Search

The aim of this PhD thesis is to further characterize non-verbal auditory cognition, in particular when it is impaired. The first axis of this research focused on the investigation of emotion perception in two populations with potential deficits: in individuals with congenital amusia and patients with brain-damage. In congenital amusia, Study 1 demonstrated a deficit of emotional prosody perception. This deficit was specifically present for short vowels (versus long sentences). However, the deficit was only present in the explicit recognition task and not in the implicit intensity ratings of the same emotions. Moreover, Study 2 allowed us to relate this explicit recognition deficit with early automatic brain processing decrease by using electroencephalography. In brain-damaged patients, Study 3 demonstrated a deficit for musical emotion perception in relation with the side of the lesion. Based on these results and previous studies, we decided to design a new rehabilitation strategy for the training of non-verbal auditory cognition. In the second axis of this thesis, we focused on developing a new training strategy and chose to test this new training with cochlear implant (CI) users as this population is in high demand for better auditory cognition. We first designed a new short assessment battery for non-verbal auditory cognition. Study 4 demonstrated its efficiency to reveal specific deficits in CI users and in normal-hearing participants by using vocoded sounds. Moreover, findings revealed some evidence that audiovisual cues might help CI users to enhance their non-verbal auditory perception, as previously suggested with verbal material. We then designed a new training strategy by using multisensory integration and more specifically audiovisual stimulation. We suggest that this training could enhance non-verbal auditory abilities of CI users, but also of control participants. We aim to demonstrate the efficiency of this training in a long-term implementation by acquiring both behavioral measures (with the assessment battery developed in Study 4) in all populations with a deficit, but also magnetoencephalographic measures in control participants (Study 5). Overall, this PhD research brings further insight in the field of non-verbal auditory cognition and its associated deficits, and provides a new tool aiming to measure and remediate these deficits, which will then be useable for evaluation in clinical settings; Cette thèse a pour but de fournir de nouveaux outils pour la caractérisation de la cognition auditive non-verbale, ses déficits, et développer un outil pour la réhabilitation. Nous avons choisi de concentrer le premier axe de ce travail sur une meilleure compréhension de la perception des émotions dans deux déficits : l'amusie congénitale et à la suite d'une lésion cérébrale. Dans l'amusie congénitale, nous avons démontré un déficit de perception de la prosodie émotionnelle, en utilisant de courtes voyelles plutôt que de longues phrases. Ce déficit de perception de la prosodie émotionnelle était présent uniquement dans la tâche de reconnaissances des émotions, les amusiques démontrant des notations d’intensité similaires aux contrôles. De plus, nous avons associé ce déficit à une diminution du traitement cérébral automatique précoce grâce à des mesures en électroencéphalographie. Chez les patients présentant une lésion cérébrale, nous avons démontré un déficit de perception des émotions musicales en relation avec le côté de la lésion. Sur la base de ces résultats et d'études antérieures, nous avons décidé de concevoir une nouvelle stratégie de rééducation pour la cognition auditive non verbale. Dans le deuxième axe de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur les possibilités d’entrainement de cette cognition et avons choisi de tester cet entrainement avec des utilisateurs d'implants cochléaires (IC). En effet, au sein de cette population, de nombreuses personnes demandent des améliorations pour mieux percevoir les informations non verbales. Dans une première étude, nous avons conçu une nouvelle batterie d'évaluation de la cognition auditive non verbale. Nous avons démontré son efficacité pour révéler des déficits spécifiques chez les utilisateurs d'IC ainsi que chez les participants ayant une audition normale en utilisant des sons vocodés. De plus, nous avons apporté des preuves que les indices audiovisuels pourraient aider les utilisateurs d’IC à améliorer leur perception auditive non verbale, comme précédemment suggéré avec du matériel verbal. Sur la base de cette étude, nous avons conçu une nouvelle stratégie d’entrainement à domicile utilisant l'intégration multisensorielle et plus spécifiquement la stimulation audiovisuelle. Nous suggérons que cet entrainement pourrait améliorer les capacités auditives non verbales des utilisateurs d'IC mais aussi des participants contrôles. Nous visons à démontrer l'efficacité de cet entrainement à long terme à la fois en utilisant des mesures comportementales (avec la batterie d'évaluation développée) chez toutes les populations avec un déficit, mais aussi des mesures en magnétoencéphalographie chez les participants contrôles. Dans l'ensemble, ce travail de doctorat apporte des connaissances supplémentaires dans le domaine de la cognition auditive non verbale et des déficits associés, plus précisément dans le domaine de la perception des émotions. De plus, ce travail fournit un outil intéressant pour remédier à ces déficits

Two principal types of measures can be recorded by magnetoencephalography and electroencephalography: continuous, mostly recorded during resting or sleep, or event-related potential/evoked magnetic field (ERP/EMF) measures, that involves a specific and repetitive task. ERPs/EMFs can be analyzed by waveforms, time-frequency, or topography analysis. This systematic review aimed to summarize longitudinal studies about the recovery of post-stroke aphasia studied by temporal imagery, both continuous and event-related. We searched MEDLINE via PubMed and Scopus 76 on March 26, 2020, for English articles published from 1950 to 2020. Eligible studies involved poststroke aphasia exploration by EEG or MEG during resting state or different tasks. We included reports of 38 studies: 11 were non-interventional studies following recovery (176 patients) and 27 were clinical trials with drugs (48 patients), specific rehabilitation methods (178 patients), or neuromodulation (122 patients). Non-interventional studies correlated spontaneous recovery with biomarkers, like the link between poor recovery and slow-wave activity. Clinical trials wanted to correlate behavioral improvements and electrophysiological measures: lots of studies focused on the N400 component as a good biomarker of therapy-induced effects. To conclude, the contribution of EEG and MEG measures is interesting for the following of spontaneous or therapy-induced effects recovery in post-stroke aphasia, but poorly exploited. The few number of high-resolution imagery studies and the lack of knowledge about topographical or time-frequency analysis are probably the main reasons why they are little used. As for, the identification of biomarkers of therapy induced effects, it seems more reliable with ERP/EMF than through continuous EEG.; Deux types de mesures peuvent être enregistrées par la magnétoencéphalographie et l'électroencéphalographie : les mesures en continu, principalement enregistrées pendant le repos ou le sommeil, ou les mesures de potentiels/champs magnétiques évoqués (ERPs/EMFs), liées à des événements. Les ERPs/EMFs peuvent être analysés par l’étude des formes d'onde, du temps-fréquence ou de la topographie. Cette revue résume les études longitudinales de la récupération de l'aphasie post-AVC étudiée par imagerie temporelle, en continue ou liée à un événement. Nous avons recherché dans MEDLINE via PubMed et Scopus le 26 mars 2020 des articles en anglais publiés de 1950 à 2020. Les études admissibles concernaient l'exploration de l'aphasie post-AVC par EEG ou MEG en repos ou pendant différentes tâches. Nous avons inclus 38 études : 11 études non interventionnelles suivant la récupération (176 patients) et 27 essais cliniques de médicaments (48 patients), de méthodes de réadaptation spécifiques (178 patients) ou de neuromodulation (122 patients). Les études non interventionnelles ont établi une corrélation entre la récupération spontanée et certains biomarqueurs, comme le lien entre une mauvaise récupération et des ondes lentes au repos. Les essais cliniques tentent de lier améliorations comportementales et mesures électrophysiologiques : plusieurs études se sont concentrées sur la N400 en tant que biomarqueur des effets positifs induits par la thérapie. Les possibilités analytiques de l'imagerie temporelle sont intéressantes dans le suivi de la récupération spontanée ou induite par la thérapie dans le cadre de l’aphasie post-AVC, et pourtant peu exploitées. Le peu d'études via imagerie à haute résolution et le manque de connaissances sur l'analyse topographique ou de temps-fréquence sont probablement les principales raisons de leur faible utilisation. Quant à l'identification des biomarqueurs des effets induits par la thérapie, elle semble plus fiable en analyse ERP/EMF qu'avec l'EEG en continu.

Attention is the cognitive ability which allows us to select and preferentially process relevant information in our environment. It relies on a balance between top-down and bottom-up processes and is heavily influenced by the ongoing arousal levels. Thereby, salient sounds in our environment can both hinder our performance during a task by capturing our attention or on the contrary boost our performance by triggering a transient increase in arousal. Attentional mechanisms are disturbed in numerous neurological and psychiatric disorder. Migraine is a neurological disorder which is not limited to recurrent and severe headaches: it is also characterized by sensory hypersensitivity which climaxes during migraine attack but also persists at a lower level in the pain-free period. Recent studies suggest that the attentional process of sensory inputs is dysfunctional in migraine: a deficient attentional filter may participate to sensory symptoms associated with the disorder. The aim of this work was made possible in part thanks to MEG and EEG recordings during a competitive attention task designed to evaluate conjointly voluntary attention, involuntary attention and phasic arousal. First, we attempted to isolate an electrophysiological marker of phasic increases in arousal triggered by the onset of salient sounds among healthy participants. The early-P3, an event-related response classically associated to attention capture, turned out to be a good candidate as a marker of phasic arousal. Then, we demonstrated that migraineurs presented a disrupted attentional processing of sounds, namely at the level of bottom-up attention and top-down inhibitory processes. These results were corroborated by a questionnaire study which revealed that migraineurs complain about attention difficulties in the everyday life and that these difficulties correlate with the sensory disturbances they experience. Finally, we aimed to detect anomalies of brain structure in migraine by analyzing newly acquired anatomical MRI and diffusion tensor imaging data, which we confronted to previous results of the literature. Neither the analysis of our anatomical data, nor the meta-analysis of the literature provided convincing evidence of an abnormal brain structure in migraine. This work provides new insights in the understanding of sensory symptoms in migraine and in parallel, offers a new tool to investigate phasic arousal., L'attention est la fonction cérébrale qui nous permet de sélectionner et traiter préférentiellement les informations pertinentes de notre environnement. Elle repose sur un équilibre entre des processus volontaires et involontaires et est conditionnée par le niveau général d'éveil. De fait, des sons saillants dans notre environnement peuvent à la fois nous gêner dans une tâche en capturant notre attention ou nous rendre plus performants en déclenchant une augmentation transitoire d'éveil. Les processus attentionnels sont perturbés dans de nombreuses maladies neurologiques et psychiatriques. La migraine est une maladie neurologique qui, au delà des maux de tête sévères et réguliers, est caractérisée par une hypersensibilité sensorielle qui est maximale pendant les crises mais persiste de manière atténuée le reste du temps. Des résultats récents suggèrent que le traitement attentionnel des informations sensorielles est dysfonctionnel dans la migraine: un filtre attentionnel défaillant pourrait participer aux symptômes sensoriels observés dans la migraine. Le but de cette thèse a été rendu possible en partie grâce à des enregistrements MEG et EEG pendant une tâche d'attention compétitive permettant une évaluation conjointe de l'attention volontaire, de l'attention involontaire et de l'augmentation phasique de l'éveil. En premier lieu, nous avons cherché à isoler un marqueur électrophysiologique de l'augmentation phasique de l'éveil provoquée par l'irruption de sons saillants chez des participants sains. L'early-P3, un potentiel évoqué classiquement associé à la capture de l'attention, s'est révélé un bon candidat en tant que marqueur de l'éveil phasique. Dans un second temps, nous avons démontré que la migraine était associée à une altération du traitement attentionnel des sons, notamment au niveau de l'attention involontaire et des processus volontaires d'inhibition. Ces résultats ont été corroborés par une étude via questionnaires qui a révélé que les migraineux se plaignent de difficultés attentionnelles dans la vie quotidienne et que ces difficultés corrèlent avec la gêne sensorielle qu'ils ressentent. Dans un troisième temps, nous avons tenté de détecter des anomalies de la structure cérébrale dans la migraine grâce à des données d'IRM anatomique et d'imagerie du tenseur de diffusion, que nous avons confrontés aux résultats préalables de la littérature. Ni l'analyse de nos données anatomiques, ni la méta-analyse de la littérature n'a confirmé d'atteintes anatomiques dans la migraine. Ces travaux de thèse ouvrent de nouvelles pistes dans la compréhension des symptômes sensoriels dans la migraine et en parallèle offrent un nouvel outil pour étudier l'éveil phasique.

