Les travaux présentés dans ce mémoire concernent le traitement et l'analyse des signaux issus de processus physiologiques. La difficulté de traiter ces signaux réside dans la connaissance du processus lui même. En effet, ces systèmes sont souvent modélisés sous l'aspect fonctionnel. Or, il s'avère que les processus vivants requièrent une représentation organisationnelle, structurale, fonctionnelle, mais aussi géométrique et topologique. L'étape de modélisation est d'un enjeu majeur pour définir la méthodologie de traitement des signaux recueillis. Etant donné les nombreuses interactions que présentent ces systèmes, les étapes de prétraitement et de mises en relations multidimensionnelles des signaux disponibles sont généralement incontournables. Les principales contributions présentées visent la détection précoce du glaucome, la phonotentérographie dans le cadre de l'analyse fonctionnelle digestive et enfin l'épilepsie via la caractérisation des crises au travers des signaux EEG. Les perspectives de ce travail se situent dans la continuité des travaux menés en neurophysiologie. De ce contexte, deux axes principaux sont dégagés : l'étude des mécanismes physiopathologiques qui sous-tendent les crises d'épilepsie portant sur l'identification des réseaux épileptiques et leurs relations avec les réseaux cognitifs normaux et l'identification des réseaux neuronaux qui sont mis en jeu au cours des processus mnésiques physiologiques (encodage, stockage, restitution).