京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第24821号 / 情博第837号 / 新制||情||140(附属図書館) / 京都大学大学院情報学研究科知能情報学専攻 / (主査)教授 熊田 孝恒, 教授 西田 眞也, 教授 内田 由紀子, 准教授 中島 亮一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DFAM

Uppsatsen syfte var att undersöka effekten av koffeinintag på mental uthållighet. Hypotesen var att koffein skulle förbättra mental uthållighet på ett statistiskt signifikant vis. 34 individer rekryterades genom ett bekvämlighetsurval. SART (Sustained Attention to Response Task) användes för att mäta mental uthållighet före och efter intag av 180 mg koffein. Resultat på SART visade en signifikant minskning i antal fel gjorda, men inte i responstid. Det påvisades även en signifikant korrelation mellan ålder och responstid där äldre individer uppvisade en längre responstid före och efter koffeinintag. De förbättrade resultaten på SART efter koffeinintag är i linje med annan koffeinforskning och studien ger ytterligare stöd till att koffein förbättrar mental uthållighet. Metodologiska brister i form av en eventuell förväntanseffekt, intag av B-vitaminer i samband med koffeinintag, okontrollerade motivationsfaktorer, och eventuellt andra oidentifierade confounding variabler i undersökningen gör att vi inte med fullständig säkerhet kan tillskriva den signifikanta förbättringen i mental uthållighet till enbart koffein. / The purpose of this study was to examine the effects of caffeine on sustained attention. The working hypothesis was that caffeine would increase sustained attention in a significant way. 34 individuals were recruited by way of a convenience sample. SART (Sustained Attention to Response Task) was used to measure sustained attention before and after ingestion of 180 mg of caffeine. Results of SART showed a significant decrease in the number of errors made, but not in response time after caffeine ingestion. The study also showed a significant correlation between age and response time, in which older adults took a longer time to respond before and after caffeine ingestion. The improved results of SART after caffeine ingestion are in line with other caffeine studies and provide further support to the notion that caffeine improves sustained attention. Methodological shortcomings in shape of an eventual expectancy effect, intake of B vitamins in conjunction with caffeine intake, uncontrolled motivational factors and other eventual unidentified confounding variables makes it so that we can't ascribe the significant improvement in sustained attention to only caffeine with absolute certainty.

Les enfants ayant un Trouble du Déficit de l’attention avec ou sans hyperactivité (TDAH) présentent plusieurs caractéristiques distinctives, dont le fait d’avoir de moins bonnes performances à certaines tâches cognitives, et de faire davantage de vagabondage de l’esprit que les individus sans TDAH. Le vagabondage de l’esprit a été associé à deux principales fonctions cognitives chez des adultes en bonne santé (contrôle exécutif et vigilance). Toutefois, aucune étude n’a, à notre connaissance, évalué la relation entre le vagabondage de l’esprit et le contrôle exécutif ainsi que la vigilance chez les individus ayant un TDAH. La présente étude a donc pour objectif d’évaluer la présence d’une relation entre le vagabondage de l'esprit et le contrôle exécutif ainsi qu’entre le vagabondage de l’esprit et la vigilance chez les enfants avec un TDAH. L’objectif secondaire est de comparer la force de cette association pour chacune des deux fonctions cognitives. Pour ce faire, deux méthodes d’investigation sont utilisées : 1) évaluer les relations entre les variables avant intervention; 2) évaluer les relations entre les degrés de changement des variables suite à une intervention de pleine conscience (PC). Les résultats indiquent une absence de relation entre les variables avant l’intervention. Ils indiquent également que l’intervention de PC permet effectivement de moduler le vagabondage de l’esprit. Après l’intervention, aucune relation entre la vigilance et le vagabondage de l’esprit n’est identifiée alors qu’une relation marginalement significative et modérée avec le contrôle exécutif est présente. Les résultats ont des implications méthodologiques puisqu’il s’agit de la première étude à avoir adapté une tâche de vagabondage de l’esprit en contexte de méditation pour les enfants. Elle a également des implications cliniques puisqu’elle révèle une réduction du vagabondage de l’esprit suite à un programme de PC. Enfin, elle a des implications théoriques. Elle permet notamment d’appuyer le modèle d’échec du contrôle exécutif en relation avec le vagabondage de l’esprit et réfute en partie les arguments avancés par la théorie du découplage.