The aim of this PhD thesis is to further characterize non-verbal auditory cognition, in particular when it is impaired. The first axis of this research focused on the investigation of emotion perception in two populations with potential deficits: in individuals with congenital amusia and patients with brain-damage. In congenital amusia, Study 1 demonstrated a deficit of emotional prosody perception. This deficit was specifically present for short vowels (versus long sentences). However, the deficit was only present in the explicit recognition task and not in the implicit intensity ratings of the same emotions. Moreover, Study 2 allowed us to relate this explicit recognition deficit with early automatic brain processing decrease by using electroencephalography. In brain-damaged patients, Study 3 demonstrated a deficit for musical emotion perception in relation with the side of the lesion. Based on these results and previous studies, we decided to design a new rehabilitation strategy for the training of non-verbal auditory cognition. In the second axis of this thesis, we focused on developing a new training strategy and chose to test this new training with cochlear implant (CI) users as this population is in high demand for better auditory cognition. We first designed a new short assessment battery for non-verbal auditory cognition. Study 4 demonstrated its efficiency to reveal specific deficits in CI users and in normal-hearing participants by using vocoded sounds. Moreover, findings revealed some evidence that audiovisual cues might help CI users to enhance their non-verbal auditory perception, as previously suggested with verbal material. We then designed a new training strategy by using multisensory integration and more specifically audiovisual stimulation. We suggest that this training could enhance non-verbal auditory abilities of CI users, but also of control participants. We aim to demonstrate the efficiency of this training in a long-term implementation by acquiring both behavioral measures (with the assessment battery developed in Study 4) in all populations with a deficit, but also magnetoencephalographic measures in control participants (Study 5). Overall, this PhD research brings further insight in the field of non-verbal auditory cognition and its associated deficits, and provides a new tool aiming to measure and remediate these deficits, which will then be useable for evaluation in clinical settings, Cette thèse a pour but de fournir de nouveaux outils pour la caractérisation de la cognition auditive non-verbale, ses déficits, et développer un outil pour la réhabilitation. Nous avons choisi de concentrer le premier axe de ce travail sur une meilleure compréhension de la perception des émotions dans deux déficits : l'amusie congénitale et à la suite d'une lésion cérébrale. Dans l'amusie congénitale, nous avons démontré un déficit de perception de la prosodie émotionnelle, en utilisant de courtes voyelles plutôt que de longues phrases. Ce déficit de perception de la prosodie émotionnelle était présent uniquement dans la tâche de reconnaissances des émotions, les amusiques démontrant des notations d’intensité similaires aux contrôles. De plus, nous avons associé ce déficit à une diminution du traitement cérébral automatique précoce grâce à des mesures en électroencéphalographie. Chez les patients présentant une lésion cérébrale, nous avons démontré un déficit de perception des émotions musicales en relation avec le côté de la lésion. Sur la base de ces résultats et d'études antérieures, nous avons décidé de concevoir une nouvelle stratégie de rééducation pour la cognition auditive non verbale. Dans le deuxième axe de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur les possibilités d’entrainement de cette cognition et avons choisi de tester cet entrainement avec des utilisateurs d'implants cochléaires (IC). En effet, au sein de cette population, de nombreuses personnes demandent des améliorations pour mieux percevoir les informations non verbales. Dans une première étude, nous avons conçu une nouvelle batterie d'évaluation de la cognition auditive non verbale. Nous avons démontré son efficacité pour révéler des déficits spécifiques chez les utilisateurs d'IC ainsi que chez les participants ayant une audition normale en utilisant des sons vocodés. De plus, nous avons apporté des preuves que les indices audiovisuels pourraient aider les utilisateurs d’IC à améliorer leur perception auditive non verbale, comme précédemment suggéré avec du matériel verbal. Sur la base de cette étude, nous avons conçu une nouvelle stratégie d’entrainement à domicile utilisant l'intégration multisensorielle et plus spécifiquement la stimulation audiovisuelle. Nous suggérons que cet entrainement pourrait améliorer les capacités auditives non verbales des utilisateurs d'IC mais aussi des participants contrôles. Nous visons à démontrer l'efficacité de cet entrainement à long terme à la fois en utilisant des mesures comportementales (avec la batterie d'évaluation développée) chez toutes les populations avec un déficit, mais aussi des mesures en magnétoencéphalographie chez les participants contrôles. Dans l'ensemble, ce travail de doctorat apporte des connaissances supplémentaires dans le domaine de la cognition auditive non verbale et des déficits associés, plus précisément dans le domaine de la perception des émotions. De plus, ce travail fournit un outil intéressant pour remédier à ces déficits

Understanding the functioning of the brain under normal and pathological conditions is one of the challenges of the 21textsuperscript{st} century.In the last decades, neuroimaging has radically affected clinical and cognitive neurosciences.Amongst neuroimaging techniques, magneto- and electroencephalography (M/EEG) stand out for two reasons: their non-invasiveness, and their excellent time resolution.Reconstructing the neural activity from the recordings of magnetic field and electric potentials is the so-called bio-magnetic inverse problem.Because of the limited number of sensors, this inverse problem is severely ill-posed, and additional constraints must be imposed in order to solve it.A popular approach, considered in this manuscript, is to assume spatial sparsity of the solution: only a few brain regions are involved in a short and specific cognitive task.Solutions exhibiting such a neurophysiologically plausible sparsity pattern can be obtained through L21-penalized regression approaches.However, this regularization requires to solve time-consuming high-dimensional and non-smooth optimization problems, with iterative (block) proximal gradients solvers.% Issues of M/EEG: noise:Additionally, M/EEG recordings are usually corrupted by strong non-white noise, which breaks the classical statistical assumptions of inverse problems. To circumvent this, it is customary to whiten the data as a preprocessing step,and to average multiple repetitions of the same experiment to increase the signal-to-noise ratio.Averaging measurements has the drawback of removing brain responses which are not phase-locked, ie do not happen at a fixed latency after the stimuli presentation onset.%Making it faster.In this work, we first propose speed improvements of iterative solvers used for the L21-regularized bio-magnetic inverse problem.Typical improvements, screening and working sets, exploit the sparsity of the solution: by identifying inactive brain sources, they reduce the dimensionality of the optimization problem.We introduce a new working set policy, derived from the state-of-the-art Gap safe screening rules.In this framework, we also propose duality improvements, yielding a tighter control of optimality and improving feature identification techniques.This dual construction extrapolates on an asymptotic Vector AutoRegressive regularity of the dual iterates, which we connect to manifold identification of proximal algorithms.Beyond the L21-regularized bio-magnetic inverse problem, the proposed methods apply to the whole class of sparse Generalized Linear Models.%Better handling of the noiseSecond, we introduce new concomitant estimators for multitask regression.Along with the neural sources estimation, concomitant estimators jointly estimate the noise covariance matrix.We design them to handle non-white Gaussian noise, and to exploit the multiple repetitions nature of M/EEG experiments.Instead of averaging the observations, our proposed method, CLaR, uses them all for a better estimation of the noise.The underlying optimization problem is jointly convex in the regression coefficients and the noise variable, with a ``smooth + proximable'' composite structure.It is therefore solvable via standard alternate minimization, for which we apply the improvements detailed in the first part.We provide a theoretical analysis of our objective function, linking it to the smoothing of Schatten norms.We demonstrate the benefits of the proposed approach for source localization on real M/EEG datasets.Our improved solvers and refined modeling of the noise pave the way for a faster and more statistically efficient processing of M/EEG recordings, allowing for interactive data analysis and scaling approaches to larger and larger M/EEG datasets., Parmi les techniques d’imagerie cerébrale, la magneto- et l’électro-encéphalographie se distinguent pour leur faible degré d’invasivité et leur excellente résolution temporelle. La reconstruction de l’activité neuronale à partir de l’enregistrement des champs électriques et magnétiques constitue un problème inverse extr êmement mal posé, auquel il est nécessaire d’ajouter des contraintes pour le résoudre. Une approche populaire, empruntée dans ce manuscrit, est de postuler que la solution est parcimonieuse spatialement, ce qui peut s’obtenir par une pénalisation L2/1. Cependant, ce type de régularisation nécessite de résoudre des problèmes d’optimisation non-lisses en grande dimension, avec des méthodes itératives dont la performance se dégrade avec la dimension. De plus, les enregistrements M/EEG sont typiquement corrompus par un fort bruit coloré, allant à l’encontre des hypothèses classiques de résolution des problèmes inverses. Dans cette thèse, nous proposons d’abord une accélération des algorithmes itératifs utilisés pour résoudre le problème bio-magnétique avec régularisation L2/1. Les améliorations classiques (règles de filtrage et ensemble actifs), tirent parti de la parcimonie de la solution: elles ignorent les sources cérébrales inactives, et réduisent ainsi la dimension du problème. Nous introduisons une nouvelle technique d’ensemble actifs, reposant sur les règles de filtrage les plus performantes actuellement. Nous proposons des techniques duales avancées, qui permettent un contrôle plus fin de l’optimalité et améliorent les techniques d’identification de prédicteurs. Notre construction duale extrapole la structure Vectorielle Autoregressive des iterés duaux, régularité que nous relions aux propriétés d’identification de support des algorithmes proximaux. En plus du problème inverse bio-magnétique, l’approche proposée est appliquée à l’ensemble des modèles linéaires g énéralisés r égularisés L1. Deuxièmement, nous introduisons de nouveaux estimateurs concomitants pour la régression multitâche, conçus pour traiter du bruit gaussien correlé. Le probleme d’optimisation sous-jacent est convexe, et présente une structure “lisse + proximable” attrayante ; nous lions la formulation de ce problème au lissage des normes de Schatten.

In neurophysiological time series, strong neural oscillations are observed in the mammalian brain, and the natural processing tools are thus centered on narrow-band linear filtering.As this approach is too reductive, we propose new methods to represent these signals.We first focus on the study of phase-amplitude coupling (PAC), which consists in an amplitude modulation of a high frequency band, time-locked with a specific phase of a slow neural oscillation.We propose to use driven autoregressive models (DAR), to capture PAC in a probabilistic model. Giving a proper model to the signal enables model selection by using the likelihood of the model, which constitutes a major improvement in PAC estimation.%We first present different parametrization of DAR models, with fast inference algorithms and stability discussions.Then, we present how to use DAR models for PAC analysis, demonstrating the advantage of the model-based approach on three empirical datasets.Then, we explore different extensions to DAR models, estimating the driving signal from the data, PAC in multivariate signals, or spectro-temporal receptive fields.Finally, we also propose to adapt convolutional sparse coding (CSC) models for neurophysiological time-series, extending them to heavy-tail noise distribution and multivariate decompositions. We develop efficient inference algorithms for each formulation, and show that we obtain rich unsupervised signal representations.; Dans les séries temporelles neurophysiologiques, on observe de fortes oscillations neuronales, et les outils d'analyse sont donc naturellement centrés sur le filtrage à bande étroite.Puisque cette approche est trop réductrice, nous proposons de nouvelles méthodes pour représenter ces signaux.Nous centrons tout d'abord notre étude sur le couplage phase-amplitude (PAC), dans lequel une bande haute fréquence est modulée en amplitude par la phase d'une oscillation neuronale plus lente.Nous proposons de capturer ce couplage dans un modèle probabiliste appelé modèle autoregressif piloté (DAR). Cette modélisation permet une sélection de modèle efficace grâce à la mesure de vraisemblance, ce qui constitue un apport majeur à l'estimation du PAC.%Nous présentons différentes paramétrisations des modèles DAR et leurs algorithmes d'inférence rapides, et discutons de leur stabilité.Puis nous montrons comment utiliser les modèles DAR pour l'analyse du PAC, et démontrons l'avantage de l'approche par modélisation avec trois jeux de donnée.Puis nous explorons plusieurs extensions à ces modèles, pour estimer le signal pilote à partir des données, le PAC sur des signaux multivariés, ou encore des champs réceptifs spectro-temporels.Enfin, nous proposons aussi d'adapter les modèles de codage parcimonieux convolutionnels pour les séries temporelles neurophysiologiques, en les étendant à des distributions à queues lourdes et à des décompositions multivariées. Nous développons des algorithmes d'inférence efficaces pour chaque formulations, et montrons que l'on obtient de riches représentations de façon non-supervisée.

