits of laboratory dream and memory studies. Finally, our third study evaluated the time course of autobiographical dream memory sources during an entire night of sleep using a serial awakenings protocol. Our results show that dreams can combine multiple memory sources at once, especially when they occur at sleep onset or in REM sleep, which may reflect a greater dream richness or a more widespread associative memory activation in those stages (article V). We replicate the finding that recent memories are preferentially reactivated early in the night, while more distant memories are relatively more represented in late night dreams – we here clarify that this effect is independent of sleep stages. The coactivation of multiple memory sources in a dream narrative aligns with the suggestion that a function of sleep is to integrate new knowledge with existing knowledge. Our results further suggest that the latter may be a cumulative function of a night of sleep. We show that a single memory source can be repeatedly reactivated in multiple dreams in different sleep stages, which could allow a continuous or sequential processing of episodic memories with other memories across the night. Overall, our quantitative and qualitative studies of memory incorporations in dreams shed light on fundamental mechanisms of dream formation and on their association with episodic and procedural memory processing and consolidation. Our results suggest that a potential role of dreams in memory goes beyond simple reactivation, supporting long-term processes of memory transformation and integration. The creation of immersive and multisensory dream scenarios built upon memory fragments may be key to these processes and to optimizing the use of these memories for the future.

Le trouble de l’usage de cannabis (TLUC) est une problématique complexe particulièrement lorsqu’il est comorbide à un trouble mental sévère (TMS). D’une part, aucune pharmacothérapie n’a été approuvée pour son traitement et d’une autre part, les psychothérapies existantes offrent au mieux une efficacité faible et non maintenue dans le temps. L’émergence de la réalité virtuelle (RV) en psychiatrie pourrait augmenter l’efficacité considérant le potentiel qu’elle a démontré pour une variété de conditions psychiatriques. Actuellement, aucune intervention ayant incorporé la RV visant le traitement du TLUC n’a fait l'objet de recherche. L’intervention Avatar pour le TLUC se veut une approche innovante utilisant la RV en tant qu’outil thérapeutique afin de faire des apprentissages et les pratiquer au moment où les cravings et les émotions sont d’intensité similaire à celle de leur quotidien. Cette intervention comprenant huit séances utilise des techniques provenant de thérapie recommandée (ex., thérapie cognitivo-comportementale, entrevue motivationnelle). Durant les périodes d’immersion, les participants ont interagi avec un avatar représentant une personne significative en lien avec leur consommation dont le thérapeute joue le rôle. Cet essai clinique pilote a visé l’évaluation de l’efficacité ainsi que la faisabilité et l’acceptabilité à court terme chez 19 participants ayant un double diagnostic de TMS et TLUC. Les résultats ont montré une réduction significative modérée de la quantité de cannabis consommée (d=0,545; p=0,017), laquelle a été confirmée par quantification du THC-COOH dans les urines. Une tendance a été observée pour la fréquence de l’usage (d=0,313; p=0,052). Concernant la sévérité du TLUC et la motivation aux changements, une petite (d=0,474; p=0,046) et modérée (d=0,523; p=0,046) taille d’effet ont été obtenues respectivement. Aucun effet significatif n’a été observé pour la qualité de vie et les symptômes psychiatriques sont restés stables. Les résultats à moyen et long terme seront évalués lorsque les participants auront terminé les suivis à 3, 6 et 12 mois. Un essai randomisé contrôlé à simple insu comparant l’intervention Avatar pour TLUC à une intervention classique en toxicomanie est en cours. / Cannabis use disorder (CUD) is a complex issue, particularly when it is comorbid with a severe mental disorder (SMD). On one hand, no pharmacotherapy has been approved for its treatment. On the other hand, existing psychotherapies offer, at best, low efficacy that is not sustained over time. The emergence of virtual reality (VR) in psychiatry could increase efficacy, given the potential it has demonstrated for a variety of psychiatric conditions. To date, no intervention incorporating VR for the treatment of CUD has been developed. The Avatar intervention for CUD is an innovative approach using VR as a therapeutic tool to learn and practice in real-time when cravings and emotions are of similar intensity to their everyday lives. This eight-session intervention uses techniques from commonly used therapeutic approaches (e.g., cognitive-behavioral therapy, motivational interviewing). During immersive sessions, participants interacted with an avatar played by the therapist, representing a significant person intrinsically linked with their consumption. This pilot clinical trial was designed to assess efficacy at short-term, feasibility, and acceptability in 19 participants with a dual diagnosis of SMD and CUD. Results showed a significant moderate reduction in the amount of cannabis consumed (d=0.545, p=0.017), which was confirmed by the quantification of THC-COOH in urine. Regarding the severity of TLUC and motivation to change, a small (d=0.474; p=0.046) and moderate (d=0.523; p=0.046) effect size were obtained, respectively. No significant effect was obtained for quality of life, and psychiatric symptoms remained stable. Once participants have completed the 3-, 6- and 12-month follow-ups, medium- and long-term results will also be assessed. A single-blind randomized controlled trial is currently underway to compare the Avatar intervention for CUD with a conventional addiction intervention.

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