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La capacité à repérer les événements pertinents dans notre environnement visuel est cruciale dans la surveillance de situations dynamiques telles que le contrôle du trafic aérien. La Cécité aux Changements (CaC) renvoie à la difficulté à détecter des changements visuels. La CaC peut être causée par, soit l’incapacité de l’individu à diriger son attention vers l’objet ayant subi le changement (source perceptive) ou par l’incapacité de l’individu à attribuer suffisamment de ressources attentionnelles à l’objet afin de prendre conscience du changement qu’il a subi (source attentionnelle). Étant donné que la CaC est une cause importante d’erreurs humaines, certaines solutions technologiques ont été conçues pour soutenir la détection des changements. L’historique explicite des changements (CHEX) est efficace pour prévenir la CaC lorsque l’individu n’a qu’à détecter les changements qui surviennent dans une situation dynamique. Le premier objectif de la thèse est d’examiner l’ampleur de la CaC dans un contexte de travail multitâche dynamique au sein duquel la détection des changements est sous-jacente à la réalisation d’une tâche de prise de décision plus complexe. Le deuxième objectif vise à déterminer si le CHEX demeure efficace lorsqu’il est utilisé pour soutenir la détection des changements dans ce contexte multitâche dynamique. Un micromonde est employé pour simuler la tâche d’évaluation du risque et de gestion de la réponse (ERGR) et les conditions de travail des activités de commandement et contrôle (C2). La thèse confirme que les individus qui doivent surveiller et gérer des situations complexes et dynamiques sont vulnérables à la CaC. Dans ce contexte, le CHEX semble exacerber la prévalence de la source attentionnelle de la CaC, provoque une augmentation de la charge de travail perçue, et nuit à l’efficacité de la défense du navire. Le CHEX n’est efficace que lorsque la détection des changements est effectuée seule. La thèse suggère que, pour être réellement efficace dans des contextes de travail multitâches dynamiques, une aide à la détection des changements doit être adaptée aux ressources attentionnelles disponibles de l’utilisateur. Elle démontre qu’il est important d’adopter une approche holistique d’évaluation des systèmes d’aide à la décision, car un outil conçu spécifiquement pour aider une fonction cognitive de l’utilisateur peut aussi avoir des conséquences inattendues sur d’autres facettes de son travail.

La présente étude est consacrée à la validation d'un nouvel instrument diagnostique informatisé permettant de mesurer certains déficits présents chez les jeunes souffrant du trouble de 1'hyperactivité avec déficit de l'attention (THADA). Cette validation est faite en fonction de la prémisse selon laquelle un diagnostic plus spécifique des déficits présentés par les sujets est essentiel à une meilleure intervention. Les déficits de la vigilance et de 1'attention sélective ainsi qu'une impulsivité excessive sont identifiés comme les manifestations les plus répandues de ce trouble. La validation a eu lieu auprès de 94 sujets normaux et de 68 sujets THADA. L'âge des sujets varie de 7 à 13 ans. L'épreuve (batterie constituée de trois tests) s'est avérée efficace pour distinguer les deux groupes de sujets. Elle classe correctement jusqu'à 77% des sujets, ce qui constitue un avancement important au niveau de la fiabilité du diagnostic du trouble.