In neurophysiological time series, strong neural oscillations are observed in the mammalian brain, and the natural processing tools are thus centered on narrow-band linear filtering.As this approach is too reductive, we propose new methods to represent these signals.We first focus on the study of phase-amplitude coupling (PAC), which consists in an amplitude modulation of a high frequency band, time-locked with a specific phase of a slow neural oscillation.We propose to use driven autoregressive models (DAR), to capture PAC in a probabilistic model. Giving a proper model to the signal enables model selection by using the likelihood of the model, which constitutes a major improvement in PAC estimation.%We first present different parametrization of DAR models, with fast inference algorithms and stability discussions.Then, we present how to use DAR models for PAC analysis, demonstrating the advantage of the model-based approach on three empirical datasets.Then, we explore different extensions to DAR models, estimating the driving signal from the data, PAC in multivariate signals, or spectro-temporal receptive fields.Finally, we also propose to adapt convolutional sparse coding (CSC) models for neurophysiological time-series, extending them to heavy-tail noise distribution and multivariate decompositions. We develop efficient inference algorithms for each formulation, and show that we obtain rich unsupervised signal representations.; Dans les séries temporelles neurophysiologiques, on observe de fortes oscillations neuronales, et les outils d'analyse sont donc naturellement centrés sur le filtrage à bande étroite.Puisque cette approche est trop réductrice, nous proposons de nouvelles méthodes pour représenter ces signaux.Nous centrons tout d'abord notre étude sur le couplage phase-amplitude (PAC), dans lequel une bande haute fréquence est modulée en amplitude par la phase d'une oscillation neuronale plus lente.Nous proposons de capturer ce couplage dans un modèle probabiliste appelé modèle autoregressif piloté (DAR). Cette modélisation permet une sélection de modèle efficace grâce à la mesure de vraisemblance, ce qui constitue un apport majeur à l'estimation du PAC.%Nous présentons différentes paramétrisations des modèles DAR et leurs algorithmes d'inférence rapides, et discutons de leur stabilité.Puis nous montrons comment utiliser les modèles DAR pour l'analyse du PAC, et démontrons l'avantage de l'approche par modélisation avec trois jeux de donnée.Puis nous explorons plusieurs extensions à ces modèles, pour estimer le signal pilote à partir des données, le PAC sur des signaux multivariés, ou encore des champs réceptifs spectro-temporels.Enfin, nous proposons aussi d'adapter les modèles de codage parcimonieux convolutionnels pour les séries temporelles neurophysiologiques, en les étendant à des distributions à queues lourdes et à des décompositions multivariées. Nous développons des algorithmes d'inférence efficaces pour chaque formulations, et montrons que l'on obtient de riches représentations de façon non-supervisée.

Alzheimer’s disease causes alterations of the brain networks structure and function that can be modelized by a brain connectivity analyse. We proposed a multi-layer approach to analyse multi-frequency and multimodal brain networks built from magnetoencephalographic (MEG) recordings, functional (fMRI) or diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DWI). Main results showed the existence of previously undefined type of hubs that are inter-frequency hubs; identified thanks to their multi-participation coefficient (MPC) computed from a brain connectivity network with a multi-frequency multiplex topology. These hubs are impacted by Alzheimer’s disease, which reduces their naturally high ability to integrate information propagating through different frequency bands. We also generalized the concept of core-periphery structure to multilayer networks to be able to apply it to a multimodal brain connectivity model that combines structural and functional networks in a single multiplex topology. Hence, we could identify, from a systemic point of view, the most important regions at the scale of the entire brain and study their alteration in patients with Alzheimer’s disease. Therefore, this thesis expose how multilayer networks applied to brain connectivity can help in understanding neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease.; La maladie d’Alzheimer provoque des altérations de la structure des réseaux cérébraux et des fonctions cérébrales qui peuvent être modélisées par une analyse de la connectivité cérébrale. Nous avons proposé une approche en réseaux multi-niveaux pour analyser les réseaux cérébraux multi-fréquentiels et multimodaux construits à partir des enregistrements de magnétoencéphalographie (MEG), d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et de diffusion (IRMd). Les principaux résultats de ces travaux ont démontré l’existence d’un type de hubs non définis précédemment que sont les hubs inter-fréquentiels, identifiés grâce à leur coefficient de multi-participation (MPC) calculé à partir d’un réseau de connectivité cérébrale en topologie multiplexe multi-fréquentiel. Ces hubs sont impactés par la maladie d’Alzheimer, qui diminue leur capacité, naturellement très élevée, à intégrer l'information se propageant à travers différentes bandes de fréquences. Nous avons également généralisé le concept d’une structure en noyau-périphérie aux réseaux multi-niveaux afin de pouvoir ensuite l’appliquer à un modèle de connectivité cérébrale multimodale combinant des réseaux structurels et fonctionnels dans une seule et même topologie en multiplexe. Ainsi, nous avons pu identifier d’un point de vue systémique les régions les plus importantes à l’échelle du cerveau et étudier leur altération chez les patients atteints de la maladie d’Alzheimer. Cette thèse expose donc comment les réseaux complexes multi-niveaux appliqués à la connectivité cérébrale peuvent aider à comprendre l’impact de maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer.

Alzheimer’s disease causes alterations of the brain networks structure and function that can be modelized by a brain connectivity analyse.We proposed a multi-layer approach to analyse multi-frequency and multimodal brain networks built from magnetoencephalographic (MEG) recordings, functional (fMRI) or diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DWI).Main results showed the existence of previously undefined type of hubs that are inter- frequency hubs; identified thanks to their multi-participation coefficient (MPC) computed from a brain connectivity network with a multi-frequency multiplex topology. These hubs are impacted by Alzheimer’s disease, which reduces their naturally high ability to integrate information propagating through different frequency bands.We also generalized the concept of core-periphery structure to multilayer networks to be able to apply it to a multimodal brain connectivity model that combines structural and functional networks in a single multiplex topology. Hence, we could identify, from a systemic point of view, the most important regions at the scale of the entire brain and study their alteration in patients with Alzheimer’s disease.Therefore, this thesis expose how multilayer networks applied to brain connectivity can help in understanding neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease.; La maladie d’Alzheimer provoque des altérations de la structure des réseaux cérébraux et des fonctions cérébrales qui peuvent être modélisées par une analyse de la connectivité cérébrale.Nous avons proposé une approche en réseaux multi-niveaux pour analyser les réseaux cérébraux multi-fréquentiels et multimodaux construits à partir des enregistrements de magnétoencéphalographie (MEG), d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et de diffusion (IRMd).Les principaux résultats de ces travaux ont démontré l’existence d’un type de hubs non définis précédemment que sont les hubs inter-fréquentiels, identifiés grâce à leur coefficient de multi-participation (MPC) calculé à partir d’un réseau de connectivité cérébrale en topologie multiplexe multi-fréquentiel. Ces hubs sont impactés par la maladie d’Alzheimer, qui diminue leur capacité, naturellement très élevée, à intégrer l'information se propageant à travers différentes bandes de fréquences.Nous avons également généralisé le concept d’une structure en noyau-périphérie aux réseaux multi-niveaux afin de pouvoir ensuite l’appliquer à un modèle de connectivité cérébrale multimodale combinant des réseaux structurels et fonctionnels dans une seule et même topologie en multiplexe. Ainsi, nous avons pu identifier d’un point de vue systémique les régions les plus importantes à l’échelle du cerveau et étudier leur altération chez les patients atteints de la maladie d’Alzheimer.Cette thèse expose donc comment les réseaux complexes multi-niveaux appliqués à la connectivité cérébrale peuvent aider à comprendre l’impact de maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer.

Alzheimer’s disease causes alterations of the brain networks structure and function that can be modelized by a brain connectivity analyse.We proposed a multi-layer approach to analyse multi-frequency and multimodal brain networks built from magnetoencephalographic (MEG) recordings, functional (fMRI) or diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DWI).Main results showed the existence of previously undefined type of hubs that are inter- frequency hubs; identified thanks to their multi-participation coefficient (MPC) computed from a brain connectivity network with a multi-frequency multiplex topology. These hubs are impacted by Alzheimer’s disease, which reduces their naturally high ability to integrate information propagating through different frequency bands.We also generalized the concept of core-periphery structure to multilayer networks to be able to apply it to a multimodal brain connectivity model that combines structural and functional networks in a single multiplex topology. Hence, we could identify, from a systemic point of view, the most important regions at the scale of the entire brain and study their alteration in patients with Alzheimer’s disease.Therefore, this thesis expose how multilayer networks applied to brain connectivity can help in understanding neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease.; La maladie d’Alzheimer provoque des altérations de la structure des réseaux cérébraux et des fonctions cérébrales qui peuvent être modélisées par une analyse de la connectivité cérébrale.Nous avons proposé une approche en réseaux multi-niveaux pour analyser les réseaux cérébraux multi-fréquentiels et multimodaux construits à partir des enregistrements de magnétoencéphalographie (MEG), d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et de diffusion (IRMd).Les principaux résultats de ces travaux ont démontré l’existence d’un type de hubs non définis précédemment que sont les hubs inter-fréquentiels, identifiés grâce à leur coefficient de multi-participation (MPC) calculé à partir d’un réseau de connectivité cérébrale en topologie multiplexe multi-fréquentiel. Ces hubs sont impactés par la maladie d’Alzheimer, qui diminue leur capacité, naturellement très élevée, à intégrer l'information se propageant à travers différentes bandes de fréquences.Nous avons également généralisé le concept d’une structure en noyau-périphérie aux réseaux multi-niveaux afin de pouvoir ensuite l’appliquer à un modèle de connectivité cérébrale multimodale combinant des réseaux structurels et fonctionnels dans une seule et même topologie en multiplexe. Ainsi, nous avons pu identifier d’un point de vue systémique les régions les plus importantes à l’échelle du cerveau et étudier leur altération chez les patients atteints de la maladie d’Alzheimer.Cette thèse expose donc comment les réseaux complexes multi-niveaux appliqués à la connectivité cérébrale peuvent aider à comprendre l’impact de maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer.

Situations of interpersonal contact could contribute to the construction of a basic sense of self during childhood and to self-representations through lifespan. Although this hypothesis is widespread in the literature, the effect of social contact on self-awareness has been rarely been investigated experimentally. The aim of this PhD thesis is to investigate such an effect in human adults. In two studies combining electrophysiological measurements and behavioural responses, we show an enhancement of a minimal form of self-awareness – i.e. of the afferent information arising from the body – following social contact. This is reproduced across three sensory modalities (visual, auditory and tactile social contact). In a third study, we use magnetoencephalography to test the effect of an increased (vs reduced) multisensory interpersonal contact context between an experimenter and participants, on the functional connectivity of resting-state networks and on the participants’ thought contents. Our results revealed an enhancement of self-oriented cognitive and brain processes in a highly integrated form, associated to a decrease in externally oriented sensory processes, as a result of the social context of increased interpersonal contact. Together, our results suggest that social contact enhances multiple facets of self-representation, including basic bodily aspects of a minimal self, as well as higher level and integrated aspects of a narrative self. Our social interactions throughout lifespan may thus induce a cerebral and cognitive context centred on a multifaceted self, which would foster self-awareness and the construction of an embodied and embedded sense of identity., Les situations de contact interpersonnel participeraient à la construction d’un sens basique du soi durant l’enfance, et de nos représentations de soi tout au long de la vie. Bien que l’on retrouve cette hypothèse de manière répandue dans la littérature, elle n’a été que très peu investigué expérimentalement. Cette thèse teste cet effet potentiel chez l’adulte. Deux études combinant mesures électrophysiologiques et comportementales montrent une augmentation d’une forme minimale de conscience de soi –des informations afférentes provenant du corps– suite à un contact social. Cet effet est reproduit dans 3 modalités sensorielles (contact social visuel, auditif et tactile). Une 3ème étude en magnétoencéphalographie teste l’effet d’un contexte de contact interpersonnel multisensoriel accru (vs réduit), entre un expérimentateur et des participants, sur la connectivité fonctionnelle des réseaux cérébraux dits de repos, et sur le contenu des pensées des participants. Nos résultats mettent en évidence une augmentation des processus cérébraux et cognitifs orientés sur le soi sous une forme hautement intégrée, associée à une diminution des processus sensoriels orientés sur l’environnement extérieur, à la suite d’un contact social accru. Dans l’ensemble, nos résultats suggèrent que le contact social améliore plusieurs facettes de la représentation de soi, aussi bien des aspects corporels, que des aspects plus haut-niveau et intégrés du soi narratif. Nos interactions sociales tout au long de la vie pourraient ainsi induire un contexte cérébral et cognitif centré sur un soi multifacette qui favoriserait la conscience de soi, et la construction d’un sens de l’identité incarné et situé.

Alzheimer’s disease causes alterations of the brain networks structure and function that can be modelized by a brain connectivity analyse. We proposed a multi-layer approach to analyse multi-frequency and multimodal brain networks built from magnetoencephalographic (MEG) recordings, functional (fMRI) or diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DWI). Main results showed the existence of previously undefined type of hubs that are inter-frequency hubs; identified thanks to their multi-participation coefficient (MPC) computed from a brain connectivity network with a multi-frequency multiplex topology. These hubs are impacted by Alzheimer’s disease, which reduces their naturally high ability to integrate information propagating through different frequency bands. We also generalized the concept of core-periphery structure to multilayer networks to be able to apply it to a multimodal brain connectivity model that combines structural and functional networks in a single multiplex topology. Hence, we could identify, from a systemic point of view, the most important regions at the scale of the entire brain and study their alteration in patients with Alzheimer’s disease. Therefore, this thesis expose how multilayer networks applied to brain connectivity can help in understanding neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease., La maladie d’Alzheimer provoque des altérations de la structure des réseaux cérébraux et des fonctions cérébrales qui peuvent être modélisées par une analyse de la connectivité cérébrale. Nous avons proposé une approche en réseaux multi-niveaux pour analyser les réseaux cérébraux multi-fréquentiels et multimodaux construits à partir des enregistrements de magnétoencéphalographie (MEG), d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et de diffusion (IRMd). Les principaux résultats de ces travaux ont démontré l’existence d’un type de hubs non définis précédemment que sont les hubs inter-fréquentiels, identifiés grâce à leur coefficient de multi-participation (MPC) calculé à partir d’un réseau de connectivité cérébrale en topologie multiplexe multi-fréquentiel. Ces hubs sont impactés par la maladie d’Alzheimer, qui diminue leur capacité, naturellement très élevée, à intégrer l'information se propageant à travers différentes bandes de fréquences. Nous avons également généralisé le concept d’une structure en noyau-périphérie aux réseaux multi-niveaux afin de pouvoir ensuite l’appliquer à un modèle de connectivité cérébrale multimodale combinant des réseaux structurels et fonctionnels dans une seule et même topologie en multiplexe. Ainsi, nous avons pu identifier d’un point de vue systémique les régions les plus importantes à l’échelle du cerveau et étudier leur altération chez les patients atteints de la maladie d’Alzheimer. Cette thèse expose donc comment les réseaux complexes multi-niveaux appliqués à la connectivité cérébrale peuvent aider à comprendre l’impact de maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer.

Top-down (TD) and bottom-up (BU) mechanisms of attention are supported by dorsal and ventral networks that mainly overlap in the lateral prefrontal cortex (lPFC). A balance between these mechanisms is essential, yet rarely investigated. Increased distractibility observed during ageing or after frontal damage could result from jeopardizing this balance. It has been proposed that distinct oscillatory frequencies support the activation of these two attention networks. Our main aim was to test, in the auditory modality, whether (1) alpha oscillations would coordinate activity within the dorsal TD network, (2) gamma activity would index the activation of the ventral BU network, (3) the lPFC would support the balance between these networks through oscillatory coupling. We also aimed to investigate the oscillatory correlates of the increased distractibility associated with ageing or frontal damage. MEEG data were recorded while participants performed the Competitive Attention Test, which enables simultaneous investigation of BU and TD attention mechanisms. We showed that alpha oscillations indexed facilitatory and suppressive mechanisms of TD attention, and communication within the dorsal network; while gamma oscillations indexed the ventral network activation. Moreover, the lPFC subtended communication in the two networks; with the TD/BU interaction occurring in the medial PFC. We also showed that ageing-related distractibility was of TD deficit origin. Finally, preliminary results suggest that lPFC damage can impact both TD and BU attention. This thesis provides novel insights into the brain oscillatory dynamics of the TD/BU attentional balance supporting distractibility, Les mécanismes volontaires (V) et involontaires (I) de l’attention reposent sur les réseaux dorsal et ventral, convergeant dans le cortex préfrontal latéral (lPFC). La distractibilité accrue liée au vieillissement ou à une lésion frontale pourrait être due à une altération de l’équilibre entre ces mécanismes V et I, essentiel mais rarement étudié. Notre objectif est de tester, dans la modalité auditive, si (1) les oscillations alpha coordonnent l'activité du réseau dorsal, (2) les oscillations gamma celle du réseau ventral, (3) le couplage oscillatoire dans le lPFC maintient l’équilibre entre les deux réseaux. Ce travail vise également à étudier les corrélats oscillatoires de la distractibilité accrue liée au vieillissement ou à une atteinte frontale. Des données MEEG ont été enregistrées alors que des participants réalisaient le Competitive Attention Test, qui permet d’étudier simultanément les mécanismes V et I de l’attention. Nous avons montré que les oscillations alpha reflètent l’activation des mécanismes facilitateurs et suppresseurs de l’attention V, et la communication au sein du réseau dorsal ; alors que les oscillations gamma indexent l’activation du réseau ventral. De plus, le lPFC serait impliqué dans la communication au sein des deux réseaux, et le PFC médian dans l’équilibre attentionnel V/I. Nous avons également montré que la distractibilité accrue était liée à un déficit d’attention V au cours du vieillissement, et à une altération des processus V et I après lésion frontale. Ce travail de thèse offre donc une meilleure compréhension de la dynamique cérébrale oscillatoire sur laquelle repose l'équilibre attentionnel V/I, et donc la distractibilité

Arithmetic is one of the most important cultural inventions of humanity, however we still lack a comprehensive understanding of how the brain computes additions and subtractions. In the first study, I used a novel behavioral method based on trajectory tracking capable of dissecting the succession of processing stages involved in arithmetic computations. Results supported a model whereby single-digit arithmetic is computed by a stepwise displacement on a spatially organized mental number line, starting with the larger operand and incrementally adding or subtracting the smaller operand. In a second study, I analyzed electrophysiological signals recorded from the human cortex while subjects solved addition problems. I found that the overall activity in the intraparietal sulcus increased as the operands got larger, providing evidence for its involvement in arithmetic computation and decision-making. Surprisingly, sites within the posterior inferior temporal gyrus showed an initial burst of activity that decreased as a function of problem-size, suggesting an engagement in the early identification of the calculation difficulty. Lastly, I recorded magnetoencephalography signals while subjects verified additions and subtractions. By applying machine learning techniques, I investigated the temporal evolution of the representational codes of the operands and provided a first comprehensive picture of a cascade of unfolding processing stages underlying arithmetic calculation. Overall, this dissertation provides several contributions to our knowledge about how elementary mathematical concepts are implemented in the brain.; L'arithmétique est une des inventions majeures de l'humanité, mais il nous manque encore une compréhension globale de la façon dont le cerveau calcule les additions et soustractions. J'ai utilisé une nouvelle méthode comportementale basée sur un suivi de trajectoire capable de disséquer la succession des étapes de traitement impliquées dans les calculs arithmétiques. Les résultats sont compatibles avec un modèle de déplacement pas à pas sur une ligne numérique mentale, en commençant par l'opérande le plus grand et en ajoutant ou soustrayant de manière incrémentielle l'opérande le plus petit. Ensuite, j'ai analysé les signaux électrophysiologiques enregistrés à partir du cortex humain pendant que les sujets résolvaient des additions. L'activité globale dans le sillon intrapariétal augmentait au fur et à mesure que les opérandes grossissaient, prouvant son implication dans le calcul et la prise de décision. Étonnamment, les sites dans le gyrus temporal inférieur postérieur ont montré que l’activation initiale diminuait en fonction de la taille du problème, suggérant un engagement dans l'identification précoce de la difficulté de calcul. Enfin, j'ai enregistré des signaux de magnétoencéphalographie pendant que les sujets vérifiaient les additions et soustractions. En appliquant des techniques d'apprentissage automatique, j'ai étudié l'évolution temporelle des codes de représentation des opérandes et fourni une première image complète d'une cascade d'étapes de traitement en cours sous-jacentes au calcul arithmétique. Ainsi, cette dissertation fournit-elle plusieurs contributions sur la façon dont les concepts mathématiques élémentaires sont mis en œuvre dans le cerveau.

Time in the brain can be considered both as a dimension structuring the organization of perception and as a conscious content: this confers to time a particular flavor that makes it a paramount object of study to understand the basis of human cognition. The present thesis aims at empirically determining to which extent the temporal ordering of information relates to the perceived order of events, both implicitly and explicitly. First, we investigated how time may become an explicit conscious content by showing that temporal order is a psychological bias, independent of attention. A follow-up magnetoencephalography study revealed that participants having a large order bias (i.e. their perceived synchrony corresponds to a large physical asynchrony) also showed the largest fluctuations in ongoing alpha power when perceived orders were contrasted for a given physical asynchrony. Alpha oscillations are herein argued to be a means to compensate for an individual internal bias. Second, we investigated how time implicitly shaped the perception of visual sequences by studying postdiction, i.e. when late inputs strikingly influence the representation of earlier information. In the Rabbit illusion, the intermediate flash of a visual sequence is spatially mislocalized due to the temporal regularity of the sequence. We showed that parieto-frontal regions were more activated following the presentation of the full sequence when the illusion was perceived. These results suggest that high-order regions may contribute to the postdictive reconstruction of a visual sequence, consistently with the hypothesis that the illusion is shaped by prior knowledge on a stimulus speed.; Le temps peut être à la fois une dimension structurant l’organisation de la perception et un contenu de la conscience, ce qui en fait un objet d’étude crucial pour comprendre la cognition humaine. Le but de cette thèse est de déterminer dans quelle mesure l’ordonnancement temporel de l’information est lié à l’ordre perçu (explicite ou implicite) des évènements. Le premier axe d’étude s’intéressant au temps comme contenu conscient montre que l’ordre temporel est un biais psychologique indépendant de l’attention. Une étude complémentaire en magnétoencéphalographie a révélé que les participants ayant les plus larges biais (c.à.d. que leur perception de la simultanéité correspond à une large désynchronisation physique) montrent aussi les plus larges fluctuations de la puissance des oscillations alpha spontanées lorsque la perception de l’ordre est contrastée pour un même délai physique. Ces oscillations sont donc proposées comme moyen pour compenser un biais individuel. Le deuxième axe de recherche explore comment le temps façonne implicitement la perception d’une séquence visuelle, par l’étude de la postdiction, c.à.d. quand des informations plus tardives influencent la représentation d’informations antérieures. Dans l’illusion du Lapin, un flash intermédiaire est mal localisé à cause de la régularité temporelle de la séquence. Nous avons montré que percevoir l’illusion active des régions parieto-centrales après la fin de la séquence. Ces résultats suggèrent que des régions de haut niveau pourraient contribuer à la reconstruction postdictive d’une séquence visuelle, en accord avec l’hypothèse que l’illusion dépend d’une connaissance préalable sur la vitesse d’un stimulus.