La sérotonine (5-HT) est un neuromodulateur qui joue un rôle essentiel dans la régulation des états de vigilance. Le déséquilibre des taux de sérotonine est impliqué dans l'étiologie des troubles psychiatriques, en particulier des troubles bipolaires et des troubles dépressifs majeurs, qui s'accompagnent également de troubles du sommeil. Basé sur ceci, nous avons émis l’hypothèse selon laquelle une réduction des niveaux de sérotonine devrait perturber le cycle éveil-sommeil. Pour tester cette hypothèse, nous avons utilisé des souris homozygotes (HO) knock-in TPH-2 produisant 20% du niveau normal de sérotonine (Beaulieu et al., 2008) et des souris de type sauvage (WT) avec un taux de sérotonine normal. Dans ces deux groupes, nous avons effectué des enregistrements électrophysiologiques chroniques de l'activité cérébrale dans trois aires corticales (préfrontales, motrices, rétrospléniales) et de l'hippocampe, en plus de l'EMG du cou. Les états de vigilance ont été détectés et la durée de chaque épisode de sommeil et d’éveil a été mesurée. Nous avons constaté que la réduction de sérotonine prolongeait la durée des épisodes de sommeil et de réveil. Les souris HO présentaient un sommeil continu plus long (combinant le sommeil à ondes lentes et le sommeil paradoxal) et des épisodes de réveil plus longs par rapport aux WT. Nous avons également évalué l'activité des ondes lentes dans toutes les zones corticales étudiées et notre étude a révélé que la puissance delta était augmentée chez les souris avec une réduction en sérotonine par rapport aux souris normales. Nous concluons que la réduction des niveaux de sérotonine mène à des états de vigilance plus consolidés. Nos résultats indiquent de manière surprenante que, la sérotonine influence de manière significative l’activité des ondes lentes corticales par augmentation de la puissance du delta. Nos résultats suggèrent également que les humains et les souris réagissent différemment à une réduction du taux de sérotonine. / The serotonin (5-HT) is a neuromodulator that plays a critical role in the regulation of states of vigilance. The disbalance in the levels of serotonin is implicated in the etiology of psychiatric disorders, particularly in bipolar disorder and major depressive disorder, that are also accompanied by sleep disturbances. Based on this, we hypothesized that a reduction in serotonin levels should lead to disruptions in the sleep-wake cycle in mice. To test this hypothesis, we used TPH-2 knock-in homozygote (HO) mice that produce 20% of normal level of serotonin (Beaulieu et al., 2008) and wild-type (WT) mice with normal serotonin level. In both of those groups, we conducted chronic electrophysiological recordings of the brain activity in three (prelimbic, motor, retrosplenial) cortical areas and in the hippocampus in addition to a neck EMG. The states of vigilance were detected, the number and duration of each sleep and wake episode was measured in addition to values of Delta power. We found that the reduction in serotonin levels leads to longer duration and decreased number of individual sleep and wake episodes. HO mice displayed longer continuous sleep (combining slow-wave sleep and REM sleep) and longer wake episodes as compared to WT. We also evaluated the slow-wave activity power in all investigated cortical areas and our study reveal that depletion in serotonin leads to higher values of Delta Power. We conclude that the decrease in serotonin levels cause more consolidated states of vigilance in addition to a reduced number of episodes compared to WT. Our results surprisingly indicate that serotonin significantly influence the cortical slow-wave activity power by increasing Delta power. Our results also suggest that humans and mice differently respond to a reduction in serotonin level.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Nos organes sensoriels sont sous un bombardement permanent d'informations provenant du monde extérieur dont seule une infime fraction est intéressante ou pertinente pour l'individu à chaque instant, comme par exemple le visage d'une personne recherchée au milieu d'une foule. Filtrer et extraire cette information sont des fonctions vitales du cerveau, mais les mécanismes neuronaux qui décident de la réussite ou l'échec de cette épreuve restent partiellement compris. La visée de ce projet est d'étudier la relation entre activité neurale de fond et performance comportementale dans des paradigmes nécessitant différents types d'attention, au moyen de techniques comportementales et de la neuroimagerie fonctionnelle. Le modèle théorique que j'évalue dans cette thèse postule une organisation hiérarchique de ces fonctions avec l'éveil comme fonction basique d'activation physiologique, la vigilance comme fonction intermédiaire et l'attention sélective comme niveau le plus élevé et spécifique. Nous proposons en outre que l'attention sélective et la vigilance emploient deux mécanismes orthogonaux ; ces deux versants du spectre attentionnel seront le focus des deux études expérimentales présentées dans ce manuscrit. Dans les deux cas, il s'agit de chercher un lien entre l'activité neuronale