Time in the brain can be considered both as a dimension structuring the organization of perception and as a conscious content: this confers to time a particular flavor that makes it a paramount object of study to understand the basis of human cognition. The present thesis aims at empirically determining to which extent the temporal ordering of information relates to the perceived order of events, both implicitly and explicitly. First, we investigated how time may become an explicit conscious content by showing that temporal order is a psychological bias, independent of attention. A follow-up magnetoencephalography study revealed that participants having a large order bias (i.e. their perceived synchrony corresponds to a large physical asynchrony) also showed the largest fluctuations in ongoing alpha power when perceived orders were contrasted for a given physical asynchrony. Alpha oscillations are herein argued to be a means to compensate for an individual internal bias. Second, we investigated how time implicitly shaped the perception of visual sequences by studying postdiction, i.e. when late inputs strikingly influence the representation of earlier information. In the Rabbit illusion, the intermediate flash of a visual sequence is spatially mislocalized due to the temporal regularity of the sequence. We showed that parieto-frontal regions were more activated following the presentation of the full sequence when the illusion was perceived. These results suggest that high-order regions may contribute to the postdictive reconstruction of a visual sequence, consistently with the hypothesis that the illusion is shaped by prior knowledge on a stimulus speed.; Le temps peut être à la fois une dimension structurant l’organisation de la perception et un contenu de la conscience, ce qui en fait un objet d’étude crucial pour comprendre la cognition humaine. Le but de cette thèse est de déterminer dans quelle mesure l’ordonnancement temporel de l’information est lié à l’ordre perçu (explicite ou implicite) des évènements. Le premier axe d’étude s’intéressant au temps comme contenu conscient montre que l’ordre temporel est un biais psychologique indépendant de l’attention. Une étude complémentaire en magnétoencéphalographie a révélé que les participants ayant les plus larges biais (c.à.d. que leur perception de la simultanéité correspond à une large désynchronisation physique) montrent aussi les plus larges fluctuations de la puissance des oscillations alpha spontanées lorsque la perception de l’ordre est contrastée pour un même délai physique. Ces oscillations sont donc proposées comme moyen pour compenser un biais individuel. Le deuxième axe de recherche explore comment le temps façonne implicitement la perception d’une séquence visuelle, par l’étude de la postdiction, c.à.d. quand des informations plus tardives influencent la représentation d’informations antérieures. Dans l’illusion du Lapin, un flash intermédiaire est mal localisé à cause de la régularité temporelle de la séquence. Nous avons montré que percevoir l’illusion active des régions parieto-centrales après la fin de la séquence. Ces résultats suggèrent que des régions de haut niveau pourraient contribuer à la reconstruction postdictive d’une séquence visuelle, en accord avec l’hypothèse que l’illusion dépend d’une connaissance préalable sur la vitesse d’un stimulus.

The self has been hypothesized to be anchored in the neural monitoring of visceral signals; yet experimental evidence is scarce. The goal of this thesis was to address this question, by testing whether we could find a link between heart-brain coupling and the self. We operationalized the concept of self by defining two self-dimensions: the experiential “I” and the introspective “Me”. We showed in a first magnetoencephalography (MEG) experiment, that the self-relatedness of spontaneous thoughts was encoded in the amplitude of heartbeat-evoked responses (HERs), in midline regions of the default-network. HERs in the posterior cingulate cortex / ventral precuneus encoded the “I” dimension, whereas the “Me” dimension was associated with HERs in the ventromedial prefrontal cortex (vmPFC). In addition, these results were specific to each self-dimension.In a second study, we extended these results using intracranial recordings and new analyses of the MEG data. Here, HER amplitude co-varied with the self-relatedness of spontaneous thoughts, at the single trial level. Moreover, an analysis of the right anterior insula showed that HERs in this region were also associated with the “I”. A third study aimed at testing these results in the context of oriented thoughts, in an imagination task. We found that HER amplitude in medial motor regions (anterior precuneus, mid-cingulate and supplementary motor area), and vmPFC, varied depending on whether the self or a friend was being imagined. Cardiac signals could contribute to a body-centered reference frame, to which the brain would refer to in order to tag thoughts as being self-related. This could be a mechanism for implementing the self.; Les théories sur le soi ont postulé que celui-ci serait ancré dans le suivi des signaux viscéraux par le cerveau. Cependant, peu de preuves expérimentales soutiennent ce postulat. L’objectif de cette thèse était de tester si on peut trouver un lien entre couplage cœur-cerveau et soi. Nous avons opérationnalisé le concept de soi en définissant deux dimensions: le «Je», expérientiel, et le «Moi», introspectif.Nous avons d’abord montré, en magnétoencéphalographie, que le rapport au soi des pensées spontanées est encodé dans l’amplitude des réponses évoquées aux battements cardiaques (heartbeat-evoked responses, HERs), dans les régions médiales du réseau du mode par défaut. Les HERs dans le cortex cingulaire postérieur et precuneus ventral encodent le «Je», alors que la dimension «Moi» est associée à des HERs dans le cortex préfrontal ventromédian. De plus, ces résultats sont spécifiques de chacune des dimensions du soi.Nous avons ensuite étendu ces résultats à l’aide d’enregistrements intracérébraux. Nous avons montré une covariation entre l’amplitude des HERs et le rapport au soi des pensées, essai par essai. Une analyse de l’insula antérieure droite a démontré que les HERs dans cette région sont modulés par la dimension «Je».Dans une tâche d’imagination, nous avons trouvé que dans les régions motrices médiales et le cortex préfrontal ventromédian, l’amplitude des HERs varie en fonction de la personne imaginée, soi-même ou un ami.Les signaux cardiaques pourraient donc contribuer à l’établissement d’un référentiel centré sur le corps, utilisé par le cerveau pour attribuer un «label soi» aux pensées. Ceci pourrait constituer un mécanisme pour l’implémentation du soi.

The self has been hypothesized to be anchored in the neural monitoring of visceral signals; yet experimental evidence is scarce. The goal of this thesis was to address this question, by testing whether we could find a link between heart-brain coupling and the self. We operationalized the concept of self by defining two self-dimensions: the experiential “I” and the introspective “Me”. We showed in a first magnetoencephalography (MEG) experiment, that the self-relatedness of spontaneous thoughts was encoded in the amplitude of heartbeat-evoked responses (HERs), in midline regions of the default-network. HERs in the posterior cingulate cortex / ventral precuneus encoded the “I” dimension, whereas the “Me” dimension was associated with HERs in the ventromedial prefrontal cortex (vmPFC). In addition, these results were specific to each self-dimension.In a second study, we extended these results using intracranial recordings and new analyses of the MEG data. Here, HER amplitude co-varied with the self-relatedness of spontaneous thoughts, at the single trial level. Moreover, an analysis of the right anterior insula showed that HERs in this region were also associated with the “I”. A third study aimed at testing these results in the context of oriented thoughts, in an imagination task. We found that HER amplitude in medial motor regions (anterior precuneus, mid-cingulate and supplementary motor area), and vmPFC, varied depending on whether the self or a friend was being imagined. Cardiac signals could contribute to a body-centered reference frame, to which the brain would refer to in order to tag thoughts as being self-related. This could be a mechanism for implementing the self., Les théories sur le soi ont postulé que celui-ci serait ancré dans le suivi des signaux viscéraux par le cerveau. Cependant, peu de preuves expérimentales soutiennent ce postulat. L’objectif de cette thèse était de tester si on peut trouver un lien entre couplage cœur-cerveau et soi. Nous avons opérationnalisé le concept de soi en définissant deux dimensions: le «Je», expérientiel, et le «Moi», introspectif.Nous avons d’abord montré, en magnétoencéphalographie, que le rapport au soi des pensées spontanées est encodé dans l’amplitude des réponses évoquées aux battements cardiaques (heartbeat-evoked responses, HERs), dans les régions médiales du réseau du mode par défaut. Les HERs dans le cortex cingulaire postérieur et precuneus ventral encodent le «Je», alors que la dimension «Moi» est associée à des HERs dans le cortex préfrontal ventromédian. De plus, ces résultats sont spécifiques de chacune des dimensions du soi.Nous avons ensuite étendu ces résultats à l’aide d’enregistrements intracérébraux. Nous avons montré une covariation entre l’amplitude des HERs et le rapport au soi des pensées, essai par essai. Une analyse de l’insula antérieure droite a démontré que les HERs dans cette région sont modulés par la dimension «Je».Dans une tâche d’imagination, nous avons trouvé que dans les régions motrices médiales et le cortex préfrontal ventromédian, l’amplitude des HERs varie en fonction de la personne imaginée, soi-même ou un ami.Les signaux cardiaques pourraient donc contribuer à l’établissement d’un référentiel centré sur le corps, utilisé par le cerveau pour attribuer un «label soi» aux pensées. Ceci pourrait constituer un mécanisme pour l’implémentation du soi.

One of the core human abilities is that of interpreting symbols. Notwithstanding decades of neuropsychological and neuroimaging work on the cognitive and neural substrate of semantic representations, many questions are left unanswered. The research in this dissertation attempts to unravel one of them: are the neural substrates of different components of concrete word meaning dissociated? In the first part, I review the different theoretical positions and empirical findings on the cognitive and neural correlates of semantic representations. Crucially, I propose an operational distinction between motor-perceptual dimensions (i.e., those attributes of the objects referred to by the words that are perceived through the senses) and conceptual ones (i.e., the information that is built via a complex integration of multiple perceptual features). In the second part, I present the results of the studies I conducted in order to investigate the automaticity of retrieval, topographical organization, and temporal dynamics of motor-perceptual and conceptual dimensions of word meaning. The results suggest that the neural substrates of different components of symbol meaning can be dissociated in terms of localization and of the feature of the signal encoding them, while sharing a similar temporal evolution.; L'une des capacités humaines fondamentales est la capacité d'interpréter des symboles. Malgré plusieurs décennies de travaux en neuropsychologique et neuroimagerie sur le substrat cognitif et neuronal des représentations sémantiques, de nombreuses questions restent sans réponse. Les présents travaux de thèse tentent de démêler l'un de ces mystères: les substrats neuronaux des différentes composantes du mot sont-ils dissociables? Ce travail comporte deux composantes principales : l'une théorique et l'autre empirique. Dans la première partie, nous passons en revue les différentes positions théoriques concernant les corrélats cognitifs et neuraux des représentations sémantiques. De plus, nous proposons une distinction opérationnelle entre les dimensions moto-perceptives (c'est-à-dire les attributs des objets auxquels les mots se réfèrent perçus par les sens) et conceptuelles (c'est-à-dire l'information construite par l'intégration des multiples caractéristiques perceptives). Dans la deuxième partie, nous présentons les résultats des études menées afin d'étudier l'automaticité de la récupération, l'organisation topographique et la dynamique temporelle des dimensions moto-perceptives et conceptuelles de la signification des mots. Tout en contribuant à notre compréhension de la manière dont le sens des mots est codé dans le cerveau, les travaux présentés dans cette thèse ont des implications méthodologiques et théoriques importantes. En particulier, ils soulignent l'importance d'une intégration fructueuse entre les théories cognitives et les méthodes statistiques avancées afin d'éclairer les mystères entourant les représentations sémantiques.

Current models of speech perception suggest a close correspondence between brain rhythms, characterized by neuronal oscillations, and speech rhythm, which would allow the brain to parse the incoming speech signal into relevant linguistic units for decoding. Slow amplitude modulations in speech temporal envelope, which convey syllabic and prosodic information, have been shown to entrain oscillatory activity of auditory cortex in the theta frequency band (4-7 Hz), sampling the acoustic signal into syllable-sized units. Temporal information in speech is a foundation for oral language acquisition and development; accordingly, deficits in processing speech rhythmic cues have been described in developmental language disorders. This thesis sought to throw light on the neurocognitive processes underlying the perception of natural speech in children with typical and atypical language development (Specific Language Impairment – SLI – or Developmental Language Disorder – DLD) in three experimental studies. In a first magnetoencephalography (MEG) study, we unraveled the oscillatory dynamics in a group of French-speaking typically-developing children aged 8 to 13 years old during listening to naturally-produced sentences either at a normal or fast rate. Our results suggested two types of entrainment of cortical oscillations on the temporal envelope of normal rate speech: the first one occurred in the theta band in right auditory cortex whereas the second one was found in a frequency band centered on the mean syllabic rate of our stimuli in left anterior temporal regions. As to the fast rate condition, we showed cortico-acoustic coupling in the theta band in left (pre)motor areas, reflecting the role of the sensorimotor dorsal pathway in challenging listening conditions as well as in language development. In two other studies, we tested the hypothesis of an impairment to process speech syllabic rhythm, potentially underpinned by atypical oscillatory cortical dynamics, in children with developmental language disorders mainly at the expressive level. In a behavioral study, we examined how French-speaking children with expressive DLD (8-13 years old) processed speech naturally produced at a normal or fast rate, or artificially accelerated. Our results showed poorer performance to decode fast sentences, either accelerated naturally or artificially, in these children as compared to their typically-developing peers, which suggests a deficit in extracting speech syllabic information with increased modulation frequency in the amplitude envelope. The last study, identical to the first one in MEG conducted in typically-developing children, provided the first piece of evidence in favor of this interpretation by showing atypical cortical processing of syllabic information in children with DLD, which may account for the phonological and morpho-syntactic deficits frequently described in this developmental disorder. Reduced alignment of theta oscillatory activity in auditory cortex to normal rate speech has indeed been evidenced in children with DLD as compared to typically-developing children. Lack of synchronization of oscillations in left (pre)motor regions to amplitude envelope of fast rate sentences was also observed, which we interpreted as potential dysfunction of the dorsal stream in this population. To the best of our knowledge, the findings obtained in this thesis therefore provide first experimental evidence for (i) coupling between brain rhythms and rhythm of naturally produced speech in typically-developing children and (ii) atypical oscillatory cortical dynamics underlying normal and fast rate speech in children with developmental language disorders., Les modèles actuels de perception de la parole suggèrent un couplage étroit entre les rythmes cérébraux, caractérisés par les oscillations neuronales, et le rythme de la parole, permettant de segmenter le flux verbal continu en unités linguistiques pertinentes pour la reconnaissance. En particulier, les modulations lentes d’amplitude de l’enveloppe temporelle de la parole, véhiculant l’information syllabique et prosodique, sont capables d’« entrainer » les oscillations corticales auditives dans la bande de fréquence thêta (4-7 Hz), échantillonnant le signal verbal en unités syllabiques. L’information temporelle qui caractérise la parole joue un rôle fondamental dans l’acquisition et le développement du langage ; un déficit de traitement des indices rythmiques de la parole a d’ailleurs été décrit dans les troubles développementaux du langage. L’objectif de ce travail de thèse était de mieux comprendre les processus neurocognitifs sous-tendant la perception du rythme de la parole naturelle chez l’enfant présentant un développement langagier typique ou atypique (dysphasie) dans trois études. Une première étude en magnétoencéphalographie (MEG) a permis de dévoiler la dynamique corticale oscillatoire chez des enfants francophones neurotypiques (8-13 ans) lors de l’écoute de phrases naturellement produites à un débit normal ou rapide. Nos résultats suggèrent l’existence de deux phénomènes d’« entrainment » des oscillations sur l’enveloppe temporelle de la parole à débit normal, l’un dans la bande thêta au sein des régions auditives droites, l’autre dans une bande centrée sur le débit syllabique moyen des stimuli dans les régions temporales antérieures gauches. Dans la condition de parole rapide, une synchronisation cortico-acoustique a été mise en évidence dans la bande thêta au sein des régions (pré)motrices gauches, reflétant le rôle de la voie dorsale d’intégration sensori-motrice dans les conditions d’écoute difficiles mais aussi dans le développement du langage oral. Les deux études suivantes ont été réalisées chez des enfants présentant une dysphasie expressive (8-13 ans) afin de tester l’hypothèse d’un trouble de traitement du rythme syllabique chez ces enfants, potentiellement sous-tendu par une dynamique corticale oscillatoire atypique. Dans une étude comportementale, nous avons évalué les capacités des enfants dysphasiques à décoder de la parole naturellement produite à débit normal ou rapide, ou accélérée artificiellement. Nous avons montré des performances réduites chez ces enfants, en regard d’enfants neurotypiques, pour traiter des phrases accélérées naturellement et artificiellement, suggérant un déficit d’extraction du rythme de la parole lorsque la fréquence des modulations de l’enveloppe temporelle augmente. Une étude en MEG, identique à celle réalisée chez les enfants neurotypiques, nous a permis d’apporter de premiers éléments en faveur de cette interprétation en révélant un traitement cortical atypique de l’information syllabique dans la dysphasie, qui pourrait rendre compte des troubles phonologiques et morpho-syntaxiques souvent décrits dans ce trouble neuro-développemental. Une synchronisation réduite des oscillations thêta du cortex auditif a ainsi été mise en évidence chez les enfants dysphasiques par rapport à leurs pairs lors de la perception de parole à débit normal. L’absence d’alignement de l’activité oscillatoire des régions prémotrices sur l’enveloppe temporelle des phrases à débit rapide nous a en outre conduit à émettre l’hypothèse d’un dysfonctionnement de la voie dorsale chez ces enfants. Dans l’ensemble, ce travail de thèse fournit donc, pour la première fois à notre connaissance, des preuves expérimentales (i) de la synchronisation entre rythmes corticaux et rythme de la parole naturelle chez les enfants à développement langagier typique et (ii) d’une dynamique oscillatoire atypique lors de la perception de parole à débit normal et rapide chez les enfants dysphasiques.

This thesis aims at characterizing predictive coding during auditory perception. Predictive coding rests on precision-weighted prediction errors elicited by unexpected sounds that propagate along a hierarchical organization in order to maintain the brain adapted to a varying sensory environment. This general principle is thought to subsume perceptual learning. However, its precise computational underpinnings and its implications in terms of neurophysiological mechanisms remain unclear. Using the mismatch negativity (MMN), a brain response to unexpected stimuli (deviants) that reflects such prediction errors in the brain, we tackled this twofold question. Precisely, we manipulated the predictability of deviants and applied computational learning models and dynamic causal models (DCM) to electrophysiological responses (EEG, MEG) measured simultaneously.Deviance responses were found to be modulated by deviant predictability, a result further supporting their interpretation as prediction errors. This effect reflects the (high-level) implicit learning of sound sequence regularities which would in turn influences auditory processing in lower levels of the hierarchy. Computational modeling of trial-by-trial variations of electrophysiological evoked responses revealed the perceptual learning of sounds at play. Importantly, increased predictability yielded an increase in the size of the information temporal integration window. In addition, DCM analysis indicated predictability changes in the synaptic connectivity established by deviance processing. Precisely, we observed an increase in self-inhibition (coding for precision weighting) together with a decrease in forward connectivity (coding for prediction error) with higher predictability. This is consistent with the computational findings.These results confirm predictive coding predictions regarding both deviance processing and its modulation by predictability. They shed light on perceptual learning processes within the auditory hierarchy. They also emphasize the great power of multimodal approaches (here the combination of EEG and MEG), together with the essential contribution of advanced computational and neurobiological models in modern cognitive neuroscience.; Cette thèse porte sur le codage prédictif comme principe général pour la perception et vise à en étayer les mécanismes computationnels et neurophysiologiques dans la modalité auditive. Ce codage repose sur des erreurs de prédictions pondérées par leur précision (quantifiant leur plau- sibilité) se propageant au sein de la hiérarchie corticale, et se reflétant dans des réponses neurophysiologiques au changement (ou déviance) telles que la Négativité de discordance (mismatch negativity, MMN). Dans ce cadre théorique, nous avons formulé des hypothèses précises quant aux mécanismes génératifs de ces réponses, à la fois d’un point de vue computationnel et neurophysiologique. Nous avons pu les tester finement grâce à une manipulation expérimentale de la prédictibilité du changement auditif d’une part, et à l’utilisation d’enregistrements électrophysiologiques (EEG, MEG) simultanés, d’autre part.Une modulation des réponses à la déviance par la prédictibilité a été observée, permettant d’établir un lien avec les erreurs de prédictions. Cet effet démontre un apprentissage implicite des régularités acoustiques, dont l’influence sur le traitement auditif a pu être caractérisée par notre approche de modélisation. Du point de vue computationnel, un apprentissage a été mis en évidence au cours de ce traitement auditif, reposant sur une fenêtre d’intégration temporelle des informations dont la taille augmente avec la prédictibilité des déviants. Du point de vue neurophysiologique, cet effet est associé à des modifications de la connectivité effective (extrinsèque et intrinsèque) induites par une modulation des gains synaptiques, comme le montre une analyse par modèles causaux dynamiques.Ces résultats soulignent l’importance d’une approche multimodale, combinant ici EEG et MEG. Ils montrent aussi l’importance des modèles, à la fois computationnels et neurophysiologiques qui concourent à révéler la hiérarchie corticale auditive et éclairent les processus d’apprentissage perceptif. En accord avec le codage prédictif, nous avons notamment identifié la modulation contextuelle de l’erreur de prédiction ainsi que de sa précision.

This thesis aims at testing the predictive coding account of auditory perception. This framework rests on precision-weighted prediction errors elicited by unexpected sounds that propagate along a hierarchical organization in order to maintain the brain adapted to a varying acoustic environment. Using the mismatch negativity (MMN), a brain response to unexpected stimuli (deviants) that could reflect such errors, we could address the computational and neurophysiological underpinnings of predictive coding. Precisely, we manipulated the predictability of deviants and applied computational learning models and dynamic causal models (DCM) to electrophysiological responses (EEG, MEG) measured simultaneously. Deviant predictability was found to modulate deviance responses, a result supporting their interpretation as prediction errors. Such effect might involve the (high-level) implicit learning of sound sequence regularities that would in turn influence auditory processing in lower hierarchical levels. Computational modeling revealed the perceptual learning of sounds, resting on temporal integration exhibiting differences induced by our predictability manipulation. In addition, DCM analysis indicated predictability changes in the synaptic connectivity established by deviance processing. These results conform predictive coding predictions regarding both deviance processing and its modulation by deviant predictability and strongly support perceptual learning of auditory regularities achieved within an auditory hierarchy. Our findings also highlight the power of this mechanistic framework to elaborate and test new hypothesis enabling to improve our understanding of auditory processing, Cette thèse porte sur le codage prédictif comme principe général pour la perception et vise à en étayer les mécanismes computationnels et neurophysiologiques dans la modalité auditive. Ce codage repose sur des erreurs de prédictions se propageant dans une hiérarchie, et qui pourraient se refléter dans des réponses cérébrales au changement (ou déviance) telles que la Négativité de discordance (mismatch negativity, MMN). Nous avons manipulé la prédictibilité de sons déviants et utilisé des approches de modélisation computationnelle et dynamique causale (DCM) appliquées à des enregistrements électrophysiologiques (EEG, MEG) simultanés.Une modulation des réponses à la déviance par la prédictibilité a été observée, permettant d'établir un lien avec les erreurs de prédictions. Cet effet implique un apprentissage implicite des régularités acoustiques, dont l'influence sur le traitement auditif a pu être caractérisée par notre approche de modélisation. Sur le plan computationnel, un apprentissage a été mis en évidence au cours de ce traitement auditif, reposant sur une fenêtre d'intégration temporelle dont la taille varie avec la prédictibilité des déviants. Cet effet pourrait également moduler la connectivité synaptique sous-tendant le traitement auditif, comme le suggère l'analyse DCM.Nos résultats mettent en évidence la mise en œuvre d'un apprentissage perceptif au sein d'une hiérarchie auditive soumis à une modulation par la prédictibilité du contexte acoustique, conformément aux prédictions du codage prédictif. Ils soulignent également l'intérêt de ce cadre théorique pour émettre et tester expérimentalement des hypothèses mécanistiques précises