spontanée et la variabilité comportementale à travers des essais répétés.J'ai utilisé le paradigme de Stroop pour opérationnaliser l'attention sélective soumise à la distraction ; la couleur du mot écrit étant la cible et le mot lui-même un distracteur en conflit direct avec cette cible. Les résultats indiquent qu'une activité pré-stimulus plus élevée dans les aires frontales et ventrales pertinentes pertinentes pour la tâche corrèle essai par essai avec des temps de réponse plus rapides ; l’effet inverse est observé dans l’aire liée au traitement de la distraction (i.e. sensible à la forme des mots). De plus, la variabilité comportementale observée à travers les sujets corrèle avec la variabilité de l’effet préstimulus dans ces régions. Pour étudier la vigilance j’ai conçu un paradigme expérimental au cours duquel les sujets ont pour instruction de rapporter tout événement saillant dans la modalité auditive ou visuelle, sans aucun signal préparatoire permettant de prédire l’apparition du prochain stimulus ou sa nature. Confirmant nos résultats précédents, des temps de réactions plus rapides sont associés à une activité pré-stimulus plus élevée dans le réseau cingulo-thalamo-insulaire. De surcroît, une activité plus élevée dans le réseau du mode par défaut (DMN) est également associée à des réponses plus rapides alors que l’activité spontanée du réseau attentionnel dorsal (DAN) n’a aucun effet sur les temps de réaction aux essais visuels et un effet négatif sur ceux des essais auditifs. Des temps de réaction plus rapide sont également associés à une activité pré-stimulus plus élevée dans les aires sensorielles primaires, mais uniquement lorsque la modalité du stimulus subséquent est congruente avec l’aire de traitement sensoriel. Les conclusions générales qui découlent de cette thèse sont donc doubles : d’une part elle confirme la pertinence fonctionnelle des fluctuations neuronales spontanées pour le comportement, d’autre part elle apporte une première identification des structures neuronales impliquées dans la vigilance sans la confondre avec l’attention sélective. / How does the brain manage to efficiently select from the abundance of sensory input that information which is currently relevant, as, for example, a known face in a crowd? Filtering and extracting this information are essential functions of the brain, but the neural mechanisms underlying the success or failure of this cognitive operation are only partially understood. Together, the aim of this project is to study, using behavioral and imaging techniques, the relationship between spontaneous neural activity and behavioral performance in task settings involving several types of attention. The related working model I wish to assess in my thesis is that attentional functions are organized in a hierarchical manner, with arousal as a basic function, alertness as an intermediate function and selective attention as the highest and most specific level. I further propose that selective attention and tonic alertness employ two orthogonal mechanisms, those two sides of the attentional spectrum will be the focus of the two experiments presented in this manuscript. In both studies, our aim was to establish a link between spontaneous fluctuations of brain activity and behavioral variability across repeated trials I used the Stroop paradigm to operationalize selective attention under distraction, the target being the color of the ink in which the word is written, the word itself is then a distractor conflicting with the target. Results indicate that higher prestimulus activity in frontal and ventral regions relevant for the task correlates trial-by-trial with faster reaction times, the opposite effect is found in the area involved in the processing of distracting features (i.e. sensitive to the word form). Moreover, inter-subjects behavioral variability also correlated with the prestimulus effect variability in those regions. To study alertness, I designed an experimental paradigm where subjects are instructed to report whatever salient event occurs in the auditory or visual modality during the recording, without any preparatory cue allowing them to predict the timing or type of an upcoming stimulus. Confirming our previous results, faster reaction times were associated with a higher prestimulus activity in the cingulo-thalamo-insular network. Furthermore, higher prestimulus activity in the default mode network (DMN) was also tied to faster responses whereas dorsal attention network (DAN) activity was overall irrelevant and, on auditory trials, even detrimental to performance. Similarly, higher prestimulus activity in the primary sensory cortices was associated with faster responses, but those effects were confined to the respective modality or, for visual trials, most pronounced in the relevant retinotopic representation. The general conclusions resulting from this thesis are two-fold: first, it confirms the functional relevance of spontaneous neuronal fluctuations for behavior; on the other hand, it brings a first identification of the brain structures involved in alertness, without confusing it with selective attention.