Understanding the brain functions is one of the major challenges of neuroscience. To apprehend this organ in vivo many devices are developed, among them the electroencephalography (EEG). EEG measures directly and noninvasively the brain signals with high time resolution. The electrical activation of a region in the brain is modeled by a current dipole. The main objective of the EEG is monitoring the brain activity during a specific task and the location/reconstruction of the dipole sources within the brain. It is used both in practice and in research in neuroscience. The source’s localization process consists of solving an inverse problem that requires models of the solution of the direct or forward problem. The forward problem is the prediction of the electric potential on the scalp from a distribution sources in the brain. The accuracy of the source’s localization depends largely on the performance of the forward problem’s solution, which is related to the accuracy of the head model, the source model and the related method used to solve the forward problem.Currently in practice for reasons of computational simplicity and speed, EEG codes use mainly the multilayered spherical head model or the boundary element method for solving the forward problem. Improving the EEG’s source localization requires the use of more realistic head models which take into account more parameters such as inhomogeneity and anisotropy of the tissues. For these reasons the finite element method (FEM) is best suited and attracted the attention of many researchers. Nevertheless, with the FEM discretization, the sources may bring a numerical singularity; this negatively impacts the solution of the forward problem. To treat this problem some techniques such as the direct method, the subtraction method and the method of Saint-Venant are developed. However, all these methods show numerical instabilities in the case from sources close to the interfaces of brain tissue. To remedy these instabilities a modification was made on the Saint-Venant’s method.The report provides an overview on brain activity, a reminder of the FEM, its application for solving the forward problem in EEG, processing to treat the numerical singularity of the source and the instability near interfaces using the modified method of the Saint-Venant. We validate the results of the modified Venant’s method in models of multilayered spherical head and models with real geometries. Finally, we will test this approach in tools and software currently used in practice for locating areas activated in the brain and shows the improvements that can be made using the method of modified Saint-Venant., La compréhension du fonctionnement du cerveau est un des défis majeurs des neurosciences. Pour appréhender cet organe in vivo de nombreux dispositifs sont développés, parmi eux l'électroencéphalographie (EEG). L'EEG mesure directement et d’une manière non invasive les signaux du cerveau avec une haute résolution temporelle. L’activation électrique d’une région dans le cerveau est modélisée par un dipôle de courant. Le principal objectif de l’EEG est le suivi de l'activité cérébrale pendant une tâche spécifique et la localisation/reconstruction des dipôles sources dans le cerveau. Il est utilisé à la fois dans la pratique et dans les recherches en neuroscience. Le processus de localisation des sources implique la résolution d'un problème inverse qui nécessite des modèles de la solution du problème direct. Le problème direct concerne la prédiction du potentiel électrique, résultant de l'activité cérébrale, sur le scalp à partir d'une répartition des sources données dans le cerveau. La précision de la localisation des sources dépend largement des performances de la solution du problème direct, qui est liée à la précision du modèle de tête, du modèle des sources ainsi que de la méthode de résolution du problème direct. Actuellement en pratique, pour des raisons de simplicité de calcul et de rapidité, les algorithmes EEG utilisent principalement le modèle de tête sphérique multicouche ou la méthode des éléments de frontière pour résoudre le problème direct. L’amélioration de la résolution en EEG nécessite l’utilisation de modèles de têtes plus réalistes qui prennent en considération d’avantages de paramètres tels que l’inhomogénéité et l’anisotropie des tissus. C’est pour ces raisons que la méthode des éléments finis (FEM) est la mieux adaptée et a attiré l’attention de plusieurs chercheurs. Néanmoins, avec la discrétisation de la FEM, les sources peuvent présenter une singularité numérique, ceci impacte négativement la solution du problème direct. Afin de remédier à ce problème des techniques tel que la méthode directe, la méthode de soustraction et la méthode de Saint Venant sont utilisées pour traiter la singularité. Cependant, toutes ces méthodes montrent des instabilités numériques dans le cas de sources situées à proximité des interfaces des tissus du cerveau. Pour y remédier une amélioration a été apportée à la méthode de Saint Venant au cours de cette thèse. Le rapport donne un aperçu sur l’activité cérébrale, un rappel de la FEM, son application pour la résolution du problème direct en EEG, le traitement de la singularité numérique et des instabilités près des interfaces, puis une présentation de la version modifiée de Saint-Venant, proposée et mise en œuvre dans ce travail. Nous validerons les résultats de la méthode modifiée de Saint-Venant dans des modèles de têtes sphériques multicouches et des modèles à géométries réelles. Pour finir, on testera cette méthode dans les outils et logiciels actuellement utilisés dans la pratique pour la localisation des zones activé dans le cerveau et nous montrerons les améliorations qui peuvent être apportées en utilisant notre approche de la méthode de Saint Venant modifiée.

Touch plays a critical role in our daily life to grasp and manipulate objects, or simply walk. The primary somatosensory areas exhibit the striking feature of being somatotopically organized, giving rise to the so-called Homunculus. While most of our body surface is represented following an order similar to its physical continuity, the Homunculus displays a major discontinuity, the hand and the face being represented next to each other. The hand-face border has been widely used as a somatotopic hallmark to study one of the most fascinating features of our brain, its capacity for reorganization. Particularly, somatosensory plasticity was found to cross the hand-face border following deprivation of inputs. While it has long been known that increasing inputs also leads to cortical changes typically associated with perceptual benefits, whether such plasticity can cross the hand-face border remains unknown. My thesis work aimed to investigate this question. A first behavioural study revealed that increasing inputs to a finger improves not only the tactile acuity at this finger, but also at the face, suggesting a transfer of plastic changes across the hand-face border. To investigate this, two additional studies were performed using two complementary brain imaging techniques, namely high-field fMRI and MEG. In agreement with our hypotheses a reorganization of both hand and face representations was found. Altogether, this work reveals that adaptive plasticity leading to perceptual benefits can spread over large cortical distances, in particular across the hand-face border, and thus opens up a new window of investigation that may have a real impact in promoting rehabilitation; Le toucher a un rôle critique dans notre vie quotidienne pour saisir, manipuler des objets, ou simplement marcher. Les aires primaires somatosensorielles présentent la particularité d'être organisées somatotopiquement, donnant lieu au dénommé Homunculus. Alors que la plupart de notre surface corporelle est représentée suivant un ordre similaire à sa continuité physique, l'Homunculus présente une discontinuité majeure, la main et le visage étant représentés côte à côte. La frontière main-visage a été souvent utilisée comme un repère pour étudier l'une des particularités les plus fascinantes de notre cerveau, sa capacité de réorganisation. En particulier, la plasticité somatosensorielle a été trouvée capable de traverser la frontière main-visage suite à une privation d'afférences. Alors qu'il est connu depuis longtemps que l'augmentation des afférences conduit également à des changements corticaux souvent associés à des bénéfices perceptifs, la possibilité qu'une telle plasticité puisse traverser la frontière main-visage reste inexplorée. Le travail de ma thèse a pour but d'examiner cette question. Une première étude comportementale a révélé que le fait d'augmenter les afférences d'un doigt améliore non seulement l'acuité tactile de ce doigt, mais aussi du visage, suggérant un transfert de changements plastiques au travers de la frontière main-visage. Afin d'examiner ceci, deux études supplémentaires ont été réalisées en utilisant deux techniques complémentaires d'imagerie cérébrales, à savoir l'IRMf et la MEG. En adéquation avec nos hypothèses, une réorganisation des représentations de la main et du visage a été trouvée. Dans l'ensemble, ce travail révèle qu'une plasticité adaptative menant à des bénéfices perceptifs peut se propager sur de larges distances corticales, en particulier au-delà de la frontière main-visage, et par conséquent ouvre une nouvelle fenêtre d'investigation pouvant avoir un réel impact dans la promotion de rééducation

International audience; Electroencephalography allows the functional analysis of electrical brain cortical activity and is the gold standard for analyzing electrophysiological processes involved in epilepsy but also in several other dysfunctions of the central nervous system. Morphological imaging yields complementary data, yet it cannot replace the essential functional analysis tool that is EEG. Furthermore, EEG has the great advantage of being non-invasive, easy to perform and allows repeat testing when follow-up is necessary, even at the patient's bedside. Faced with advances in knowledge, techniques and indications, the Société de neurophysiologie clinique de langue française (SNCLF) and the Ligue française contre l'épilepsie (LFCE) found it necessary to provide an update on EEG recommendations. This article will review the methodology applied to this work, refine the various topics detailed in the following chapters. It will go over the summary of recommendations for each of these chapters and highlight proposals for writing an EEG report. Some questions could not be answered by review of the literature; in such cases, in addition to the guidelines the working and reading groups provided their expert opinion.

Touch plays a critical role in our daily life to grasp and manipulate objects, or simply walk. The primary somatosensory areas exhibit the striking feature of being somatotopically organized, giving rise to the so-called Homunculus. While most of our body surface is represented following an order similar to its physical continuity, the Homunculus displays a major discontinuity, the hand and the face being represented next to each other. The hand-face border has been widely used as a somatotopic hallmark to study one of the most fascinating features of our brain, its capacity for reorganization. Particularly, somatosensory plasticity was found to cross the hand-face border following deprivation of inputs. While it has long been known that increasing inputs also leads to cortical changes typically associated with perceptual benefits, whether such plasticity can cross the hand-face border remains unknown. My thesis work aimed to investigate this question. A first behavioural study revealed that increasing inputs to a finger improves not only the tactile acuity at this finger, but also at the face, suggesting a transfer of plastic changes across the hand-face border. To investigate this, two additional studies were performed using two complementary brain imaging techniques, namely high-field fMRI and MEG. In agreement with our hypotheses a reorganization of both hand and face representations was found. Altogether, this work reveals that adaptive plasticity leading to perceptual benefits can spread over large cortical distances, in particular across the hand-face border, and thus opens up a new window of investigation that may have a real impact in promoting rehabilitation, Le toucher a un rôle critique dans notre vie quotidienne pour saisir, manipuler des objets, ou simplement marcher. Les aires primaires somatosensorielles présentent la particularité d'être organisées somatotopiquement, donnant lieu au dénommé Homunculus. Alors que la plupart de notre surface corporelle est représentée suivant un ordre similaire à sa continuité physique, l'Homunculus présente une discontinuité majeure, la main et le visage étant représentés côte à côte. La frontière main-visage a été souvent utilisée comme un repère pour étudier l'une des particularités les plus fascinantes de notre cerveau, sa capacité de réorganisation. En particulier, la plasticité somatosensorielle a été trouvée capable de traverser la frontière main-visage suite à une privation d'afférences. Alors qu'il est connu depuis longtemps que l'augmentation des afférences conduit également à des changements corticaux souvent associés à des bénéfices perceptifs, la possibilité qu'une telle plasticité puisse traverser la frontière main-visage reste inexplorée. Le travail de ma thèse a pour but d'examiner cette question. Une première étude comportementale a révélé que le fait d'augmenter les afférences d'un doigt améliore non seulement l'acuité tactile de ce doigt, mais aussi du visage, suggérant un transfert de changements plastiques au travers de la frontière main-visage. Afin d'examiner ceci, deux études supplémentaires ont été réalisées en utilisant deux techniques complémentaires d'imagerie cérébrales, à savoir l'IRMf et la MEG. En adéquation avec nos hypothèses, une réorganisation des représentations de la main et du visage a été trouvée. Dans l'ensemble, ce travail révèle qu'une plasticité adaptative menant à des bénéfices perceptifs peut se propager sur de larges distances corticales, en particulier au-delà de la frontière main-visage, et par conséquent ouvre une nouvelle fenêtre d'investigation pouvant avoir un réel impact dans la promotion de rééducation

The aim of this PhD thesis is to further our understanding about how humans perceive and nmemorize complex sound structures. We investigated the behavioral and cerebral correlates of auditory perception and memory for isolated tones, musical sequences, and verbal material both in typical listeners and in individuals presenting a lifelong disorder of music perception that has been referred to as congenital amusia. Using behavioral approaches, we demonstrated that amusic individuals’ deficits in the pitch dimension are related to impairments both in the encoding of short tones and in the short term retention of pitch information. Using multimodal neuroimaging methods (MRI, MEG, fMRI) we observed anatomical and functional abnormalities in the amusic brain, mostly in the right frontal cortex and in the right auditory cortex. Functional abnormalities were observed at each level of processing in short-term memory tasks, that is for encoding, retention, and retrieval of the melodic information. In contrast, for verbal material, amusic participants recruited similar brain regions as those observed for controls, thus suggesting that separate neural resources support tonal and verbal memory. Based on the conclusions made on these first three studies, we explored two approaches aiming to boost pitch processing abilities in amusia; 1) by investigating whether implicit knowledge of the western tonal musical system could influence their short-term memory abilities, and 2) by exploring whether amusic individuals’ altered encoding of short tones could be improved by audio-visual interactions These investigations were encouraging and provide the first steps toward designing tools of rehabilitation in this musical disorder. To conclude, it is worth underlining that these studies also improve our understanding of music processing in general, which is the subject of an increasing research domain that is often making the parallel to language processing, Ce travail de thèse vise à améliorer notre compréhension des mécanismes sous-tendant la perception et la mémorisation des structures sonores complexes. Nous avons étudié les corrélats comportementaux et cérébraux de la perception et de la mémoire auditive pour des notes isolées, des séquences musicales et des séquences de mots, chez des auditeurs typiques et dans l'amusie congénitale, un trouble permanent de la perception de la musique. En utilisant des approches comportementales, nous avons démontré que les déficits des individus amusiques dans la dimension de la hauteur sont liés à des déficits à la fois durant l’encodage des sons courts et dans la rétention à court terme de l'information musicale. En utilisant des mesures neurophysiologiques (IRM, MEG, IRMf) nous avons démontré l’existence d’anomalies anatomiques et fonctionnelles dans le cerveau amusique, principalement dans les cortex frontal et auditif droits. De plus des anomalies fonctionnelles ont été observées à la fois durant l'encodage, la rétention et la reconnaissance de l'information mélodique lors d’une tâche de mémoire à court terme. En revanche, pour le matériel verbal, les participants amusiques recrutaient des régions cérébrales similaires à celles des contrôles, ceci suggérant que des ressources neuronales distinctes sous-tendent la mémoire tonale et verbale. A partir des conclusions de ces trois premières études, nous avons exploré deux approches visant à renforcer les capacités de traitement de la hauteur dans l'amusie: 1) en étudiant si des connaissances implicites du système musical occidental tonal pouvaient améliorer leurs capacités de mémoire à court terme pour les notes, et 2) en explorant si les capacités d’encodage altérées des participants amusiques pouvaient être améliorées par des interactions audio-visuelles. Ces études ont été encourageantes et pourraient guider la conception d'outils de réhabilitation dans ce déficit. Enfin, il convient de souligner que nos recherches contribuent également à améliorer la compréhension des mécanismes sous-tendant le traitement de la musique en général, un domaine de recherche émergeant qui fait le parallèle avec le traitement du langage

Autonomic activity is a correlate of mental and emotional load, even when stimulations are brief and of low intensity.This activity is especially sensitive to the perceived difficulty, but also to a particular form of emotional induction, theinjustice. Therefore, we used these autonomic measures as dependent variables of mental/emotional loadundergone by drivers, under more or less demanding conditions.A heavy braking elicited long and ample autonomic responses, correlate of a strong load. The focus of attention wasgreater in stressful driving conditions, needed to get ready to respond to the possible change of the color of thetraffic light.We showed, from magnetoencephalographic recordings, that under high time pressure, drivers who tended to breakthe lights showed higher activation in the left dorsolateral prefrontal cortex. They continuously operated a trade-offbetween the simultaneous respect of the traffic law and of the experimental instructions thus making the motorresponse selection harder.We also evidenced that the autonomic activity reliably paralleled the central activity. The activation of the leftanterior cingulate cortex decreased both electrodermal and cardiac activities.Due to their impaired cognitive abilities, ageing citizens might become anxious during driving situations consideredbenign by young drivers. It is necessary to provide them simple recommendations in order that they address the roadmore serenely., L’activité neurovégétative est un corrélat de la charge mentale et émotionnelle, même lorsque les stimulations sontbrèves et de faible intensité. Elle est notamment sensible à la difficulté perçue mais aussi à une forme particulièred’induction affective, l’injustice. Par conséquent, nous avons utilisé ces mesures neurovégétatives comme variablesdépendantes de la charge mentale/émotionnelle subie par les conducteurs automobiles, dans des conditions plus oumoins astreignantes.Un freinage appuyé induit des réponses neurovégétatives longues et amples, corrélat d’une charge importante. Lafocalisation de l’attention est élevée dans des situations de conduite stressantes, nécessaire pour répondre auchangement possible de la couleur d’un feu tricolore.Nous avons montré, à partir d’enregistrements magnétoencéphalographiques, que sous forte contrainte temporelle,les conducteurs qui avaient tendance à enfreindre les feux présentaient une activation plus élevée au niveau ducortex dorsolatéral gauche. Ils opéraient en permanence un compromis entre le respect simultané du code de laroute et des consignes expérimentales ce qui complexifiait la sélection de la réponse motrice.L’activité végétative s’avère être un témoin fiable de l’activité centrale. L’activation du cortex cingulaire antérieurgauche semble être à l’origine d’une diminution de l’activité électrodermale et cardiaque.Du fait de l’altération de leurs capacités cognitives, les seniors pourraient devenir anxieux face à des situations deconduite pourtant considérées comme anodines pour les plus jeunes. Il est nécessaire de leur dispenser desrecommandations simples afin qu’ils abordent la route plus sereinement.

Autonomic activity is a correlate of mental and emotional load, even when stimulations are brief and of low intensity.This activity is especially sensitive to the perceived difficulty, but also to a particular form of emotional induction, theinjustice. Therefore, we used these autonomic measures as dependent variables of mental/emotional loadundergone by drivers, under more or less demanding conditions.A heavy braking elicited long and ample autonomic responses, correlate of a strong load. The focus of attention wasgreater in stressful driving conditions, needed to get ready to respond to the possible change of the color of thetraffic light.We showed, from magnetoencephalographic recordings, that under high time pressure, drivers who tended to breakthe lights showed higher activation in the left dorsolateral prefrontal cortex. They continuously operated a trade-offbetween the simultaneous respect of the traffic law and of the experimental instructions thus making the motorresponse selection harder.We also evidenced that the autonomic activity reliably paralleled the central activity. The activation of the leftanterior cingulate cortex decreased both electrodermal and cardiac activities.Due to their impaired cognitive abilities, ageing citizens might become anxious during driving situations consideredbenign by young drivers. It is necessary to provide them simple recommendations in order that they address the roadmore serenely., L’activité neurovégétative est un corrélat de la charge mentale et émotionnelle, même lorsque les stimulations sontbrèves et de faible intensité. Elle est notamment sensible à la difficulté perçue mais aussi à une forme particulièred’induction affective, l’injustice. Par conséquent, nous avons utilisé ces mesures neurovégétatives comme variablesdépendantes de la charge mentale/émotionnelle subie par les conducteurs automobiles, dans des conditions plus oumoins astreignantes.Un freinage appuyé induit des réponses neurovégétatives longues et amples, corrélat d’une charge importante. Lafocalisation de l’attention est élevée dans des situations de conduite stressantes, nécessaire pour répondre auchangement possible de la couleur d’un feu tricolore.Nous avons montré, à partir d’enregistrements magnétoencéphalographiques, que sous forte contrainte temporelle,les conducteurs qui avaient tendance à enfreindre les feux présentaient une activation plus élevée au niveau ducortex dorsolatéral gauche. Ils opéraient en permanence un compromis entre le respect simultané du code de laroute et des consignes expérimentales ce qui complexifiait la sélection de la réponse motrice.L’activité végétative s’avère être un témoin fiable de l’activité centrale. L’activation du cortex cingulaire antérieurgauche semble être à l’origine d’une diminution de l’activité électrodermale et cardiaque.Du fait de l’altération de leurs capacités cognitives, les seniors pourraient devenir anxieux face à des situations deconduite pourtant considérées comme anodines pour les plus jeunes. Il est nécessaire de leur dispenser desrecommandations simples afin qu’ils abordent la route plus sereinement.

In a first part, I will illustrate some of my work in computer vision and image processing. Those are dealing with multi-view geometry, the use of geometric reasoning to integrate scene constraints, image registration and segmentation. Without entering into all the details, I will present the principles that characterize those approaches that are now a few years old and I will propose some possible extensions around that work. A second part will address some problems related to electro- and magneto- encephalography (M/EEG), which is my current field of research. I'll focus more particularly on an algorithm that we have proposed for the detection of events of interest for multi-trial data and on some techniques that have been developed for the modeling of the forward M/EEG problem. As in the first part, I will try to propose some some possible developments around this theme., Dans une première partie, j'illustrerai quelques uns de mes travaux en visio n par ordinateur et traitement d'images. Ceux-ci portent notamment sur la géométrie multi-vues, l'utilisation du raisonnement géométrique pour intégrer des contraintes sur la scène, l'appariement et la segmentation d'images. Sans forcément rentrer dans les détails, j'exposerai les idées fondamentales qui sous-tendent ces travaux qui ont maintenant quelques années et proposerai quelques perspectives sur des extensions possibles. Une deuxième partie abordera certains problèmes liés à l'électro- et la magnéto-encéphalographie M/EEG, sujet auquel je me suis intéressé plus récemment. Je décrirai en particulier un algorithme de détection d'événements d'intérêts en essai par essai ainsi que certaines techniques que nous avons développé pour la modélisation du problème direct M/EEG. Comme pour la première partie, je tenterai de proposer quelques unes des évolutions possibles autour de cette thématique.

National audience; On s'intéresse aux problèmes inverses sous déterminés, et plus particulièrement à la localisation de sources en magnéto et électro- encéphalographie (M/EEG). Dans ces problèmes, bien que l'on ait à disposition un modèle physique de la diffusion (ou du “mélange”) des sources, le caractère très sous-déterminé des problèmes rend l'inversion très difficile. La nécessité de trouver des a priori forts et pertinent physiquement sur les sources est une des parties difficiles de ce problème.Dans ces problèmes, la parcimonie classique mesurée par une norme l1 n'est pas suffisante, et donne des résultats non réalistes. On propose ici de prendre en compte une parcimonie structurée grâce à l'utilisation de normes mixtes, notamment d'une norme mixte sur trois niveaux. La méthode est utilisée sur des signaux MEG issus d'expériences de stimulation somesthésique. Lorsqu'ils sont stimulés, les différents doigts de la main activent des régions distinctes du cortex sensoriel primaire. L'utilisation d'une norme mixte à trois niveaux permet d'injecter cet a priori dans le problème inverse et ainsi de retrouver la bonne organisation corticale des zones actives. Nous montrons également que les méthodes classiquement utilisées dans le domaine échouent dans cette tâche.

Facial expression of fear is an important vector of social and environmental information. In natural conditions, the frightened faces appear mainly in our peripheral visual field. However, the brain mechanisms underlying perception of fear in the periphery remain largely unknown. We have demonstrated, through behavioral, magnetoencephalographic and intracranial studies that the perception of fear facial expression is efficient in large peripheral visual field. Fear perception in the periphery produces an early response in the amygdala and the frontal cortex, and a later response in the occipital and infero-temporal visual areas. Attentional control is able to inhibit the early response to fear expression and to increase the later temporo-occipital activities linked to face perception. Our results show that networks involved in fear perception are adapted to the peripheral vision. Moreover, they validate a new form of investigation of facial expression processing, which may lead to a better understanding of how we process social messages in more ecological situations., L’expression faciale de peur constitue un important vecteur d’information sociale mais aussi environnementale. En condition naturelle, les visages apeurés apparaissent principalement dans notre champ visuel périphérique. Cependant, les mécanismes cérébraux qui sous-tendent la perception de l’expression faciale de peur en périphérie restent largement méconnus. Nous avons démontré, grâce à des études comportementales, des enregistrements magnétoencéphalographiques et intracrâniens, que la perception de l’expression faciale de peur est efficace en grande périphérie. La perception de la peur en périphérie génère une réponse rapide de l’amygdale et du cortex frontal, mais également une réponse plus tardive dans les aires visuelles occipitales et temporales ventrales. Le contrôle attentionnel est capable d’inhiber la réponse précoce à l’expression de peur, mais également d’augmenter les activités postérieures plus tardives liées à la perception des visages. Nos résultats montrent non seulement que les réseaux impliqués dans la perception de la peur sont adaptés à la vision périphérique, mais ils mettent également en avant une nouvelle forme d’investigation des mécanismes de traitement de l’expression faciale, pouvant conduire à une meilleure compréhension des mécanismes de traitement des messages sociaux dans des situations plus écologiques.